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(tuán)設(shè)計(jì)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(yùn)行過程中仍會消耗大量的資源。由于通信局站機(jī)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(yùn)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(biāo)，也是實(shí)現(xiàn)綠色通信和促進(jìn)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(jī)理及諧波治理原理出發(fā)，以真實(shí)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(yùn)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(jī)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(fù)載在運(yùn)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(jì)算機(jī)、精密機(jī)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(zhǔn)度降低，無法正常運(yùn)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(shí)諧波會引發(fā)繼電保護(hù)誤動作，甚至?xí)斐删薮蟮氖鹿省ＶC波對電網(wǎng)的危害主要表現(xiàn)為補(bǔ)償裝置投不上、電容器使用壽命降低、電容器保護(hù)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(dá)到抑制和消除諧波電流的效果。有源諧波處理器價(jià)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(shí)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(shí)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(dāng)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(fù)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(xiàng)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(gè)系統(tǒng)內(nèi)有大量無功電流運(yùn)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(fù)載。即使UPS系統(tǒng)諧波治理效果達(dá)標(biāo)，但如果對低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行諧波處理，則難以達(dá)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(jìn)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(dāng)前實(shí)際有功負(fù)載為248 kW。它的諧波治理方式為在每一單機(jī)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(yùn)行的穩(wěn)定性和供電效率。同時(shí)，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?yàn)V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(yùn)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(shí)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(xiàng)性能均有所改善。據(jù)估計(jì)，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(yùn)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(dāng)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(shí)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(shí)際的諧波治理中，可以根據(jù)通信電源系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)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(bǔ)，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(jì)性相統(tǒng)一。當(dāng)前各大通信運(yùn)營商積極推進(jìn)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(shí)效性及普適性會更強(qiáng)，從而降低有源諧波處理器引入成本，促進(jìn)通信行業(yè)健康和可持續(xù)發(fā)展。