数据机房谐波治理方案研究

廖淅埙 / 庄志鸿 / 柯唯翔 / 丁则升 (诺企电容器(上海)有限公司， 上海 200000)

1 引言

随着数字时代的进步，数字化信息已与人类之生活密不可分。数字信息成长速度、储存数字数据需求大幅提高，置放IT设备机房需求量亦大幅提高。由于IT设备对于用电可靠行要求相当高，因而数据机房内IT设备均以UPS供电，以防电力中断。

一般使用的UPS设备多为6级脉波整流[1]，但由于UPS属于非线性负载，若数据机房大量采用UPS将会直接影响系统供电的电能质量。此外，IT设备会随着快速成长的数字信息而增加，这就意味着数据机房所需的补偿量将会随着时间而有显著的改变。

2 谐波概论

2.1 谐波对设备的影响

数据机房除了采用大量UPS作为IT设备的电源，以提高供电可靠性之外，机房内还包含空调设备、照明设备及整流设备等。此类电力电子设备均属于非线性负载，而此类负载运转时产生的谐波会直接注入系统。当系统上谐波污染越来越严重时，对设备的影响亦越明显，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：由谐波所产生的额外损耗及温升，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，谐波会引起噪声、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：保护设备方面，谐波可能导致保护设备误动作。

2.2 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、无谐波谐振问题存在。而数据机房常使用的整流设备、UPS设备、照明设备等皆为非线性负载，此类设备运转时会产生谐波污染并直接注入系统。若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的谐波电流，对于电力系统不一定会立即产生影响。但若注入供电系统的谐波因谐波谐振而放大谐波时，即可能造成配电系统上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的配电系统架构如图1所示。

图1 典型数据机房配电系统架构图

非线性负载看入系统的等效电路如图2所示,图中电流源Ih(n)为

非线性负载所产生的谐波电流；Xc(n)即为无功改善电容器回路的阻抗；Xs(n)即为变压器及系统回路的等效阻抗。其中，n为谐波阶次，即谐波频率除以基频。

图2 由负载看系统的等效电路图

而Xs(n)与Xc(n)的阻抗频率响应，如图3所示。Xc(n)于基波频率时阻抗较大，但随频率的增加，其阻抗将变小；由于Xs(n)为电感性，其等效阻抗则是随频率的增加而变大的。

由负载看入系统的驱动点阻

图3 的阻抗频率响应

抗，可表示为 ：

由非线性负载端看入系统的驱动点阻抗ZIN(n)与频率的响应，如图4所示。当系统阻抗值Xs(n)与容抗值Xc

(n)相等，即Xs(n)＋Xc

(n)= 0时，，此时即为系统的并联谐振点，此时的频率即为其谐振频率。若将此频率除以基波的频率，即为其并联谐振点。

图4 驱动点阻抗ZIN(n)的阻抗频率响应图

若某次谐波电流频率刚好落于此并联谐振点，则该次谐波流所产生的谐波电压可表示为：

3 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。在数据机房的负载电能中，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、空调设备的压缩机等旋转电机。

图5 数据机房负载电能分布图

由于照明设备及电动机负载在运行时所产生的谐波量很小，且此类负载所占的容量亦较小，故其谐波对于系统的影响亦不明显。

在数据机房所有设备中，主要以UPS为主要谐波产生源，再加上安装的IT设备容量大，故UPS设备容量需求亦相当大，其运转时的谐波产生量亦提高。而目前常使用6级脉冲之UPS设备，其所产生的谐波电流，如图6所示。其中，主要以第5次与第7次谐波含量最高，而本文将以此谐波产生量作为分析的对象。

图6 UPS设备的谐波电流产生量

4 谐波治理方案

典型数据机房负载，一般皆为非线性负载，如UPS、交换式电源设备等。数据机房大量采用此类设备，所产生的谐波若不经由改善补偿，直接注入电力系统会导致谐波含量超出谐波管制标准，而影响公用电网上其他用户的用电质量。因此，为了不使上述情形发生，须针对非线性负载所产生的谐波进行改善。目前常见的改善方式为采用无源滤波器，即在可补偿无效功率的同时，亦可吸收系统上的谐波电流。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的补偿设备，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的谐振点，亦不会产生新的谐振点，但其成本相对比无源滤波器高。

4.1 无功补偿电容器

采用无功补偿电容器主要为补偿系统上的无效功率，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的无效功率，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。当系统上的谐波含量相当少时，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，较适于无谐波污染系统。

(2) 调谐电抗电容器：为了避开此谐振点，串联一组电感器，而形成一组调谐电抗电容器(blocking filter)，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的场合。此外，由于其主要目的并非滤除谐波电流，故其串联电抗器的容量与体积皆比单调谐滤波器小。

4.2 谐波滤波器

(1) 无源滤波器

无源谐波滤波器(passive harmonic filter)由多组单调谐滤波器(single-tuned filter)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的，并藉由串联电感值大小的不同，设定该组滤波器的调谐点。

图7 无源滤波器与系统连接单线图

当滤波器产生串联共振时，将提供谐波电流一低阻抗路径。即当电容器阻抗等于电感器阻抗时，可表示为：

L：电感值(mH)，C：电容值(μF)。n：谐振点，ω：角频率(rad)，而谐振点可由上式推得：

若已知电容器大小与调谐点，则电感器大小可由 (5)式计算出。

如图5所示，其分别可滤5次与7次谐波，而此两个回路滤波器的补偿电容器总和即为总虚功率补偿量。一般而言，滤波器的调谐点并不会直接将调谐点设置于5或7，由于当设备运转一段时间后，可能会有电容器组老化或部份组件故障后使有效电容值降低，则可能导致滤波器调谐点往后产生偏移，即调谐点变大。当调谐点偏移后大于某阶次谐波，有放大谐波之虑，则此滤波器不但没有将该次谐波滤除，还会将该次谐波电流放大。

