本文旨在探讨数据机房之谐波治理对策。由于IT(InformationTechnology)负载之重要性极高，对于设备电源之供电可靠度及电能质量之需求亦较高。随着IT设备急剧成长，于数据机房使用之UPS(UninterruptablePowerSupply)设备亦大幅成长。而UPS设备属于非线性负载，于运转时所产生之谐波污染将直接影响数据机房用电之电能质量。文中拟定数据机房之补偿方案与谐波治理方案，其中滤波器包含无源及有源滤波器。最后比较各项补偿方案改善前后之效益。
一、引言
随着数字时代之进步，数字化信息已与人类之生活密不可分。因应数字信息成长之速度，储存数字数据之需求亦大幅提高，置放IT设备机房之需求量亦大幅提高。由于IT设备对于用电可靠度之要求相当高，因而于数据机房内之IT设备皆以UPS供电，以防电力中断之情形发生。
一般使用之UPS设备多为6级脉波整流[1]，但由于UPS属于非线性负载，若于数据机房大量采用UPS将会直接影响系统供电之电能质量。此外，IT设备会随着快速成长之数字信息而增加，此意味着数据机房所须之补偿量将会随着时间而有显著之改变。
二、谐波概论
1.谐波对设备之影响
于数据机房除了采用大量之UPS作为IT设备之电源，以提高供电之可靠度之外，机房内还包含空调设备、照明设备及整流设备等。此类电力电子设备皆属于非线性负载，而此类负载于运转时产生之谐波会直接注入系统。当系统上之谐波污染越来越严重时，对设备之影响亦越明显，如变压器、电力电缆、电动机、电子仪器及保护设备等。
(1)变压器：对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。谐波对变压器的整体影响为温升问题。
(2)电力电缆：由谐波所产生之额外损耗及温升，其为集肤效应和邻近效应所引起。
(3)电动机：对于旋转电机设备，谐波会引起噪音、机械振荡等问题。而机械振荡易导致机械损坏。
(4)电子仪器：对于数字电子设备，如可编过程控制器(PLC)或微控制器(MCU)，可能导致电压零点侦测失误、通讯干扰以及控制讯号失灵等问题。
(5)保护设备：于保护设备方面，谐波可能导致保护设备误动作。
2.谐波谐振
传统线性负载常直接以电容器作为无效功率补偿，由于线性负载无谐波污染问题，并无谐波谐振之问题存在。而于数据机房常使用整流设备、UPS设备、照明设备等皆为非线性负载，此类设备于运转时会产生谐波污染并直接注入系统。若于数据机房直接以电容器作无功补偿，可能会发生谐波谐振问题。由非线性负载所产生之谐波电流，对于电力系统不一定有立即性之影响。但若注入供电系统之谐波，因谐波谐振而放大谐波时，即可能造成配电系统上之设备过压或影响设备正常运转，例如系统电压上升、波形严重畸变、电容器过流或变压器过载等。典型数据机房采用电容器补偿之配电系统架构图，如图1所示。
于非线性负载看入系统之等效电路，如图2所示。电流源为非线性负载所产生之谐波电流；即为无功改善电容器回路之阻抗；即为变压器及系统回路之等效阻抗。其中，n为谐波阶次，即谐波频率除于基频。
而与之阻抗频率响应，如图3所示。于基波频率时阻抗较大，但随频率之增加，其阻抗将变小；由于为电感性，其等效阻抗则是随频率之增加而变大。
由非线性负载端看入系统之驱动点阻抗与频率之响应，如图4所示。当系统阻抗值与容抗值相等时，即，则，此时即为系统之并联谐振点，此时之频率即为其谐振频率。若将此频率除以基波之频率，即为其并联谐振点。
当发生并联共振时，，即使该次谐波电流不大，但所产生之谐波电压亦那当大，理论上为无穷大，但实际上由于线路上之电阻与等效之电阻，实际之驱动点阻抗不会达到无限大，故不会发生无穷大之谐波电压。但发生系统并联谐振时，其过电压现象将可能导致系统过电压、设备烧毁或保护电驿跳闸等问题。
三、数据机房负载
典型数据机房负载包含整流设备、UPS设备、空调设备、照明设备与电动机等负载，其中以UPS为主要负载。而UPS设备主要供给IT设备用电，以防电源中断，于数据机房之负载电能中，IT设备约占85%，如图5所示。除了IT负载、照明设备及电动机设备之外，其余部份皆为电力损耗，约占8%。电动机设备系指电梯、空调设备之压缩机等旋转电机。
