RD Fab電力品質管理與精進策略

前言

電力品質好壞判斷的條件有很多，常見有功率因數及諧波失真，功率因數為電器是否有效使用電力的重要因素，功率因數可反映所使用電器的電力效能。諧波失真為系統電壓電流波形畸變，即波形中含有非基本波成份，在諧波失真過大時會呈現非弦波，影響電力設備運轉，電力公司與國際組織對功率因數與諧波量皆有相關規範。

現代科技廠房中負載多為非線性負載，而非線性負載為產生諧波主因，諧波成分會使系統電壓電流波形產生畸變，影響電力品質，如變壓器產生多餘廢熱、電容器過熱等。在電力系統中，電感性或電容性負載影響著功率因數，假使功率因數偏低，則會增加變壓器及輸電線路的損失，也會影響變壓器及線路容量的利用率。

廠區中多起電力設備異常也與電力品質也有關，其中以變壓器異常影響範圍最廣，當有變壓器線圈絕緣裕度設計不足時，電力品質不良與共振現象發生會放大諧波，傷害變壓器絕緣強度^[1]，日積月累下則引起匝間短路異常，類似案件在廠區間已有多起案例。

因此，如能有效管理電力品質，即可降低電力系統中諧波與避免共振現象，減少諧波對變壓器造成的傷害。本文希望透過建立電力品質管理機制，每日檢視各變電站主迴路電力品質變化，降低電力品質對電力設備影響，並且以監控系統，配合管制方法，有效監管電力品質，提高供電系統安全性。

文獻回顧

2.1 電力品質

2.1.1 諧波失真與非線性負載

諧波可表示成函數形式，根據傅立葉分析，任何信號都可以表示為具有不同頻率和相位的正弦波之和，即諧波頻率非系統基本頻率的信號，台灣電力系統基本頻率為60Hz。分析負載消耗的電壓和電流信號，可以將負載分類為線性與非線性，線性負載從正弦電壓中汲取正弦電流而不含有諧波成分，而非線性負載的電阻不是恆定的，而是在每個正弦波期間都會變化，即負載電壓與電流有非線性現象，如鐵芯飽和特性、閘流體開關切換特性之負載屬於非線性負載，這種非線性導致電壓波形失真，並反饋系統非基頻的振幅和頻率信號，即產生諧波，對電力品質構成問題，導致系統整體性能下降，包括發電，輸電和能源利用效率的下降、使電氣設備絕緣層老化，縮短其使用壽命、變壓器過熱、旋轉機械中的損耗增加以及過電壓等問題。

總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)是一個重要的電力品質因數，用於量化電壓或電流波形中的諧波佔比。將波形的諧波含量與其基本波進行比較，如下式(1)，其中I_n是諧波均方根值或振幅值^[2]，圖1為含有3次諧波與5次諧波之波形 :

..........(1)

圖1、含有3次與5次諧波波形

2.1.2 高諧波機台

科技廠房中的機台，內部亦使用大量閘流體，造成電力系統之諧波大量增加現象，FAC操作準則中有規範機台電力品質(300mm TOOL INTERFACE OF HOOK-UP SPECIFICATION PURCHASING O.I)，當機台在全載運轉時電流總諧波失真(THDI)需小於20%，非全載時THDI需小於30%、電壓總諧波失真(THDV)小於5%，藉以要求機台供應商(製造商)，符合公司電力品質規範^[3]。以12B廠而言，現有機台中，機台諧波量超過規範訂定為高諧波機台，佔機台總數8~10%，多為應用材料(AMAT)機台，相關高機台諧波佔比失真數值如 表1 表2。

2.1.3 諧波對變壓器的影響^[4]

諧波對變壓器的影響主要有以下幾點：

• 工作點移向非線性B-H曲線的端點使得變壓器鐵心飽和
• 鐵芯(磁滯和渦流)功率損耗增加
• 基本波和諧波合成使銅損增加
• 繞組、線夾、引線、絕緣的溫度升高，可能會導致過熱
• 套管、分接頭和電纜端部連接也將承受較高的應力，可能會導致變壓器故障
• 變壓器的效率降低和功率因數降低
• 變壓器降額定
• 減少變壓器的使用壽命等

