摘要：当地半导体材料制造商不断提高半导体产品的技术水平和研发能力，逐步打破国外半导体制造商的垄断模式，促进我国半导体材料的本地化进程，促进我国半导体产业的发展。半导体产品制造中使用的单晶炉、多晶炉等设备为恶性谐波源，污染电力系统，影响系统供电质量。因此，这些生产半导体的电子工厂需要一个系统的解决方案来有效地解决它们产生的电力质量问题。
关键词：半导体行业；电能质量；电能质量监测与治理；系统解决方案
1.引言
半导体是许多工业机械设备的核心，广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车、工业/医疗、军事等核心领域。为鼓励半导体材料产业发展，突破产业瓶颈，我国出台了多项支持半导体产业发展的政策，为半导体材料产业发展提供了良好的发展环境。与其他工业厂房相比，半导体等电子厂房的主要特点是清洁度要求高，光刻机、等离子注入机等精密设备的电源质量和电压等级要求高。半导体厂房使用的电子产品大多采用非线性可控变流装置、变频调速装置等负荷，谐波问题导致公用电网电能质量下降。如果不处理，不仅会影响设备的正常运行，还会严重威胁患者的生命安全。因此，需要对半导体厂房供配电系统的电能质量控制进行深入的分析和研究。
2.谐波源分析
半导体芯片加工电子厂生产配电系统，主要谐波负荷为单晶炉、多晶炉、各种精密设备、照明变频通风设备、计算机和UPS。
目前，大多数单晶炉采用中频感应电源加热。中频电源主电路包括整流电路、滤波电路、单相桥逆变电路和并联谐振电路。其中，整流电路采用三相全控桥整流电路，将三相50Hz工频交流电压整流为波动直流电压。单晶炉中频电源产生的谐波电流仅包括(k=1、2、3.)次。
单晶炉、多晶炉、IC测试台、PLC控制机械手、芯片制造晶圆机或变频控制半导体机会产生大量谐波，不仅会造成机械设备本身的不良现象，回流到电网谐波电流也会导致其他电路加热、电子开关误操作、电源电压不稳定，甚至生产线停机、半成品报废，损失不大。此外，外延设备、扩散设备、离子注入设备等高能设备的频繁加卸，加剧了电力环境的恶化。
3.谐波影响
3.1对电网的影响
导致电网功耗增加、设备试用时间减少、接地保护功能和遥控功能异常、线路和设备热量增加，特别是三次谐波导致非常大的中性线电流，导致配电变压器零线电流大于相线电流值，导致设备运行不稳定。因此，谐波也会导致电网中的谐波，导致正常电源停止、严重情况、电网开裂等。谐振导致变电站局部并联，损坏电压互感器设施；导致变电站系统设备和部件的额外谐波损耗，导致电力变压器、电力电缆、电机等设备温度升高，电容器损坏，从而促进绝缘材料的质量变化率。
3.2对用电安全的影响
首先，火灾会导致灾害。一些意外火灾的原因大多与电力谐波有关。目前，节能灯和调光设施的关闭非常流行。*为了节约能源，这些设施产生谐波源，导致电网风险系数增加，中性线电流增加，严重超过线电流，造成火灾的潜在安全风险。二是相关设备损坏。电能质量会影响继电保护、计算机系统、精细仪器和机械，导致运行控制不稳定，降低设施使用寿命，导致继电保护错误操作不可避免的意外损失，造成不同情况的干扰。第三，通信干扰。电网干扰的主要因素是谐波，通过基本的静电感应和电磁感应引起声频混乱。当谐波频率增加时，会出现噪声问题，通过通信线引起音频混乱。
3.3谐波对电气设备的影响
首先，电力电容器的影响。电容器在电网无功配置容量中占很大比例，少数电容器安排仅参照无功补偿量，不参照设备点电能质量的实际污染。在恶劣情况下，会出现串联并联谐振，导致电容器谐波过电压和过电流，导致电容器开裂；二是变压器的影响。谐波电流发生在变压器中，导致铜消耗增加，导致局部过热、振荡、声音增加、绕组附加过热等。；三是同步发电机的影响。负序电流和谐波电流流入系统中的同步发电机，造成多余损耗，导致发电机局部过热，降低绝缘强度。第四，自动控制器的影响。如今，数字控制技术已经投入到更广泛的领域，许多精细负荷对电能质量指标有更高的要求。基于此，电能质量的污染会导致设备监测模块中的畸变、干扰、一般分解计算和错误输出结果的损坏。
4.电子半导体行业电能质量监测与治理系统解决方案
4.1行业特征
电能质量要求高：
负载中含有多种谐波源，配电谐波含量高
谐波主要以6N土一次谐波为主
变频设备较多，变频设备之间存在共振风险.
