通信电源系统的谐波治理技术研究

陈周天，孟 琦，刘宏宇，姜世明，孟 巍，石 超

（中国移动通信集团设计院有限公司 黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引 言

通信网络是我国通信系统中不可或缺的组成部分。近年来，在前沿技术的支撑下，我国通信网络逐步朝向绿色化和现代化发展，但其运行过程中仍会消耗大量的资源。由于通信局站机房内安装有大量的UPS设备、整流设备以及变频器等非线性设备，导致通信电源系统产生了大量谐波。谐波不仅危害通信电源系统安全和稳定运行，还会在电源系统内流动发热导致能耗增加。消除通信电源系统中的谐波污染，保证通信设备电能的清洁性与高效性，是通信电源系统谐波治理的主要目标，也是实现绿色通信和促进通信事业健康可持续发展的必然选择。因此，从通信电源系统谐波产生机理及谐波治理原理出发，以真实的局站谐波治理为例，阐释通信电源系统谐波治理技术，旨在为各通信运营商开展通信电源谐波综合治理工作提供思路与方法。

1 通信电源系统谐波产生的机理及危害

在我国电力系统中，谐波是指除50 Hz正弦波信号外的其他周期性信号。通信电源系统中，谐波产生的根本原因是非线性负载在运行过程中会从电网取用非正弦电流，使电流波形产生畸变转变为谐波电流，再经过电网阻抗形成谐波电压，致使通信电源系统电压和电流波形产生畸变。谐波对通信电源系统的危害主要表现为谐波污染对电网和设备的危害。谐波会危害通信电源系统中的关键设备，尤其是计算机、精密机械以及仪器。在谐波的影响下，通信电源系统部分设备精准度降低，无法正常运行，直接缩短了其使用寿命。两次以上的谐波污染会提高感应型电能表性能的衰减程度，受到9次谐波干扰后，感应型电能表性能将降低80%，同时谐波会引发继电保护误动作，甚至会造成巨大的事故。谐波对电网的危害主要表现为补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断、串并联谐振引发电容器的谐波过电压与过电流以及电容器爆炸等[1]。

2 通信电源系统谐波治理的原理

2.1 有源谐波处理器的工作原理

有源谐波处理器能够有效消除谐波污染，以防该污染损害通信电源系统及其设施。它以电子等元件构成电路，产生与谐波频率和幅度相同但相位相反的电流，以此达到抑制和消除谐波电流的效果。有源谐波处理器价格较为昂贵，建设、安装以及维修等成本偏高，但谐波治理有效，且可在不同场景下广泛应用[2]。

2.2 无源谐波处理器的工作原理

无源谐波处理器主要由电感器和电容器构成，又被成为LC滤波器，如单调滤波器。它的工作原理是将滤波器的谐振频率与系统某次谐振频率保持一致，此时滤波器阻抗为极小值。该次谐波电流会通过阻抗极小的滤波支路分流，使交流系统的谐波电流减少，继而实现对该次谐波的抑制。无源谐波处理器具有成本低和操作便捷的优势，但是滤波特性决定其只能滤除固定次数的谐波。当通信系统谐波电流超过滤波器额定容量后，滤波器会因电流过载而发生损坏。因此，无源谐波处理器在治理通信电源系统谐波污染方面存在较大的局限，通常需要配合安装多级滤波器才能有效抑制系统多次谐波。

2.3 混合型有源谐波处理器工作原理

混合型有源滤波器一般为有源滤波器与无源滤波器混合使用，工作原理如图1所示。它将有源滤波器串联并介入并联的负载与无源滤波器之间。有源滤波器将谐波源隔离，能够消除地电网阻抗变化对无源滤波器滤波效果的影响，防止电网与无源滤波器产生谐振，从而改善无源滤波器性能，并充分发挥有源滤波器与无源滤波器的优势[3]。

