通信電源系統(tǒng)的諧波治理技術(shù)研究

陳周天，孟 琦，劉宏宇，姜世明，孟 巍，石 超

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司 黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引 言

通信網(wǎng)絡(luò)是我國通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。近年來，在前沿技術(shù)的支撐下，我國通信網(wǎng)絡(luò)逐步朝向綠色化和現(xiàn)代化發(fā)展，但其運行過程中仍會消耗大量的資源。由于通信局站機房內(nèi)安裝有大量的UPS設(shè)備、整流設(shè)備以及變頻器等非線性設(shè)備，導(dǎo)致通信電源系統(tǒng)產(chǎn)生了大量諧波。諧波不僅危害通信電源系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運行，還會在電源系統(tǒng)內(nèi)流動發(fā)熱導(dǎo)致能耗增加。消除通信電源系統(tǒng)中的諧波污染，保證通信設(shè)備電能的清潔性與高效性，是通信電源系統(tǒng)諧波治理的主要目標，也是實現(xiàn)綠色通信和促進通信事業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。因此，從通信電源系統(tǒng)諧波產(chǎn)生機理及諧波治理原理出發(fā)，以真實的局站諧波治理為例，闡釋通信電源系統(tǒng)諧波治理技術(shù)，旨在為各通信運營商開展通信電源諧波綜合治理工作提供思路與方法。

1 通信電源系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的機理及危害

在我國電力系統(tǒng)中，諧波是指除50 Hz正弦波信號外的其他周期性信號。通信電源系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負載在運行過程中會從電網(wǎng)取用非正弦電流，使電流波形產(chǎn)生畸變轉(zhuǎn)變?yōu)橹C波電流，再經(jīng)過電網(wǎng)阻抗形成諧波電壓，致使通信電源系統(tǒng)電壓和電流波形產(chǎn)生畸變。諧波對通信電源系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)為諧波污染對電網(wǎng)和設(shè)備的危害。諧波會危害通信電源系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，尤其是計算機、精密機械以及儀器。在諧波的影響下，通信電源系統(tǒng)部分設(shè)備精準度降低，無法正常運行，直接縮短了其使用壽命。兩次以上的諧波污染會提高感應(yīng)型電能表性能的衰減程度，受到9次諧波干擾后，感應(yīng)型電能表性能將降低80%，同時諧波會引發(fā)繼電保護誤動作，甚至?xí)斐删薮蟮氖鹿?。諧波對電網(wǎng)的危害主要表現(xiàn)為補償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護熔絲熔斷、串并聯(lián)諧振引發(fā)電容器的諧波過電壓與過電流以及電容器爆炸等[1]。

2 通信電源系統(tǒng)諧波治理的原理

2.1 有源諧波處理器的工作原理

有源諧波處理器能夠有效消除諧波污染，以防該污染損害通信電源系統(tǒng)及其設(shè)施。它以電子等元件構(gòu)成電路，產(chǎn)生與諧波頻率和幅度相同但相位相反的電流，以此達到抑制和消除諧波電流的效果。有源諧波處理器價格較為昂貴，建設(shè)、安裝以及維修等成本偏高，但諧波治理有效，且可在不同場景下廣泛應(yīng)用[2]。

2.2 無源諧波處理器的工作原理

無源諧波處理器主要由電感器和電容器構(gòu)成，又被成為LC濾波器，如單調(diào)濾波器。它的工作原理是將濾波器的諧振頻率與系統(tǒng)某次諧振頻率保持一致，此時濾波器阻抗為極小值。該次諧波電流會通過阻抗極小的濾波支路分流，使交流系統(tǒng)的諧波電流減少，繼而實現(xiàn)對該次諧波的抑制。無源諧波處理器具有成本低和操作便捷的優(yōu)勢，但是濾波特性決定其只能濾除固定次數(shù)的諧波。當通信系統(tǒng)諧波電流超過濾波器額定容量后，濾波器會因電流過載而發(fā)生損壞。因此，無源諧波處理器在治理通信電源系統(tǒng)諧波污染方面存在較大的局限，通常需要配合安裝多級濾波器才能有效抑制系統(tǒng)多次諧波。

2.3 混合型有源諧波處理器工作原理

混合型有源濾波器一般為有源濾波器與無源濾波器混合使用，工作原理如圖1所示。它將有源濾波器串聯(lián)并介入并聯(lián)的負載與無源濾波器之間。有源濾波器將諧波源隔離，能夠消除地電網(wǎng)阻抗變化對無源濾波器濾波效果的影響，防止電網(wǎng)與無源濾波器產(chǎn)生諧振，從而改善無源濾波器性能，并充分發(fā)揮有源濾波器與無源濾波器的優(yōu)勢[3]。

