行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
配電系統諧波電壓改善策略之研究（3/3）
計畫類別：
□個別型計畫
▉整合型計畫
計畫編號：NSC-92-2213-E-011-052
執行期間：九十二 年 八 月 一 日至 九十三 年 七 月 三十一 日
計畫主持人：
張宏展 國立台灣科技大學電機工程系計畫參與人員：李俊耀、唐桓、楊志仁、呂富潔、周創煥
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：
□精簡報告 ▉完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□
赴國外出差或研習心得報告一份
□
赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□
出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□
國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□
涉及專利或其他智慧財產權，
□一年
□二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學電機工程系
中 華 民 國 九十三 年 七 月 三十一 日
ii
中文摘要
本年度計畫旨在透過實際之量測，提出諧波量測分析報告，並 運用蟻行演算法之最佳化搜尋特性，提出以被動式濾波器作為諧波 改善之建議方案。首先，在實測部分，本年度計畫分別針對電信公 司長途及無線電信機房，以及捷運公司高運量牽引動力變電站機房 等兩個不同性質之諧波場所進行量測，以獲得各場所之諧波累積機 率以及三相不平衡率，並供作諧波改善之背景資料；其次，在諧波 改善建議方面，本計畫運用蟻行演算法在組合最佳化之優越性，配 合成本函數及限制條件之數學模型，提出被動式濾波器之規劃建議 方案；最後，研究結果顯示，在實測部分所獲得之背景資料下，本 法則可規劃出適當的濾波器安裝方案，以期提供相關場所於往後設 計濾波器時之參考。
關鍵詞：諧波量測、蟻行演算法、被動式濾波器
iii
Abstract
This yearly project aims to measure the harmonic factors by actual field measurement and to apply the Ant Colony Optimization (ACO) method to propose the availability planning within passive harmonic filters. Firstly, the harmonic characteristics for two different plants, the Traction Substation (TSS) plant of Taipei and wireless/long distance communication plant, were measured, respectively. Then, the cumulative probability and the three-phase unbalanced ratio of the system can be obtained from field measurements. Secondly, the passive filter planning including the cost function and the binding constraints is formulated as a combinatorial optimization problem. In addition, the ACO algorithm is developed for searching the optimal solution of the filter planning. Finally, the result of filter planning obtained from the case study of the measurement plant shows the feasibility of the proposed ACO algorithm.
keywords：actual field measurement, ant colony optimalize, passive harmonic filters
iv
目錄
中文摘要...ii
Abstract ...iii
目錄...iv
一、前言... 1
二、研究目的與文獻探討... 2
三、研究方法... 8
3.1 前期計畫之回顧... 8
3.1.1 考量諧波因素之配電變壓器與饋線的最佳連結 ... 8
3.1.2 運用蟻行演算法於濾波器之規劃 ... 10
3.2 諧波量測方法與討論... 15
3.2.1 量測設備簡介與量測方式 ... 15
3.2.2 量測對象簡介 ... 17
3.2.3 量測結果與分析 ... 24
3.2.4 量測案例結論 ... 37
3.2.5 諧波改善之建議與討論 ... 38
四、結果與討論... 42
4.1 結論... 42
4.2 未來研究方向... 44
五、計畫成果自評... 44
六、參考文獻... 45
1
一、前言
近年來配電系統的發展有很大的變化，其中大量電力電子設備的 引進是趨勢之一，為因應自動化而配合安裝的一些弱電系統(如:電 腦、監控、通訊等系統)也如雨後春筍般地增加。另一方面，亦因電力 系統的規模愈來愈大，無論電壓等級或是容量的擴增都使得事故破壞 力增強許多，在這種背景下要提昇電力品質，進而確保電力設備的穩 定運轉能力，無疑的，電力品質中的諧波污染指數是關鍵因素之一。
長久以來，電力品質中的諧波因素與電力系統的運轉及保護有密 切的關係。儘管防制諧波污染的重要性已眾所公認，相關的法規及接 地標準業已建立，如美國 ANSI/IEEE Std.519[1]、NEC、日本電氣設 備技術準則及我國電力系統諧波管制暫行標準[15]等，但即使如此，