图1 混合型有源谐波处理器工作原理示意图

3 案例分析

3.1 X地通信局站谐波治理概况

X地通信局站第二套UPS系统为3项12脉冲型UPS，谐波分量集中在5次、7次、11次以及13次谐波。整个系统内有大量无功电流运行，产生了大量无功功率，极易导致输入电缆过热，甚至会引发安全事故。此外，X地通信局站低压配电系统中，A、B系统内包含通行保障负载。即使UPS系统谐波治理效果达标，但如果对低压配电系统进行谐波处理，则难以达到通信电源系统谐波综合治理要求。可见，X地通信局站UPS系统及低压配电系统均有谐波治理需求。基于此，该通信局站采用就近治理与集中相结合的谐波治理方式，对UPS及开关电源系统在其前端加装混合滤波器，在低压总配电处加装有源谐波处理器进行综合性集中治理[4]。

3.2 X地通信局站谐波治理技术

3.2.1 UPS系统谐波治理技术

X地通信局站第二套UPS系统为12脉400 kVA 1+1配置方式，当前实际有功负载为248 kW。它的谐波治理方式为在每一单机前端并联有源谐波处理器。

3.2.2 开关电源谐波治理技术

在开关电源前地交流输入位置接入有源谐波处理器。

3.2.3 低压配电系统谐波治理技术

在低压配电系统变压器低压侧安装有源谐波处理器有效治理谐波。采用并联的方式将滤波器柜体安装在低压配电系统中，它的内部放置有源谐波处理器，借助有源谐波治理原理抵消低压配电系统中产生的谐波电流，保障低压配电系统运行的稳定性和供电效率。同时，将滤波器柜体安置在低压配电柜后方位置，以电缆连接的方式向滤波器输送电能[5]。

3.3 X地通信局站谐波治理效果评估及分析

3.3.1 UPS系统谐波治理效果评估及分析

对比谐波治理前后的UPS系统电流波形发现，UPS系统经谐波治理后电流波形更接近正弦波，表明治理后谐波电流抑制效果较好。对比谐波治理前后的UPS系统功率因数发现，UPS谐波治理后功率因数有所提升，表明谐波治理后提升了USP系统运行效率，降低了电力资源的消耗。UPS系统谐波治理前谐波电流畸变率为37%，治理后谐波电流畸变率为3.9%，因此UPS系统经谐波治理后电流畸变率显著降低。

3.3.2 开关电源系统谐波治理效果评估及分析

通过分析实测数据发现，谐波治理后开关电源系统电流波形接近正弦波形，谐波电流畸变率由27.2%降低至7.2%，减少了谐波对电缆降容的影响，很大程度上消除了开关电源对供电系统的谐波污染。另外，开关电源输入电流减小了5 A，起到了降低线路电能损耗的效果。

3.3.3 低压配电系统谐波治理效果评估及分析

低压配电系统经谐波治理后，它的电流波形为平滑正弦波形，谐波电流畸变率由13.3%降低至4.1%。此外，A、B、C配电系统谐波电流含量、开关故障率以及电缆温升均有不同程度的降低，各配电系统电流有效值提升，各项性能均有所改善。据估计，谐波治理后每日可节约电能9.6 kW·h，有助于通信企业的降本增效。

4 结 论

采用合理的谐波治理技术不仅能够有效降低谐波对通信电源系统设备及电网运行的危害，还能提高供电及电能使用效率，符合我国节能减排的要求。通信电源系统是通信行业发展的核心，当前各地区通信局站通信电源系统布置方式有所不同，因此在应用谐波治理技术时应因地制宜。虽然有源谐波治理相对于无源谐波治理来说成本昂贵且技术要求较高，但总体滤波效果较好。实际的谐波治理中，可以根据通信电源系统实际运行情况,采用有源谐波处理器与无源谐波处理器混合使用的谐波治理技术，使两者优势互补，降低谐波治理成本，提高谐波治理效果。此外，通信电源系统谐波治理需要综合对比不同谐波治理技术的成本和效率等，以保证技术性与经济性相统一。当前各大通信运营商积极推进通信电源系统谐波综合治理工作，未来谐波治理技术将更为完善，实效性及普适性会更强，从而降低有源谐波处理器引入成本，促进通信行业健康和可持续发展。