圖1 混合型有源諧波處理器工作原理示意圖

3 案例分析

3.1 X地通信局站諧波治理概況

X地通信局站第二套UPS系統(tǒng)為3項12脈沖型UPS，諧波分量集中在5次、7次、11次以及13次諧波。整個系統(tǒng)內(nèi)有大量無功電流運行，產(chǎn)生了大量無功功率，極易導(dǎo)致輸入電纜過熱，甚至?xí)l(fā)安全事故。此外，X地通信局站低壓配電系統(tǒng)中，A、B系統(tǒng)內(nèi)包含通行保障負載。即使UPS系統(tǒng)諧波治理效果達標，但如果對低壓配電系統(tǒng)進行諧波處理，則難以達到通信電源系統(tǒng)諧波綜合治理要求。可見，X地通信局站UPS系統(tǒng)及低壓配電系統(tǒng)均有諧波治理需求。基于此，該通信局站采用就近治理與集中相結(jié)合的諧波治理方式，對UPS及開關(guān)電源系統(tǒng)在其前端加裝混合濾波器，在低壓總配電處加裝有源諧波處理器進行綜合性集中治理[4]。

3.2 X地通信局站諧波治理技術(shù)

3.2.1 UPS系統(tǒng)諧波治理技術(shù)

X地通信局站第二套UPS系統(tǒng)為12脈400 kVA 1+1配置方式，當前實際有功負載為248 kW。它的諧波治理方式為在每一單機前端并聯(lián)有源諧波處理器。

3.2.2 開關(guān)電源諧波治理技術(shù)

在開關(guān)電源前地交流輸入位置接入有源諧波處理器。

3.2.3 低壓配電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)

在低壓配電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)安裝有源諧波處理器有效治理諧波。采用并聯(lián)的方式將濾波器柜體安裝在低壓配電系統(tǒng)中，它的內(nèi)部放置有源諧波處理器，借助有源諧波治理原理抵消低壓配電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流，保障低壓配電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和供電效率。同時，將濾波器柜體安置在低壓配電柜后方位置，以電纜連接的方式向濾波器輸送電能[5]。

3.3 X地通信局站諧波治理效果評估及分析

3.3.1 UPS系統(tǒng)諧波治理效果評估及分析

對比諧波治理前后的UPS系統(tǒng)電流波形發(fā)現(xiàn)，UPS系統(tǒng)經(jīng)諧波治理后電流波形更接近正弦波，表明治理后諧波電流抑制效果較好。對比諧波治理前后的UPS系統(tǒng)功率因數(shù)發(fā)現(xiàn)，UPS諧波治理后功率因數(shù)有所提升，表明諧波治理后提升了USP系統(tǒng)運行效率，降低了電力資源的消耗。UPS系統(tǒng)諧波治理前諧波電流畸變率為37%，治理后諧波電流畸變率為3.9%，因此UPS系統(tǒng)經(jīng)諧波治理后電流畸變率顯著降低。

3.3.2 開關(guān)電源系統(tǒng)諧波治理效果評估及分析

通過分析實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，諧波治理后開關(guān)電源系統(tǒng)電流波形接近正弦波形，諧波電流畸變率由27.2%降低至7.2%，減少了諧波對電纜降容的影響，很大程度上消除了開關(guān)電源對供電系統(tǒng)的諧波污染。另外，開關(guān)電源輸入電流減小了5 A，起到了降低線路電能損耗的效果。

3.3.3 低壓配電系統(tǒng)諧波治理效果評估及分析

低壓配電系統(tǒng)經(jīng)諧波治理后，它的電流波形為平滑正弦波形，諧波電流畸變率由13.3%降低至4.1%。此外，A、B、C配電系統(tǒng)諧波電流含量、開關(guān)故障率以及電纜溫升均有不同程度的降低，各配電系統(tǒng)電流有效值提升，各項性能均有所改善。據(jù)估計，諧波治理后每日可節(jié)約電能9.6 kW·h，有助于通信企業(yè)的降本增效。

4 結(jié) 論

采用合理的諧波治理技術(shù)不僅能夠有效降低諧波對通信電源系統(tǒng)設(shè)備及電網(wǎng)運行的危害，還能提高供電及電能使用效率，符合我國節(jié)能減排的要求。通信電源系統(tǒng)是通信行業(yè)發(fā)展的核心，當前各地區(qū)通信局站通信電源系統(tǒng)布置方式有所不同，因此在應(yīng)用諧波治理技術(shù)時應(yīng)因地制宜。雖然有源諧波治理相對于無源諧波治理來說成本昂貴且技術(shù)要求較高，但總體濾波效果較好。實際的諧波治理中，可以根據(jù)通信電源系統(tǒng)實際運行情況,采用有源諧波處理器與無源諧波處理器混合使用的諧波治理技術(shù)，使兩者優(yōu)勢互補，降低諧波治理成本，提高諧波治理效果。此外，通信電源系統(tǒng)諧波治理需要綜合對比不同諧波治理技術(shù)的成本和效率等，以保證技術(shù)性與經(jīng)濟性相統(tǒng)一。當前各大通信運營商積極推進通信電源系統(tǒng)諧波綜合治理工作，未來諧波治理技術(shù)將更為完善，實效性及普適性會更強，從而降低有源諧波處理器引入成本，促進通信行業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展。