IEEE Std C57.11-2018規範內指出變壓器當有諧波情形下，渦流損失、雜散損失與諧波關係如式(2)、式(3)。^[5]

..........(2)

..........(3)

其中P_EC為渦流損失、P_EC-O為基頻下的渦流損失、P_OSL為雜散損失、P_OSL-R為基頻下的雜散損失、h為諧波階數、h_max為最高有效諧波數、I_h是諧波h時的均方根電流(A)、I為均方根負載電流(A)、0.8為諧波指數係數。當系統有諧波成分時，變壓器渦流與雜散損失將會上升。

2.1.4 功率因數與共振

功率因數(Power Factor, PF)為交流電力系統中的物理量，其定義為一負載所消耗的實功率與其視在功率的比值，是0~1之間的無因次量^[6]，功率因數可依電流相對電壓相位角的正負號標註為領先或落後，領先表示系統呈現電容性，落後表示系統呈現電感性，純電感性負載及純電容性負載在相位上相差180度，故會相互抵銷，若系統無電感性負載與電容性負載，或是兩負載量相等時，系統呈現電阻性，無虛功率，功率因數為1。理論上，若負載具有較高的功因(接近1.0)，則可降低系統於傳輸電力時的損失，並增加負載端的電壓穩定度。例如一負載的功率因數為0.7，其視在功率為實功率的1.4倍，其輸入電流也會是1.4倍，因輸電損失和電流平方成正比，輸電損失大約會是2倍，如此系統中的元件，如發電機、導線、變壓器等都需要因為額外的功率及電流進而加大額定容量，成本也隨之提高。

共振現象為當負載變動使得電力系統上電感性負載量與電容性負載量相等，此時功率因數為1，系統等效阻抗最小、電流最大，若系統上有諧波負載，諧波電流相對也放大，變壓器為電感性負載，當系統處於電容性時有機會與變壓器形成共振，此時諧波對系統影響將會加劇。以 圖2代表並聯共振電路形式，系統中有諧波負載、電容性負載與變壓器，當電容性負載變化使的系統呈現電阻性時，即發生共振。

圖2、並聯共振電路示意圖

2.1.5 電力品質規範

IEEE 519-2014為電力系統諧波控制作法與要求建議，其中建議的限制值旨在系統所有者或操作員與用戶之間的共同耦合(PCC)點，各電壓等級建議限制的值如 表3。^[7]

另IEEE Std C57.12.00-2018為浸液式配電、電力和調節變壓器通用要求標準，其中規範內建議變壓器諧波電流上限值為額定電流的5%。^[8]

2.2 電力品質改善方式

2.2.1 串聯電抗器

串聯電抗器為一般工業界常用的諧波濾波器，大多為BP Type型濾波器，即電容器阻串接調諧電抗器(Blocking Reactor)所組成，將系統等效並加入串聯電抗器迴路如 圖3所示，含有變壓器、諧波源(負載)、串聯電抗器。^[9]

圖3、串聯電抗器與等效系統電路

圖3中X_S為系統基波阻抗；X_C為電容器組基波容抗；X_L為串聯電抗器基波電抗；n為諧波次(階)數；I_n為諧波源產生的n次諧波電流；I_sn為注入系統的n次諧波電流；I_cn為串聯電抗器迴路的n次諧波電流；U_n為系統n次諧波電壓，計算流入系統與串聯電抗器n次諧波電流如式(4)、式(5)。

..........(4)

..........(5)

將串聯電抗率，帶入

..........(6)

..........(7)

整理諧波電流放大倍數公式為

..........(8)

若，此時I_sn<I_n，I_cn<I_n，電容器迴路對n次諧波進行分流，注入系統的n次諧波電流得以抑制，達到串聯電抗器降低諧波目的，K值通常為之1.1~1.5倍^[10]。