因諧波所造成的事故仍時有所聞，而欲根本解決諧波問題，應對配電 系統之諧波背景深入探討，並分析既有之設計方式與設備所造成之諧 波影響；而本期計畫為能夠獲取最新諧波污染情況，進而提出諧波量 測分析報告，研究的目的之一是要在理論上，利用最佳化理論，建立 一套被動式諧波濾波器分析模型，以補充傳統的在設計濾波器上分析 模式之不足；目的之二是要在實務上，確實透過實際之量測，針對電 信公司長途及無線電信機房，以及捷運公司高運量牽引動力變電站機 房等兩個不同性質之諧波場所，釐清當時於諧波防制設計上是否不 足，並提出改善的方法及可行措施，此對於提高電力品質上有莫大的 助益，亦對設備的安全及保護有所貢獻。
2
二、研究目的與文獻探討
本第三年度計畫旨在延續前年度計畫之諧波改善方式，首先透過 實際之量測，對於電信公司長途及無線電信機房，以及捷運公司高運 量牽引動力變電站機房等兩個不同性質之諧波場所，提出諧波量測分 析報告，以取得各場所之諧波失真率累積機率分佈，同時明確獲得諧 波電流之變化情況，藉以瞭解用戶端對於供電系統所造成的諧波污 染，或者供電系統對於用戶端所造成之諧波影響，以作為往後設計之 背景值。其次，在諧波改善建議方面，利用現場實測所獲得的資料，
針對諧波污染源自於用戶端設備之一般場所（電信機房）為改善標的 物，延續第二年度計畫所運用之蟻行演算法，利用其在最佳化方面的 優越性，以多型式及多組數的被動式濾波器為基礎，規劃出適當的濾 波器安裝方案，以期提供相關場所於往後設計濾波器時之參考。
另外，在用戶端諧波源的分析上，因近年來電信公司長途及無線 電信機房，以及捷運公司動力變電站機房已被廣泛設置，而這些大量 採用電力電子設備的場所，其設備容量及閘流體元件越趨龐大，所導 致之諧波污染日益嚴重，而目前諧波之背景值究竟與當初設計規劃時 是否相似，或者設備本身於設計規劃之初，所考量之濾波器設計方式，
是否在實際商轉後，能夠發揮其濾波效能，確實值得再度關切。而對 於「電信公司長途及無線電信機房」以及「捷運公司高運量牽引動力 變電站機房」等高壓之諧波場所，簡單介紹如下：
3
22kV AC 161kV AC
750V DC 380/220V AC 牽引動力變電站
TSS
車站變電站 SSS
緊 急 發電機
車站設備 導電軌
電聯車 機廠變電站
DEPOT
維修工廠 停車軌
台電(TPC)變電所
主變電站 BSS 電力遙控系統
PRC
圖1.1 高運量捷運供電系統架構
目前國內已營運暨目前規劃及施工中的捷運系統，其列車牽引電 力皆採直流750V 的供電方式。由於捷運之電力係由台電之 161kV 系 統供應，為提供列車所需之 750V 直流電源，捷運供電系統乃設置主 變電站(Bulk Substation, BSS)將 161kV 電源降壓為 22kV，而後經牽引 動力變電站(Traction Substation, TSS)再次降壓為 576V 並整流為 750V 直流電。目前，除木柵線系統使用 12-脈波二極體整流器外，國內捷 運系統各高運量路線之 TSS 大多使用 24-脈波二極體整流器，其高運 量捷運供電系統架構如圖1.1 所示[12]。
由於整流器本身自然換向的特性，當交流電力經整流器轉換為直 流電時，在整流器的交流輸入側與直流輸出側都將產生諧波。牽引整
4
流器所產生的諧波電流經22kV 電纜流至 TSS，再經 TSS 之變壓器，
一部份流入車站用電系統，另一部份則流回台電系統。捷運系統由於 大量使用高功率的牽引整流器，因此諧波問題為供電系統規劃設計階 段 矚 目 的 焦 點 。 根 據 中 和 線 供 電 系 統 特 別 技 術 規 範(Particular TechnicalSpecification, PTS)[13]的規定，承商於設計階段必須進行諧波 分析或模擬[14]，並於營運前進行諧波含量的測試，以符合台電諧波 管制暫行標準[15]、IEEE Std 519[1]與捷運局 PTS 的要求。由於營運 前列車調度不易，因此供電系統PTS 規定諧波含量測試時，僅以一組 六車次進行繞跑，再依單一組六車次時的諧波量測值推算系統於設計 班距情況下的諧波含量。鑑於單一組六車次之負載甚輕，其產生之諧 波不易與系統諧波背景值做區別，且列車負載具移動與時變特性，並 無自單一組六車次諧波含量推算至設計班距情況下諧波含量的理論依 據，故於新蘆線供電系統 PTS[16]中，已將諧波量測分析修正為，廠 商應於系統正式營運後，且保固期到達前，量測系統之諧波含量，以 驗證諧波分析之模擬結果[12]。
雖然目前捷運供電系統PTS 有關諧波量測的規定，已經過適當修 正，惟於量測技術方面(例如量測間距大小、持續時間長短、量測數據 統計方法等)仍無相關規定。為獲得目前系統商轉時之諧波含量，並檢 討系統主開關點之諧波值是否符合諧波管制值、判斷捷運與台電之責 任分界點處的主要級次諧波功率流向，同時避免因濾波器元件的規格
（額定電壓、額定容量等）設計不當，所造成濾波器因系統共振或失 調(out of tune)之損壞，甚至引起捷運列車停電，造成重大損失，重回 捷運機房現場，將量測所得數據分析、檢討誠屬必須。
另外，國內行動通訊市場成長迅速，其長途及無線電信機房所大 量採用之交換機，其電力電子設備所造成之高諧波含量，已對於附近
5
之用戶用電品質造成嚴重影響。圖 1.2 為台北縣某一長途及無線電信 機房系統架構圖，機房用電經由台電11.4kV 餽電線路供電，供電至下 游如「非線性負載電信機房整流設備」或「線性系統空調」等設備，
其中「非線性負載電信機房整流設備」則包含如交換機及充電機等閘 流體設備，其諧波含量之大，經於九十三年一月三十日與現場技術人 員訪談得知，非但已產生擾人之供電噪音，同時亦曾對於消防警報系 統造成誤動作。
台電(TPC)變電所
電信機房受配電 設備
主要之線性負載 電信機房空調系統
緊急發電 設備
主要之非線性負載 電信機房整流設備 其他負載
電信機房雜項用電
提供通信服務之交 換機與傳輸設備 通信電源直流
鉛酸蓄電池系統
台電饋電線路 11.4kV