4.2解决方案
半导体芯片制造业在国民经济中发挥着重要作用，相关企业规模不断扩大。供配电系统的稳定可靠运行和维护不仅是其安全生产的基本保证，而且与产品质量和生产的顺利进行有关。集成电路芯片制造关键设备多，站设备多，工艺步骤复杂。除供配电系统外，还需要传输系统、超纯水净化系统、真空系统、气冷风冷系统和特殊气体分配系统，以确保生产过程的顺利实施和关键设备的安全运行。由于整个工厂的生产条件最终通过供电来实现，半导体芯片制造对供电质量的要求特别高。
安科瑞电气提出的电力质量监测管理系统解决方案可满足电力监测管理、运行维护和电力质量管理的需要，致力于为高速公路行业用户提供一站式整体解决方案，从产品、系统、服务等方面满足用户需求，为用户创造价值。
4.3方案特点
电能质量监控管理系统可通过本地设备为用户提供电能质量监控、管理和设备运行维护功能，也可通过访问AcrelEMS-SEMI电站厂房能效管理平台为用户提供远程在线服务；
符合GB/T17626.30-2012中*级A**精度测量方法，适用于需要精确测量电能质量指标参数的场合；
专业电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高，测量准确，符合IEC61000-4-30标准；
通过统一的平台管理，方便用户同时监控电网的电能质量和治理数据；
采用三电平电力电子驱动器件，通过更多的电平输出进行更高质量的波形处理。
4.4方案效果
电网电能质量的高精度实时监测包括电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动、闪变、三相电压不平衡等。同时，可以记录故障事件，分析监测点的负荷曲线和电压电流、电压偏差、不平衡、闪变等趋势。用户可以通过系统查看报警事件的波形和趋势分析，也可以根据监测点的电能质量统计分析生成电能质量诊断报告。
通过集中补偿+本地补偿治理策略，更有效地补偿整个数据中心的无功和谐波，提高系统电能质量和电气设备供电效率，大大降低设备故障率，满足数据中心自动化设备的电源质量要求，有效解决谐波干扰和误跳闸问题。
系统提供多维用电指标统计和电能数据分析工具，为优化配电系统运行管理和节能损耗提供指导。
5.安科瑞电能质量监测与治理系统产品选型
5.1集中治理
风扇、空调等电器将用于电子工厂。这些电器分布分散，单个设备产生的谐波较少。为了保证无功功率因数符合国家标准要求，避免罚款，配电室集中处理这些负荷产生的电能质量问题，整个低压供配电系统还可以在线监测电能质量，包括谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等。
表1电能质量监测及集中治理产品选型表
5.2就地治理
电子厂房在生产半导体器件的过程中需要使用到可控变流装置、变频调速装置等负荷，这些设备在运行过程中会产生大量的谐波污染电网，如果不从源头治理会影响到电压的畸变率，*终会造成其他负载的损坏。针对以上负载情况，建议在各重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备。
表2 就地治理的产品选型
5.3电能质量监测与治理系统
（1）平台拓扑
电能质量监测与治理系统系统平台主要由电能质量治理设备、物理网关、服务器及服务终端四部分组成，其中电能质量治理设备作为基础实现对数据采集与电能质量补偿等，物理网关实现设备与服务器间的数据传输以及对设备进行策略功能分配，数据经由服务器*终以服务终端为媒介为用户提供可视化展示。
（2）平台展示
电能质量监测与治理系统除作为本地终端为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS企业微电网能效管理平台，为用户提供远程在线服务。
功能展示-可视化管理
项目站点信息
厂区概况
配电房信息
配电房设备补偿运行状态
语音报警
故障信息弹窗
效果对比-治理分析
负载侧2-31次谐波柱状图
电网侧2-31次谐波柱状图
负载侧各相电压及电流畸变率