2.2.2 主動式濾波器

主動式濾波器動作原理為藉由偵測元件檢出非線性負載之諧波大小與相角，再由內部產生大小相同、相角相反之諧波波形，以抵銷非線性負載產生之諧波，使系統總電流波形趨於線性，如 圖4所示。現代主動式濾波器應具有多種功能 : 諧波濾波，隔離和端接，功率因數校正和電壓調節的虛功率控制，負載平衡，降低電壓閃爍等。廠區中不斷電系統(Uninterruptible Power System, UPS)具備主動濾波、功率因數調整功能^[11]。

圖4、主動式濾波器原理

研究方法

本文針對廠區中所有變電站進行電力品質管理，應用各迴路模鑄式變壓器下游Main ACB電錶進行電力品質監控，對電力品質中THDV、THDI、Q等3項因子，建立On-line Alarm與Auto Trend檢視電力品質，並參考相關電力品質規範定管制值，如 表4所示。

當迴路電力品質3項因子中有2項超出限制值時，即為高風險迴路，並對該迴路執行電力品質改善，首先記錄下游各迴路電力品質狀況，將UPS迴路與電容器投入狀態列入，訂定改改善方式。

降低諧波可藉由切換UPS運轉模式至Online Mode、裝設HRS(Harmonic Reduction System)方式與投入電容器達成，廠區多數UPS運轉於節能模式(ESS Mode)，這會使得下游負載由UPS內部旁路供電，負載特性會直接反饋回電力系統，若有高諧波機台時，諧波會直接影響上游電力系統，若由投入電容器改善諧波，則要考量投入的電容性負載量會不會造成系統呈現電容性。功率因數超前改善亦可切換UPS Mode來達成，或是啟斷電容器，降低電容性負載量。執行改善後，由Trend Chart檢視改善成果，監管流程如 圖5所示。

圖5、電力品質監管流程圖

UPS運轉在Online Mode，負載經整流器與逆變器整流後，訊號波形被修正與補償，即主動濾波效果；HRS模式下，當諧波超出設定範圍時，UPS內部會輸出一個與諧波大小一樣，但反向180度的諧波電流，用以抵銷達改善諧波效用。二者能夠有效降低抑制下游負載造成的諧波，避免直接反映到電力系統，如 表2所示，在Online下，負載TDDi若大於10%、PF介於0.8落後–0.9領先，其輸入端TDDi將可以改善至小於5%，PF至大於0.99，如 表5所示，藉由切換UPS模式或設置HRS，可達成電力品質改善^[12]。

結果與分析

本次電力品質管理針對廠內22.8kV/480V模鑄式變壓器下游迴路，共計38迴建立THDV、THDI、Q Trend Chart，檢視3項電力品質因子，便於執行與改善電力品質，如 圖6所示，最上方為Q，可檢視功率因數是否落後，之後是THDI與THDV，可判斷諧波量是否超過限制值，並加入THDV、THDI、Q的Max/Min值作為輔助判斷，以彌補Trend Chart系統取樣時間之間的縫隙，完整的檢視電力品質狀況。

圖6、電力品質Trend Chart

分析廠區中共有9迴路運轉於THDV>5%、THDI>20%、功因超前等電力品質不良狀況，進行電力品質改善，迴路如 表6所示，因廠區中電容器已全數啟斷，現階段以切換UPS運轉模式為主要方式，分析各迴路電力品質後，進行電力品質改善，並持續進行電力品質監管。

電力品質改善結果如下：9迴路中THDV改善量為0.03~1.5，平均改善幅度為19%、THDI改善量為-1.0~7.43，平均改善幅度為10%，如 表7所示，部分迴路未有改善，原因為其他饋線負載變動導致，但全數THDI<20%，皆在管制值內、Q值有2迴路為電容性(負值)，改善後各迴路無2項電力品值因子超過管制值，符合改善目標。

結論

本文透過訂定電力品質限制值，來改善電力品質不良迴路，在本廠各迴路電力品質改善後，暫無模鑄式變壓器異常事故發生，建立電力品質異常時改善策略，當迴路有電力品質異常時，可按此模式分析迴路與饋線，並透過新設電力品質Trend Chart，可於每日檢視電力品質狀況，經改善過後廠區各迴路電力品質皆符合限制，降低運轉風險，未來可在tool端解決電力品質問題，從源頭做起，即可使UPS運轉於節能模式，減少用電。