機房配電系統 220V或380V
機房直流系統 48V DC
至用戶端電信設備 或機房間中繼線路
提供機房內交換機 與傳輸設備 恆溫恆濕環境 虛線內為機房內設備
圖1.2 電信機房電力系統架構方塊圖
6 一次整
流器
交換
晶體 變壓器 二次整 濾波器
流器 交流
輸入
DC-48V 直流 輸出 AC 3ψ
220/380V 60HZ
脈寬調變 P.W.M
圖1.3 交換式充電機基本方塊圖
電信機房中大量使用之交換式充電機，其主要功能是將交流電力 轉變成穩定的直流電源供給負載使用；在此採高頻操作技術下，將縮 小變壓器與電感器規模，降低重量與體積；其基本電路含一次整流電 路、直流變交流電路、變壓電路、二次整流電路、回授控制電路及濾 波電路等，基本方塊圖如圖1.3 所示[17]。其一次整流電路電路為使變 壓器工作於高頻範圍，而將市電的60HZ 轉換成 20kHZ 以上，再透過 電晶體切割直流成高頻交流後，再讓變壓器將交流高電壓轉變成較低 的電壓以符合二次整流電路的需要，之後，以整流電路再轉換成直流 電，經濾波後供給負載使用。而以上這些電力電子元件，雖然個別之 元件並不龐大，但在大量使用下，所造成的諧波污染確實不可藐視。
在諧波濾波器設計上，有關抑制諧波議題的研究在文獻上的著作 頗多如[2]-[11]，而抑制諧波的方法一般是在產生諧波源之匯流排上加 裝濾波器，濾波器元件的設計，除了考慮濾波效果之外，也要顧及虛 功補償，而過去探討諧波濾波器相關文獻頗多，其中部份是探討主動 式 濾 波 器[2]-[5] ， 另 一 部 份 則 是 研 究 被 動 式 濾 波 器 之 相 關 主 題 [6]-[11]，上述文獻中有關被動式濾波器之設計方法大多以探討單組低
7
壓共振型濾波器的設計為主，其研究重點在於使用共振型濾波器進行 濾波改善，同時文獻中對於高壓系統之諧波濾波器設計方式亦較少著 墨，其原因可能涉及高壓側電源阻抗很小且變化複雜的特性，若被動 式濾波器不能主動調整，或濾波器型式選用不當，往往不能滿足系統 的變化，容易失調(out of tune)甚至與系統共振，反而放大諧波等現象，
進而容易使濾波器損壞，而影響電力系統品質。
8
三、研究方法
3.1 前期計畫之回顧
3.1.1 考量諧波因素之配電變壓器與饋線的最佳連結
本期計畫第一年度提出一個以基因演算法為基礎之求解方式，能 有效的決定最佳之饋線與各變壓器連結型式；利用此研究所提方法，
能夠使含有諧波污染之不平衡的配電系統之電力品質得到最大之改 善。也就是說，配電系統之線路損失，零序及負序電壓之不平衡因數，
LCO 電驛之電流，各級諧波及總諧波電壓失真等，皆能以最經濟之方 式獲得有效的改善，以不需裝設額外之改善設備，成為配電系統不平 衡問題之最經濟有效的解決方法。
在此研究中，我們採用配電變壓器及其負載之整合模型[22]，以 改善三相電力潮流程式之收斂特性。在整合模型中，各變壓器及其負 載能被整合並以對應之三相等效負載，如圖 3.1 表示。其中之各相的 等效負載Sa、Sb及Sc，則為變壓器之連接型式及及負載的函數。三相 之饋線及其變壓器之六種可能連接型式，如圖 3.2 表示。在此，必須 說明，由[22]所推導之各相的等效負載Sa、Sb及Sc，雖然在連接屬於 型式1，4 或 5 時，可以直接拿來應用，但是，在其他之連接型式時，
則必須以修改之各相的等效負載S′a、S′b及S′c以代替Sa、Sb及Sc。有關 各種實際應用之配電變壓器接線方式，其等效負載Si'及Si之關係，經 由本研究之推導結果，其通式如下所示：
30o 30o 600 60o '
i i ( , )
S =S → − → − , i=a, b, c (3-1)
9 各種接線方
式之變壓器
負載
Sa Sb Sc Sc' Sb'
Sa' 或 饋線或分枝線段
a b c
a b c 饋線或分枝線段
u v w u v w
圖3.1 配電變壓器及其負載之整合模型
連接型式 1
a bc
a b c
a b c
a b c
a b c
a b c 連接型式 2
連接型式 3 連接型式 4
連接型式 5 連接型式 6 Sa Sb Sc
Sa Sb Sc
Sa Sb Sc
Sc' Sb'
Sa'
Sc' Sb' Sa'
Sc' Sb'
Sa'
u u
u u
u u
v v
v v
v v
w w
w w
w w
圖3.2 饋線與變壓器之六種可能連接型式
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3.1.2 運用蟻行演算法於濾波器之規劃
本期計畫第二年度提出一種將被動式濾波器之規劃方式，將各重 要參數，轉換成數位化節點方式，再配合蟻行演算法對於節點隨機搜 尋極具處理能力之優勢，以多型多組(muti-type & muti-set)被動式濾波 器為基礎，並考慮被動式諧波濾波器各限制條件，以成本函數建立濾 波器規劃方案的最佳模式，以提供諧波改善時之濾波器元件參考規格。
(1) 目標函數之建立
本章以濾波器成本做為目標函數(成本函數)，其成本函數如下[41]
(R L C ) E E E
Ei i, i, i =[ (Ri) + (Li) + (Ci)] (3-2)
(2)限制條件之建立
濾波器的設計限制條件必須考慮到功因改善及濾波效果需求規格 等，各項條件說明如下：
(a) 功因改善限制式
系統功因必須改善到一定數值以上，但亦應避免造成過補償，故 功因有最大值及最小值之限制，因此所需之虛功補償量亦有最大值與 最小值之限制，即所有濾波器虛功補償量之總和必須限制如下：
Q Q
Q
i
i ≤
≤∑
= 4
1 (3-3)
(b) 濾波效果需求限制式
濾波效果依所要求的條件不同，通常以滿足改善諧波障礙及合乎 電力公司管制標準為條件，前者視障礙情況而定，後者需使注入電力 系統的各次諧波電流及綜合諧波電流在管制標準內，即
11 h
h
I I ≤α
1 h =2,3,4,...,50 (3-4)
h
20 2
i 1 h 2
1 I THD
I ∑= ≤
(3-5) 式中：
Ih ： 第 h 次諧波電流大小 (Arms)
α ： 電力公司對第h 次諧波電流之失真因數管制標準[15] h