电网侧侧各相电压及电流畸变率
状态展示-设备运行
设备补偿情况实时监测
设备运行状态
故障分析及描述
设备展示-运行状态
电容数据实时监测
投切状态
6.江苏某电子厂房项目电能质量治理项目案例
6.1项目背景
江苏某电子厂房内除生产半导体的核心器件外，还有传送系统，水净化系统，风冷系统、空调系统等，对电能质量要求非常高。这些设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中;如果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响电子厂房中其他敏感设备的误动作、中断甚至瘫痪，降低了配电系统的安全性、可靠性。
6.2治理方案
根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由单晶炉、晶圆机和一些非线性负载产生，供电系统由2台1200kVA变压器，采用集中治理+就地治理的方案。
集中治理：电子厂房内空调、风机设备的分布很广，因此在每台变压器下加装400A有源谐波治理系统装置，由两台150A模块和一台100A模块并机实现，型号为整柜式AnSin400-G Ⅰ型，自动跟踪补偿负载产生的谐波电流，保证供电系统安全可靠运行。
就地治理：单晶炉是该中心*恶性的负载，因此需要在配电末端对其产生的谐波电流进行治理，避免干扰其他用电设备，因此在使用单晶炉的配电间安装壁挂式ANAPF600-380/bbL有源电力滤波器，就地治理单晶炉产生的谐波污染。
6.3治理效果
选取该厂房单晶炉出线端配电箱，对其前后波形数据进行对比，通过装设壁挂式ANAPF600-380/bbL有源电力滤波器装置后，电压畸变率以A相为例从10.45%降值5.58%，电流畸变率从28.94%降值5.67%，提升了电网波形质量，具体效果及参数如下表所示。
表3 治理前后波形数据对比
7. 结论
半导体材料技术在国内的发展促使很多半导体加工设备投入使用，这些设备普遍采用了电力电子变流和控制器件。这些设备在工作的同时也会产生大量的谐波，它们不但会造成机台设备自身的坏机现象，回流进电网的谐波电流还会引起其它回路的发热、电子开关误动作、供电电压不稳，甚至引起生产线停线、半成品的报废。因此，安科瑞为电子厂房行业提供了一套完整的电能治理监测与治理的系统解决方案，使电子厂房的电能质量问题得到了有效的治理。从成本、性能、可靠性等角度综合考虑，该方法具有较高的性价比。
8.部分业绩展示
宁德蕉城时代锂离子动力电池生产基地项目（车里湾四期）
宁德时代锂电池生产基地项目（车里湾一期）南区项目（明翰）
中环艾能电池二期项目
厦门海沧半导体产业基地
清纯半导体数字产业园2期42#厂房增容工程
上海道宜半导体材料项目
厦门云天半导体新建项目
江苏柒捌玖电子科技
四川凯天电子有限公司6号变电站谐波治理设备
山东兴国大成电子材料有限公司
南京贝迪电子
山东华菱电子股份有限公司科技路181号厂房
麦述电子（苏州）有限公司
合肥鑫丰电子
广安前锋玖源电子材料有限公司
江苏博敏电子有限公司配电项目高密度互连印制电路板产业化建设项目（APF）
创合新材料科技新上22500KVA转变项目
衢州华友钴新材料有限公司年产3万吨（金属量）高纯三元动力电池级硫酸镍项目
启东润洋新材料产业园
富隆工业园12#厂房项目(杨凌美畅新材料股份有限公司)
安徽哈船新材料科技有限公司
福建环洋新材料项目
盐城维信电子有限公司
江苏海美新材料
宁夏中化锂电池材料有限公司锂电正极中试研发平台\P项目
云浮新材料
阿石创新材料有源滤波器
CMC1-2105120005嫡能创新材料(珠海)有限公司功能聚合物新材料制造基地项目
山东兴国大成电子材料有限公司
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浙江未来新能电池科技有限公司电池中试线项目(大成电池)
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