由于照明设备及电动机负载于运行时所产生之谐波量很小，且此类负载所占之容量亦较小，故其谐波对于系统之影响亦不明显。
于数据机房所有设备中，主要以UPS为主要之谐波产生源，再加上安装之IT设备容量大，故UPS设备容量需求亦相当大，其运转时之谐波产生量亦提高。而目前常使用6级脉冲之UPS设备，其所产生之谐波电流，如图6所示。其中，主要以第5次与第7次谐波含量最高，而于本文之分析将以此谐波产生量作为分析之谐波源。
四、谐波治理方案
典型数据机房之负载，一般皆为非线性负载，如UPS、交换式电源设备等，于数据机房大量采用此类设备，所产生之谐波若不经由改善补偿，会直接注入电力系统导致谐波含量超出谐波管制标准，而影响公用电网上其它用户之用电质量。因此，为了不使上述之情形发生，须针对非线性负载所产生之谐波进行改善。目前常见之改善方式为采用无源滤波器，即同时可补偿无效功率之外，亦可吸收系统上之谐波电流。但采用无源滤波器并入系统后，滤波器会与系统产生谐振点。此外，有源滤波器亦是常见之补偿设备，除了可滤除谐波，亦可补偿无效功率与不平衡。而且有源滤波器并入系统后并不会影响系统既有之谐振点，亦不会产生新的谐振点，但其成本相对比无源滤波器高。
1.无功补偿电容器
采用无功补偿电容器主要为补偿系统上之无效功率，并非以滤除谐波为目的。直接使用电容器作为无功补偿会与系统产生并联共振问题，故通常会使用调谐电抗电容器以避开谐振点。
(1)电容器：一般为了补偿系统上之无效功率，会直接采用电容器进行补偿。但采用电容器并接于系统后，会与系统产生并联谐振点。当系统上之谐波含量相当少时，即使存在并联谐振点，亦不会有明显并联谐振现象。因此，直接采用电容器作为系统补偿之方案，较适于无谐波污染之系统。
(2)调谐电抗电容器：为了避开此谐振点，于电容器同时串联一组电感器，而形成一组调谐电抗电容器(blockingfilter)，其目的主要为补偿无效功率并非滤除谐波。故调谐电抗电容器适用于谐波污染较小之场合。此外，由于其主要目的并非滤除谐波电流，故其串联电抗器之容量与体积皆比单调谐滤波器小。
2.谐波滤波器
(1)无源滤波器：无源谐波滤波器(passiveharmonicfilter)是由多组单调谐滤波器(single-tunedfilter)所组成，其等效架构如图7所示。每一组滤波器是由补偿电容器串联一个电感器而形成，并藉由串联不同大小之电感值，设定该组滤波器之调谐点。
(2)有源滤波器
由于采用无源滤波器常会有谐波谐振问题，为了避免谐波放大问题，谐波改善可考虑采用有源滤波器。由于电力电子之技术进步快速及制造成本降低，越来越多电力电子之应用，而有源滤波器即是将电力电子应用于谐波改善之设备。有源滤波器之改善原理是藉由侦测设备取得负载电流之谐波含量大小及相位，再由内部产生一个大小相同但相位相反之谐波电流，以抵消谐波电流。由于采用有源滤波器，只要其输出容量可满足欲补偿之谐波电流皆可达到改善效果，一旦谐波电流超出有源滤波器可补偿之容量，只须要再增加设备或提升有源滤波器之容量即可，不必如无源滤波器须再经由计算或重新调整所有滤波器。此外，由于无源滤波器经长时使用后，可能导致调谐点偏移、组件劣化或系统参数改变而导致滤波效果明显下降，但若采用有源滤波器无此问题。
有源滤波器除了谐波改善、无效功率补偿、电压波动与电压闪烁改善之外，对于负序电流之滤除与三相不平衡亦有改善效果。而有源滤波器目前之应用可分为并联型、串联型与混合型，本文是采用并联型有源滤波器(shuntactivefilter)做为后续谐波补偿方案。并联型有源滤波器与系统连接架构，如图8所示。
并联型有源滤波器为目前常见之类型，其补偿原理是藉由撷取负载电流之讯号，接着藉由傅利叶转换计算出基频电流大小与相位，接着将基频电流与负载电流相减即可获得补电流讯号，由于所须之讯号处理较少，故其计算之延迟时间较短。本文之有源滤波器之控制架构图，如图9所示。
于本文采用四种补偿方案，补偿方案1至方案4分别为电容器、调谐电抗电容器、无源滤波器及有源滤波器。此四种补偿方案之参数设定如表1所示。