THDi ： 電力公司綜合諧波電流之管制標準[15]
(3) 應用蟻行演算法之求解程序
本研究所建立的濾波器最佳化設計模式其求解法則就是濾波器的 設計法則，即找出濾波器中的所有電容、電感及電阻等元件之詳細規 格，以滿足所有限制條件，並使得總成本降到最低。濾波器的主要部 份是電容器組，一旦電容器組決定後，電阻器及電感器可由規劃值作 上下範圍的調整來決定，而成本的變化亦主要決定於電容器組，故設 計法則基本上是針對搜尋電容器組各單元的規格而發展的。而各項規 格額定值是不可微分的變數，故一些以梯度(Gradient) 變化的搜尋 法，例如線性與非線性規畫法，陡降法(Step Descent Method) 並不能 適 用 於 本 問 題 。 因 此 ， 本 研 究 應 用 蟻 行 演 算 法 ACO(Ant Colony Optimization)來發展設計法則，此法的缺點是求解過程相當緩慢，為 克服本問題，本研究將針對設計問題的條件做求解步驟的適當調整，
針對四種類型濾波器，最多僅各選擇兩組進行設計，如圖 3.3 所示，
若因諧波環境複雜，而共八組濾波器（四種類型濾波器，各兩組）仍 無法使諧波符合管制標準，則跳出程式，如此將可使解空間大為縮小。
圖 3.4 為運用蟻行演算法求解濾波器之方塊流程，主要步驟討論 如下[43][44]，而配合蟻行演算法之濾波器搜尋流程，如圖 3.5 所示。
12
步驟一：初始狀態之產生
如圖 3.3 所示，本演算法於求解問題之初，須將被動式濾波器之 各重要參數（如濾波器選擇旗標 F、特性諧波次數h 、時間常數比 m 及0 虛功補償量Q 等）轉換成多群組之蟻行問題，每一群組即代表濾波器 設計中之參數，其參數皆以數位節點組成，目的將原文獻中每一狀態 (state)[42]上之單一節點，於本研究中轉化成多節點形式，例如圖 3.3 中之參數h2將以nb個節點數位化，而其他參數節點亦同樣以數位化呈 現；而此數位化之解析度越高，表示該群組中之同一狀態(state)之節點 數目越多，搜尋時間則越長，相對所獲得之總成本則越佳；而本步驟 亦產生初始節點，用以計算濾波器之規劃方式及總成本解。
步驟二：限制條件之滿足
由步驟一各螞蟻之初始節點，可轉換成濾波器之重要參數，此參 數所構成之濾波器組，須使系統滿足綜合諧波電流管制標準、各級諧 波電流之管制標準及系統功因改善之需求。
步驟三：螞蟻支配條件
根據.狀態轉移法則，各螞蟻將試探各路徑上之費洛蒙量，而所試 探路徑之費洛蒙量，所佔下一步允許被選擇之所有路徑費洛蒙量總和 之比率越大時，螞蟻選擇此路徑移動之機會越大。
步驟四：費洛蒙更新法則
在各螞蟻完成所設定之迴圈數，相當於完成螞蟻演算法中之所有 狀態(state)後，須選擇所有完成路徑中，成本最佳之路徑，再以費洛蒙 更新法則，更新所有路徑上費洛蒙量之比率。最後經多次重複步驟二
13
至步驟四之過程，終將使螞蟻均以此最佳路徑行進，並獲得濾波器之 最佳規劃結果。
1st
2nd
1st
2nd 2nd
1st
2nd
1st single-tuned filter
F1 h1 Q1 F2 m2 h2 Q2 F3 m3 h3 Q3
F4 m4 h4 Q4
third-order damped filter
C-type damped filter
second-order damped filter
0 1 2 … n
Digitize h2 from 1 to nb
圖3.3 濾波器之選取與參數數位化示意圖
初始狀態之 產生 限制條件之
滿足 螞蟻支配
條件 區域性費洛 蒙更新法則 全域性費洛
蒙更新法則 狀態新生
最佳解之 獲得
輸出與結束
圖3.4 蟻行演算法求解方塊圖
14
Input Data Constraint Calculating
Q Q Q
Harmonic Constraint ? XC XC XC
Product the available solution of ONE filter by random, obtain the Q, Xc, i=1
否 ?
i =i +1
Start
i <n
Yes
Yes
No
Harmonic Impedance Calculating Zf (h)
Product the available solution of TWO filters by random, obtain the Q1, Q2, Xc1, Xc2, i=1
i <n
Yes No
Harmonic Impedance Calculating Zf (h) i =i +1
Harmonic Constraint
No
Yes
Harmonic Constraint ?
Product the available solution of N filters by random, obtain the Qn, Xcn, i=1
i <n
Yes
Yes
Harmonic Impedance Calculating Zf (h)
No No
i =i +1
No
Print `Passive harmonic filter is not available`
End
ACO Algorithm
圖 3.5 配合蟻行演算法之濾波器搜尋程式流程圖
15
3.2 諧波量測方法與討論
近年來由於工業的發展，對於電力品質的要求愈來愈高，即使是 短暫的電力中斷，都會造成莫大的損失，而目前許多配電機房於設計 之前，均要求進行電力品質之調查；同時，在大容量且諧波變化快速 之工業用戶，其電力品質週期監測亦成為設計顧問公司對其用戶的必 要服務之一，而利用監測結果可以提供設計顧問公司或電力公司瞭解 其電力品質不良的背景因素，以作為往後改善之依據。
3.2.1 量測設備簡介與量測方式
本試驗主要設備為電力品質分析儀ADX3010、200/5A 電流鉤錶、
40/5A 電流鉤錶以及電壓夾鉗。其中，電力品質分析儀 ADX3010，實 體照片如圖 3.6 所示，主要能夠量測、記錄、顯示及分析諧波相關的 訊號與數據，主要的操作視窗工作平台為Windows。此電力品質分析 儀可將多種瞬間變化的電力原始數據高速而同步地紀錄下來，其諧波 分析系統係採用混合基底快速傅立葉轉換(Mixed-Radix FFX)的運算 法則來分析，以獲得信號中的諧波成分，在電源為60HZ 之情況下，