(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。由于电力电子技术进步快速及制造成本降低，其应用越来越多，而有源滤波器即是将电力电子应用于谐波改善的设备。有源滤波器的改善原理是藉由侦测设备取得负载电流的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的谐波电流，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的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的容量，只须要再增加设备或提升有源滤波器的容量即可，不必像无源滤波器那样须再经过计算或重新调整所有滤波器。此外，由于无源滤波器长时使用后，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，对于负序电流的滤除与三相不平衡亦有改善效果。而有源滤波器目前的应用可分为并联型、串联型与混合型，本文是采用并联型有源滤波器(shunt active filter)作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。

图8 有源滤波器与系统连接单线图

并联型有源滤波器为目前常见的类型，其补偿原理是撷取负载电流的讯号，接着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。由于所须的讯号处理较少，故其计算的延迟时间较短。本文有源滤波器的控制架构如图9所示。

图9 有源滤波器控制模型

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。此四种补偿方案的参数设定如表1所示。

表1 各项补偿方案的参数设定

5 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10kV侧的谐波含量。最后通过各项补偿方案分析其补偿的结果，并各别探讨各补偿方案的补偿特性与补偿效益。

5.1 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。此范例系统10kV侧的短路容量为100MVA，变压器容量为2MVA，百分阻抗为6.39%，采用△-Y结线。

图10 数据机房范例系统架构单线图

本文所设定的负载相关详细参数设定，如表2所示。使用6级脉冲的UPS，其单台额定容量为800kVA，需量因子为0.5。机房负载的整流设备功率因数为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，本文假设运行功率因数皆为0.8。

表2 数据机房范例系统参数设定

5.2 分析结果

数据机房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。Bus1的分析结果，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/T 14549-1993所制订的暂行标准作为参考，如表4所示。本文中以谐波下降率作为谐波改善效益的评估，谐波下降率的定义如式(6)所示。

谐波下降率（%）＝

THD改善前：改善前的总谐波电压(电流)畸变率，THD改善后：改善后的总谐波电压(电流)畸变率。

Bus1各阶次谐波电压/电流含有率分析结果如表5所示。使用电容器作为无功补偿,会因为并联共振问题而造成第5次与第7次谐波放大现象。虽然可改善功率因数，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的电压上升，可能导致设备过压而烧毁。

采用调谐电抗电容器作为补偿方案，可补偿系统的无效功率。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的第5次谐波含量仅略变小，对于谐波改善的效益并不高。

采用谐波滤波器作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补偿，其谐波滤除效果相当明显。与有源滤波器比较，无源滤波器的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的谐波下降率分别为61%及66%(THDV)。但采用有源滤波器的成本比无源滤波器高，且设备运转维修成本亦较高。

数据机房采用无源滤波器的优缺点：

(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的被动组件，无源滤波器的稳定性高于有源滤波器。

(4) 相较于有源滤波器，若采用相等的滤波器容量，无源滤波器所需的装设空间较大。

数据机房采用有源滤波器的优缺点：

(1) 使用有源滤波器的滤波效果佳，且同时具有补偿系统的负序电源以及三相电压不平衡等功能。

(2) 数据机房装设滤波器的空间有限，采用有源滤波器所需的装设空间较小。

(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，易受到工作环境的噪声、温度等因素干扰，其运转稳定性较差。

(4) 采用有源滤波器所需的设备成本以及维修成本较高。

6 结论

典型数据机房负载产生的谐波电流，最大谐波电流为第5阶次，其次为第7阶次。采用无源滤波器与有源滤波器皆可有效滤除谐波电流，系统上的总谐波电流含量可明显获得改善。采用无源滤波器的滤除效果与有源滤波器差异不大、且皆能满足谐波管制值，但有源滤波器的设备成本及维修成本皆高于无源滤波器。无源滤波器由电感器与电容器所组成，在设备运转的稳定性方面高于有源滤波器。但采用无源滤波器所须的装设空间较大，数据机房的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。机房的谐波治理方案中，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，故于数据机房谐波的治理方案可依环境需求采用无源滤波器或有源滤波器。

表3 Bus1仿真分析结果

表4 GB/T 14549-1993 10kV总线各阶次谐波电流允许值[2]

表5 Bus1各阶次谐波电压/电流含有率

图11 Bus1仿真结果比较图

[1] Ba 口 jan, L.,“Total current harmonic distortion analyses of industrial UPS's with SCR input converter working in redundant mode,” Electrical Machines (ICEM)[R].XIX International Conference, pp. 1-4, 2010.

[2] 国家技术监督局.GB/T 14549-1993电能质量-公用电网谐波[S]. 北京: 中国标准出版社,1993.

[3]Jing Yong,Liang Chen, Shuangyan Chen. Modeling of Home Appliances for Power Distribution System Harmonic Analysis[M].IEEE Trans. Power

Delivery, vol. 25, pp. 3147-3155, 2010.

[4] Hadi Saadat. Power System Analysis[M].McGraw-Hill, 2004.