五、仿真分析
本文将建立一典型数据机房范例系统，其负载含有UPS、整流设备、空调设备与照明设备等。将利用此范例系统进行谐波分析，探讨于10kV侧之谐波含量。最后藉由各项补偿方案分析其补偿之结果，并各别探讨各补偿方案之补偿特性与补偿效益。
1.范例系统参数设定
如图10所示为典型数据机房系统单线图。于此范例系统之10kV侧之短路容量为100MVA，变压器之容量为2MVA，百分阻抗为6.39%，采△-Y结线。
于本文所设定之负载相关详细参数设定，如表2所示。于此为使用6级脉冲之UPS，其单台额定容量为800kVA，需量因子为0.5。机房负载之整流设备功因为0.8，负载运行率为0.5。其余机房负载包含空调设备、照明设备与电梯等，于本文假设运行功因皆为0.8。
2.分析结果
数据机房之范例系统架构谐波改善分析，补偿方案分别为电容器、调谐电抗电容器、无源滤波器、有源滤波器。于Bus1之分析结果，如图11与表3所示。其中，VFund及IFund分别为基频电压与基频电流之有效值，并以中国国家标准GB/T14549-1993所制订之暂行标准作为参考，如表4所示。于本文中以谐波下降率作为谐波改善效益之评估，谐波下降率之定义如式(6)所示。
于Bus1各阶次谐波电压/电流含有率之分析结果，如表5所示。使用电容器做为无功补偿会因为并联共振问题，造成第5次与第7次谐波放大现象。虽然可改善功因，但谐波含量反而增加，总谐波电压/电流畸变率变大。而发生共联共振会造成系统之电压上升，可能导致设备过压而烧毁。
采用调谐电抗电容器做为补偿方案，可补偿系统之无效功率。由于串联6%之电抗器，其并联谐振点落于第3阶次，而系统上最低次谐波为第5阶次，因而避开发生并联谐振现象。此外，采用调谐电抗电容器主要目的并非滤除谐波电流，由仿真结果可知系统上之第5次谐波含量仅略变小，对于谐波改善之效益并不高。
采用谐波滤波器做为补偿方案可明显改善第5次与第7次谐波含量，且同时可提供无效功率之补偿，其谐波滤除效果相当明显。相较于有源滤波器，无源滤波器之谐波滤除效果仅略小于有源滤波器，由分析结果可知，无源滤波器与有源滤波器之谐波下降率分别为61%及66%(THDV)。但采用有源滤波器之成本比无源滤波器高，且设备运转维修之成本亦较高。
于数据机房采用无源滤波器之优缺点：
(1)滤波效果佳，由分析结果可知其滤波效果与有源滤波器差异不大，其滤波效益不逊于有源滤波器。
(2)设备成本及日后维修成本相较于有源滤波器，无源滤波器低于有源滤波器。
(3)由于有源滤波器采用数字电子电路组件，相较于无源滤波器为采用电抗与电容之被动组件，无源滤波器之稳定性高于有源滤波器。
(4)相较于有源滤波器，若采用相等之滤波器容量，无源滤波器所须之装设空间较大。
于数据机房采用有源滤波器之优缺点：
(1)使用有源滤波器之滤波效果佳，且同时具有补偿系统之负序电源以及三相电压不平衡等功能。
(2)于数据机房装设滤波器之空间有限，采用有源滤波器所须之装设空间较小。
(3)由于有源滤波器是使用数字电子作为滤波器之控制电路，易受到工作环境之噪声、温度等因素干扰，其运转稳定性较差。
(4)采用有源滤波器所须之设备成本以及维修成本较高。
六、结论
典型数据机房负载产生之谐波电流，最大之谐波电流为第5阶次，其次为第7阶次谐波。采用无源滤波器与有源滤波器皆可有效滤除谐波电流，系统上之总谐波电流含量可明显获得改善。采用无源滤波器之滤除效果相较于有源滤波器差异不大且皆能满足谐波管制值，但有源滤波器之设备成本及维修成本皆高于无源滤波器。无源滤波器为电感器与电容器所组成，于设备运转之稳定性高于有源滤波器。但采用无源滤波器所须之装设空间较大，于数据机房之滤波器装设空间须纳入设计考虑。有源滤波器除了可滤除谐波电流之外，尚有负序电流及电压不平衡之综合补偿。于机房之谐波治理方案中，采用无源滤波器及有源滤波器各有其优势，但各亦有须取舍之处，故于数据机房谐波之治理方案可依环境需求采用无源滤波器或有源滤波器。
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