其可分析之最高次諧波可達第 79 次諧波，而原始動態數據可透過穩 態轉檔的過程分析下列電力項目。
(1) 電力方面：電壓、電流及功率。
(2) 諧波方面：諧波電壓、諧波電流、諧波功率、諧波角度及總諧 波失真。
(3) 閃爍方面：閃爍電壓及閃爍電流。
諧波量測之取樣間距與持續時間(或取樣數量)，對量測結果之代 表性與完整性有絕對的關係。就取樣間距而言，對於負載隨時間變化 不大的工業用戶，相關標準通常建議每30 分鐘或 25 分鐘取一筆平均
16
值為量測值；對於隨時間劇烈變動的負載(如捷運、台鐵、高鐵等鐵路 系統)，則建議將取樣間距縮短為 20 分鐘或 10 分鐘。至於持續時間的 長短，應考慮到系統可能出現的各種負載，在量測設備許可的情況下，
通常以一天為原則。將取樣間距拉長並以每一取樣間距內之平均值為 量測值，固然可以降低暫態諧波的影響，惟對於量測結果的代表性與 完整性也會造成部份負面的影響[12]。而本次量測數據之擷取係以各 場所之諧波失真率累積機率百分之九十五為主要參考點。
圖3.6 電力品質分析儀 ADX3010
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3.2.2 量測對象簡介
因近來電力電子設備及大容量電力設備之使用迅速成長，所造成 電力品質問題日趨嚴重，為能夠獲取最新諧波污染情況，本計畫前往 電信公司長途及無線電信機房，以及捷運公司高運量牽引動力變電站 機房等兩個不同性質之諧波負載場所進行現場量測，以取得各場所之 諧波失真率累積機率分佈，同時明確獲得諧波電壓及諧波電流之變化 情況，也因為透過實際之量測方式，本諧波量測分析報告，方能提供 用戶瞭解其對於供電系統所造成之諧波污染，或者供電系統對於用戶 端所造成之諧波影響，以作為供電及受電雙方，於往後設計時之背景 值。
(一) 量測實例一（簡介）：電信公司長途及無線電信機房
電信公司長途及無線電信機房諧波量測目的，是為調查其諧波污 染情況，檢驗是否符合 ANSI/IEEE Std.519 規範的要求，同時，針對 負載具高諧波含量之交換機系統或是充電機系統，探討其各次諧波量 之變化及量值，提供電信業者於往後設計時之參考。
為了解電信公司長途及無線電信機房 11.4kV 側之電流變化情 況，本研究選定台北縣某一國營電信公司長途及無線電信機房為測試 對象，測試時間為93 年 1 月 30 日及 93 年 2 月 13 日共兩日，因本電 信機房並無規則之週期，因此本次量測作業採樣約十分鐘，並以電力 品質分析儀 ADX3010 進行量測作業，而量測間距為二十秒鐘並記錄 一次。
18 Battery
Banks Inverter (AC/DC) Generator
D01
G01 H01
Main Workshop
to TPC
1,250/5A 40/5A
11,400/110V
11.4kV BUS
1,000kVA 11.4kV/380V
380V BUS 380V
Interlock
Air Condition (A/C)
Other Miscellaneous
Equipment
Communication Equipment 24Cells
(48Vdc)
Filter Banks
48Vdc BUS H02 H03
Measurement Point
Measurement Point
1,000kVA 11.4kV/380V
圖 3.7(a) 電信機房電壓電流訊號量測圖
圖 3.7(a)為電信機房電壓電流訊號量測圖，此電信機房由電力公 司11.4kV 正常(normal)供電，並配接一台緊急供電發電機（本次量測 時發電機並無啟動），經1000kVA 變壓器轉壓至 380V 低壓系統，提 供機房內整流設備、電容器組及空調等設備；其中因近年來通訊交換 機組之大量設置，使得交流轉換直流電源設備容量大增，這些由眾多 電力電子元件所組成之設備，也是各級諧波之主要來源。而為比較高 壓側與低壓側，各級諧波分佈狀況，以作為濾波器設計之參考位置，
本次量測資料為 11.4kV 高壓側 H01 盤各級諧波電壓及電流波形，以 及380V 低壓側 D01 盤各級諧波電壓及電流波形。
19
※ 現場量測概要
量測標的：H01 盤電流與 H01 盤電壓、D01 盤電流與 D01 盤電壓 量測目的：分析無被動式濾波器組投入時，上述四盤之電流與電
壓諧波含量的影響
量測時間：93 年 1 月 30 日 15:15 ~ 25:15 及 93 年 2 月 13 日 10:39
~ 10:49
濾波器操作狀態：上述量測時間，均無阻尼單元切離或投入。
量測儀器：歐華ADX3010 取樣頻率：7680 Hz
取樣間隔：20 秒 最高諧波次數：20 次
圖 3.7(b) 電信機房電壓電流訊號現場實測照片
20
(二) 量測實例二（簡介）：捷運公司高運量牽引動力變電站機房 牽引動力變電站(TSS)諧波量測目的調查其諧波污染情況，檢驗是 否符合供電系統特別技術規範的要求，同時，針對負載具急遽變化特 性之捷運系統，探討其諧波量測之取樣間距與數據統計方法，提供捷 運局與供電承商參考。
為了解捷運系統牽引動力變電站(TSS) 22kV 側之諧波電壓與電流 變化情況，本研究選定台北捷運某一高運量牽引動力變電站(TSS)作為 測試對象，於 93 年 2 月 18 日至 20 日，共四十八小時，以電力品質分 析儀ADX3010 進行量測作業。由於捷運系統之牽引負載隨列車之加、
減速快速變化，其諧波亦具有急遽變化的特性。為掌握此異於一般工 業用戶的用電及諧波特性，本研究所使用之電力品質分析儀，將諧波 電壓與電流縮短量測間距為十秒鐘並記錄一次。
4.21µF Unit n = 5
630 Ω 65.87 mH
3.22µF Unit n = 7
588 Ω 44.58 mH
4.2µF Unit n = 11.5
160 Ω 12.23 mH
D07
D10 D02
H06 H05
H03 N.O.
H04 H02
H02 H07
Stinger
Distribution Main Workshop
DEPOT PEITOU =DP
=DUN
to TOU BSS H09 to TOU BSS H03
1200/1A 22000/120V
22kV BUS 22kV BUS
750V 3340kVA 22kV/587V 3340kVA
22kV/587V 1114kVA
22kV/587V
Measurement Point
圖3.8 捷運系統機房電壓電流訊號量測圖
21
圖3.9 捷運系統機房電壓電流訊號現場實測照片
圖 3.8 為捷運系統機房電壓電流訊號量測圖，此牽引動力變電站 (TSS)機廠由上游 BSS 之 H03 盤與 H09 盤以雙迴路供電，該二迴路分 別饋入DP TSS 之 H02 盤與 H07 盤。H02 盤下游之 22 kV 匯流排連接 H02 盤、H03 盤與 H04 盤，此三 22 kV 開關盤分別接至機廠移動式供 電系統(Stinger)用電整流變壓器、被動式濾波器組與機廠主維修工廠 用電整流變壓器；H07 盤下游之 22 kV 匯流排連接 H05 盤與 H06 盤，
此二22 kV 開關盤分別接至被動式濾波器組與機廠主維修工廠用電整 流變壓器。上述H03 盤與 H05 盤皆連接至被動式濾波器組 22 kV 匯流 排，為避免於被動式濾波器組上游22 kV 雙迴路中產生環流，H03 盤 之開關採常開(N.O.)操作狀態。圖 3.9 則為現場量測照片。
22
※ 現場量測概要
量測標的：H07 盤電流與 H07 盤電壓
量測目的：分析阻尼單元投入與否對H07 盤之諧波含量之影響 量測時間：93 年 2 月 19 日 01:44 ~ 93 年 2 月 21 日 00:55，共 47
小時11 分
濾波器操作狀態：93 年 2 月 19 日 01:44 ~ 93 年 2 月 20 日 03:40 期間，阻尼單元切離；93 年 2 月 20 日 03:40 之後，阻 尼單元投入。
量測儀器：歐華ADX3010
取樣間隔：10 秒、最高諧波次數：20 次
本捷運公司高運量牽引動力變電站機房之濾波器組係由 5 次、7 次與 11.5 次三組二階阻尼濾波器組成，各濾波器組之R, L, C參數詳 圖3.8。此三組濾波器之個別頻率響應與合成頻率響應如圖 3.10 (a)，
部分放大之頻率響應如圖3.10(b)，阻抗相角對頻率響應如圖 3.11。
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900
Magnitude Impedance(Ω)
Frequency(Hz)
n=5 n=7 n=11.5 aggergate
圖 3.10(a) 捷運機廠被動式濾波器組之(相)阻抗大小對頻率關係圖
Zoom in as 圖 4.6(b)
23
0 300 600 900
0 40 80
19.1(ohm)@11.9th
Magnitude Impedance(Ω)
Frequency(Hz)
n=5 n=7 n=11.5 aggergate
19.1(ohm)@4.7th
18.0(ohm)@6.8th
圖3.10(b) 捷運機廠濾波器組之(相)阻抗大小對頻率關係圖(局部放大)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 -100
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Phase Angle Of Impedance(Deg.)
Frequency[Hz]
n=5 n=7 n=11.5 aggergate
圖 3.11 捷運機廠被動式濾波器組之阻抗相角對頻率關係圖
24
3.2.3 量測結果與分析
(一) 量測實例一（分析）：電信公司長途及無線電信機房
(1) 電信公司長途及無線電信機房低壓側諧波電流(均方根值)歷分圖 因本次量測之電信機房於建造設計之初，並未考量利用諧波濾波 器濾除因閘流體元件所造成之諧波污染，因此，由圖3.12(a)可看出第 三次諧波電流超出管制標準數倍，甚至於由圖3.12(b)看出第五次諧波 電流亦超出超出管制標準數十倍；相同的情況，第七次諧波至第十七 次諧波電流中，僅第九次諧波電流符合管制標準，其餘各次均超出管 制標準。
在電流不平衡電流方面，由圖3.12(a) 可看出第三次諧波電流 A、
B、C 三相不平衡相當嚴重，其三相不平衡率經計算後高達 46.7%，相 同的情況，第五次諧波至第十七次諧波電流三相不平衡現象亦相當嚴 重。
0 2 4 6 8 10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
I L-3rd (%)
Time(min)
Tolerance(3-9) IaL-3rd IbL-3rd IcL-3rd
0 2 4 6 8 10
0 10 50 60 70
I L-5th (%)
Time(min)
Tolerance(3-9) IaL-5th IbL-5th IcL-5th
(a) (b)
圖3.12 電信公司長途及無線電信機房低壓側諧波電流波形圖 (a)3 次、(b)5 次諧波電流
25
經整理電信機房低壓側三相不平衡電流折線圖如圖3.13 所示，而 其對應之電流不平衡率整理如表 3.1 所示，其中僅第十三、第十九次 三相電流不平衡率較不明顯外，其餘各次諧波電流不平衡率均超過百 分之十以上（圖3.13 中諧波電流基波值越小，雖折線圖不易清楚觀察 出，但經由三相不平衡公式，確實可以反應其不平衡現象將會越大，
如表3.1 所示）。
此機房諧波污染指數之所以如此嚴重，部分原因除本供電系統於 冬季低載時，空調冷卻系統關閉，所導致之整體基波電流大幅下降外，
其最主要之因素，仍在於原系統之各次諧波含量應已超出管制標準甚 多；此時，若其餘之設備亦均處於卸載情況下，而單獨由交換機組直 接回饋諧波至供電系統，其諧波污染指數就將顯得特別可觀。
3 5 7 9 11 13 15 17 19
0 10 20 30 40 50 60 70
諧波電流(%)
諧波次數(h)
A phase B phase C phase
圖 3.13 電信公司長途及無線電信機房低壓側三相不平衡電流折線圖
表 3.1 電 信 公 司 長 途 及 無 線 電 信 機 房 低 壓 側 電 流 不 平 衡 率 3rd 5th 7th 9th 11th 13th 15th 17th 19th
電信公司長途及無線電信
機房低壓側(%) 46.7 11.3 12.4 31.4 21.9 8.2 47.8 49.8 2.7
26
(2) 電信公司長途及無線電信機房低壓側電流失真率累積機率分佈 在諧波量測之數據統計方法探討方面，為去除諧波量測作業中因 系統暫態現象而出現的異常（高值）諧波數據，諧波含量是否符合管 制 值 ， 通 常 不 以 最 大 值 來 檢 討 ， 而 是 以 諧 波 量 測 數 據 累 積 機 率 (Cumulative Probability, C.P.) 95%之準位做為判定的依據，亦即將全部 量測數據按由大至小次序排列，捨棄前面 5%值，取剩餘量測值中的 最大值為代表值，也就是說，利用第百分之九十五之數值點，作為研 究之主要參考數值。
當被量測的系統不具有變動快速的負載特性時，以累積機率95%
之準位做為判定的依據，確實可以將因馬達啟動或開關操作等因素而 產生之非週期性暫態諧波剔除，而僅就週期性諧波進行檢討。不過，
如果電力系統(例如捷運、台鐵、高鐵等鐵路系統)本身的負載具有間 歇性、變化快速的特性，當量測的持續時間超過一天以上時，則將全 部量測數據的前面 5%捨棄，恐怕在剔除暫態諧波的同時，也會將間 歇性出現的系統重載諧波一併拿掉，而減損量測結果的代表性與完整 性[12]，不過在本研究中，為避免過多之非週期性暫態諧波影響，仍 採累積機率95%之準位做為判定的依據。
而本次量測之電信公司長途及無線電信機房其電流失真率累積機 率分佈，由圖3.14(a)可以看出，第三次諧波HDi之電流累積機率95%
準位(16.1%)與最大值(16.23%)數值接近，此現象代表本系統乃為較為 穩定的工業用戶，在濾波器設計方面，可以免除因系統變化而造成濾 波效果不良之掛慮；同樣的現象，無論在第五次、第七次甚至第十九 次諧波電流累積機率方面，都可以明顯由圖3.14 (b)至圖 3.14 (f)看出，
27
各次HDi之累積機率 95%準位與最大值數值接近，確定此工業用戶本 身之負載未具有間歇性、變化快速的特性，其系統相當平穩。
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
6 8 10 12 14 16
HDIc,100%, C.P.=16.231%
HDIb,100%, C.P.=9.601%
HDIa,100%, C.P.=8.17%
HDIc,95%, C.P.=16.068%
HDIb,95%, C.P.=9.138%
HDIa,95%, C.P.=7.648%
HDi(%)
Cumulative Probability(%)
IaL-3rd IbL-3rd IcL-3rd
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
50 5152 53 54 55 56 57 5859 60 61 62 63 64 65 66 67 68
HDIc,100%, C.P.=59.241%
HDIb,100%, C.P.=55.1%
HDIa,100%, C.P.=67.668%
HDIc,95%, C.P.=59.003%
HDIb,95%, C.P.=54.863%
HDIa,95%, C.P.=67.193%
HDi(%)
Cumulative Probability(%)
IaL-5th IbL-5th IcL-5th
(a) (b)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
HDIc,100%, C.P.=36.877%
HDIb,100%, C.P.=34.857%
HDIa,100%, C.P.=43.01%
HDIb,95%, C.P.=34.71%
HDIc,95%, C.P.=36.741%
HDIa,95%, C.P.=42.807%
HDi(%)
Cumulative Probability(%)
IaL-7th IbL-7th IcL-7th
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4
3.6 HDIc,100%, C.P.=3.481%
HDIb,100%, C.P.=1.872%
HDIa,100%, C.P.=2.676%
HDIb,95%, C.P.=1.745%
HDIc,95%, C.P.=3.27%
HDIa,95%, C.P.=2.617%
HDi(%)
Cumulative Probability(%)
IaL-9th IbL-9th IcL-9th
(c) (d)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
8 9 10 11 12 13 14
HDIb,100%, C.P.=8.998%
HDIc,100%, C.P.=12.202%
HDIa,100%, C.P.=13.401%
HDIb,95%, C.P.=8.924%
HDIc,95%, C.P.=12.029%
HDIa,95%, C.P.=13.352%
HDi(%)
Cumulative Probability(%)
IaL-11th IbL-11th IcL-11th
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0
HDIc,100%, C.P.=11.34%
HDIb,100%, C.P.=12.569%
HDIa,100%, C.P.=13.001%
HDIc,95%, C.P.=11.2%
HDIb,95%, C.P.=12.504%
HDIa,95%, C.P.=12.914%
HDi(%)
Cumulative Probability(%)
IaL-13th IbL-13th IcL-13th
(e) (f)
圖3.14 電信公司長途及無線電信機房低壓側諧波累積機率分佈圖 (a)3 次、(b)5 次、(c)7 次、(d)9 次、(e)11 次、(f)13 次諧波電流失真率
分佈圖
HD=100%, C.P.=16.23%
HD=95%, C.P.=16.1%
28
(3) 電信公司長途及無線電信機房高壓側諧波電流(均方根值)歷分圖 而為比較高壓側與低壓側，各級諧波分佈狀況，以供為設計顧問 公司，將濾波器選擇於高壓側或是低壓側設置之參考，本次量測端點 除之前節所討論之380V 低壓側 D01 盤各級諧波電流波形外，同時亦 對於 22.8kV 高壓側 H01 盤各級諧波電流波形提出分析，若分析結果 高壓側之諧波變化情況與低壓側雷同，則可提供規劃人員，往後可以 利用高壓側作為設計裝置點，而避免採用傳統於低壓側設置濾波器方 式，因設備容量過大所造成裝置與維護成本過高的缺點。
由圖3.15(b)可看出第五次諧波電流超出管制標準數十倍，與前節 描述之低壓側波形雷同；同時，第三次至第十三次諧波電流中，亦僅 第九次諧波電流符合標準，其餘各次均超出管制標準，如圖 3.16 所示。
在電流不平衡電流方面，由圖3.15(a) 可看出第三次諧波電流 A、
B、C 三相不平衡相當嚴重，其三相不平衡率經計算後亦高達 47.8%；
相同的情況，第五次諧波至第十七次諧波電流三相不平衡現象亦相當 嚴重，如表3.2 所示。
0 2 4 6 8 10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
I H-3rd (%)
Time(min)
Tolerance(3-9) IaH-3rd IbH-3rd IcH-3rd
0 2 4 6 8 10
0 2 4 6 8 10 12 40 45
I H-5th (%)
Time (min)
Tolerance(3-9) IaH-5th IbH-5th IcH-5th
(a) (b)
圖3.15 電信公司長途及無線電信機房高壓側諧波電流波形圖 (a)3 次、(b)5 次諧波電流
29
3 5 7 9 11 13 15 17 19
0 10 20 30 40 50 60 70
諧波電流(%)
諧波次數(h)
低壓側各次諧波電流(%) 高壓側各次諧波電流(%)
IEEE 519 Tolerance(%)
圖 3.16 電信公司長途及無線電信機房諧波電流長條圖
3 5 7 9 11 13 15 17 19
0 10 20 30 40 50
諧波電流(%)
諧波次數(h)
A phase B phase C phase
圖 3.17 電信公司長途及無線電信機房高壓側三相不平衡電流折線圖
表 3.2 電 信 公 司 長 途 及 無 線 電 信 機 房 高 壓 側 電 流 不 平 衡 率 3rd 5th 7th 9th 11th 13th 15th 17th 19th
電信公司長途及無線電信
機房低壓側(%) 47.8 3.7 5.6 48.4 14.9 11.4 42.9 41.2 14.0
30
(二)量測實例二（分析）：捷運公司高運量牽引動力變電站機房 (1) 捷運公司高運量牽引動力變電站機房諧波電流(均方根值)歷時圖
觀察H07 盤各級諧波電流（如圖 3.18 (a)至圖 3.18 (i)）推論如下：
(A) 由圖 3.18(b)及圖 3.18(c)第五次及第七次之諧波電流波形可以發 現，被動式濾波器組投入時，H07 盤各次諧波電流都較投入前的 值高出甚多，且以 5 次諧波電流最為明顯（如圖 3.18(b)）；被動 式濾波器組投入前，H07 盤各次諧波電流皆未超過 4A；被動式濾 波器組投入後，H07 盤各次諧波電流大幅增加，遠超過被動式濾 波器組投入前 H07 盤原先的諧波電流，此意味著被動式濾波器組 除提供捷運機廠 TSS 本身的濾波作用，亦有助於鄰近機廠之主線 TSS 的濾波，或其他工業用戶濾波。
(B) 由圖 3.18(b)及圖 3.18(c)可以發現，經 H07 盤流入被動式濾波器組 之5、7 次諧波電流歷時圖波形並無電聯車負載特性，與圖 3.18 (e) 及圖3.18(f)所示的 11 及 13 次諧波電流歷時圖波形相差甚多。由於 捷運機廠TSS 採 12 與 24 脈波整流器，理論上並不會產生太大的 5、
7 次諧波，於此或可推論，上述與捷運系統特性無關之 5、7 次諧 波電流可能來自台電系統，而非捷運本身。也就是說，被動式濾波 器組投入時，台電系統的5、7 次諧波電流將透過 BSS 流入捷運系 統。此諧波電流的大幅增加將造成捷運系統額外的功率損失。
(C) 由圖 3.18(e)及圖 3.18(f)所示的 H07 盤 11 及 13 次諧波電流歷時圖 波形可以發現，被動式濾波器組投入後該諧波電流將大幅增加，此 情況係正常之現象。被動式濾波器組投入之後，鄰近機廠之主線 TSS 所產生的諧波電流將透過 22 kV 開關盤而流入被動式濾波器 組，因此該諧波電流必然大幅增加，達到主線與機廠TSS，或其他
31
工業用戶濾波同時濾波效果。
(D) 圖 3.19 及圖 3.20 為捷運公司高運量牽引動力變電站機房既有濾波 器「投入前」及「投入後」三相不平衡電流折線圖；其中既有濾波 器「投入前」（如圖3.19），其三相不平衡電流率相當大，但諧波 電流數值(%)不大，而相對於既有濾波器「投入後」（如圖 3.20），
雖然其三相不平衡電流率降低，但其諧波電流數值(%)比較既有濾 波器「投入前」增加約十倍，因TSS 機廠本身之諧波電流並不嚴重，
而因大量之電力電子設備影響，致使三相不平衡電流率提高，而在 協助鄰近工業用戶濾波時，所被加諸之大量三相對稱諧波電流，進 而改善該量測點之三相不平衡電流率，故此亦為合理現象。
(a) (b)
(c) (d)
圖3.18 捷運公司高運量牽引動力變電站機房諧波電流波形圖 (a)3 次、(b)5 次、(c)7 次、(d)9 次諧波電流
32
(e) (f)
(g) (h)
(i)
圖3.18 捷運公司高運量牽引動力變電站機房諧波電流波形圖 (e)11 次、(f)13 次、(g)15 次、(h)17 次、(i) 19 次諧波電流
33
3 5 7 9 11 13 15 17 19
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
諧波電流(%)
諧波次數(h)
A phase B phase C phase
圖 3.19 捷運公司高運量牽引動力變電站機房既有濾波器投入前三相 不平衡電流折線圖
3 5 7 9 11 13 15 17 19
0 10 20 30 40 50
諧波電流(%)
諧波次數(h)
A phase B phase C phase
圖 3.20 捷運公司高運量牽引動力變電站機房既有濾波器投入後三相 不平衡電流折線圖
34
(2) 捷運公司高運量牽引動力變電站機房電流失真率累積機率分佈 前節中提到，諧波含量是否符合管制值，通常以諧波量測數據累 積機率(Cumulative Probability, C.P.)之 95%準位做為判定的依據。圖 3.21(a)中所示，其 a 相第三次諧波電流HDi之累積機率95%準位(3.77%) 與 最 大 值(4.32%)有一段相當大的差距；同樣觀察圖 3.21(b)至圖 3.21(h)，無論在第五次、第七次甚至第十七次諧波電流累積機率方面，
各次諧波電流HDi之累積機率 95%準位與最大值數值均有一段相當大 的差距；此現象應為捷運(鐵路)系統特殊之諧波特性，通常不會出現 於大部分用電量相對較為穩定的工業用戶。究其原因可能為捷運系統 具有時高時低甚至為零之牽引負載特性的關係（列車從靜止加速至最 高速，其電流在列車加速後的 10 秒內可從零幾乎線性增加到 7000A 左右，之後列車進入滑行模式，僅需極少量電流）。也就是因為此用 戶系統之不穩定，將造成在特定級次諧波偏高，若濾波器之設計與規 劃不良，容易失調(out of tune)甚至與系統共振，反而放大諧波，容易 使濾波器損壞。
(a) (b)
圖3.21 捷運公司高運量牽引動力變電站機房諧波累積機率分佈圖 (a)3 次、(b)5 次諧波電流失真率分佈圖
HD=100%, C.P.=4.32%
HD=95%, C.P.=3.77%
35
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
圖3.21 捷運公司高運量牽引動力變電站機房諧波累積機率分佈圖 (c)7 次、(d)9 次、(e)11 次、(f)13 次、(g)15 次、(h)17 次諧波電流失真
率分佈圖
