通信电源系统节能方案构成及设计分析

王宏利

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

1 通信电源系统节能方案构成

1.1 电源变压设备

电源变压设备能够结合通信电源系统具体运行情况做出变压调整，变压设备的容量、功率、运行模式等都会直接影响通信电源系统的节能效果。运营商需要结合通信电源系统实际运行参数及需求，科学选择变压设备数量[1]。

通信电源系统一般选择SCB9变压器、SCB10变压器。该系列变压器的应用性能、运行稳定性、运行损耗、运行质量要优于传统SL7变压器、S7变压器。SCBH15变压器的应用性能更高，其空载损耗仅为SCB9变压器、SCB10变压器的30%，但是由于生产价格较高、占地面积较大，目前尚未实现大规模生产及应用，在今后的通信电源系统及节能方案设计中可以考虑应用。3种变压器在不同容量下的基本数据对比如表1所示。

表1 SCB9变压器、SCB10变压器、SCBH15变压器基本数据对比

1.2 电容补偿设备

在通信电源系统中，电容补偿是有效的设备功率补偿手段，通过电容补偿设备一般能够实现对于通信电源设备运行消耗能源的有效控制。运营商需要综合电缆铺设模式、电缆使用数量、电缆截面面积等因素，科学选择电容补偿设备，从而降低通信电源系统线路损耗[2]。

通信电源系统一般选择ES—2010低压无功动态补偿装置（适合小区、电力、化工等配电系统构建）、ES—2011高压无功自动补偿装置（适合6 kV或10 kV、负荷波动较大的变电站配电系统构建）、ES—2012高压无功就地补偿装置（适合电力、化工、机械制造等大功率设备配电系统构建）、ES—2013高压无功固定补偿装置（适合不需要进行自动控制、负荷稳定的电力、化工配电系统构建）。

1.3 功率补偿设备

功率补偿设备是通信电源系统节能方案设计的关键因素，通过科学、合理的无功率补偿方案，能够合理优化系统负荷，带动更多的系统负载。运营商需要科学选择、应用功率补偿设备，降低通信电源系统消耗的电压和电流，同时提高系统节能效能和安全效能[3]。

通信电源系统一般选择静止无功补偿装置（Static Var Compensator，SVC）、静止无功发生装置（Static Var Generator，SVG）。SVC是应用范围最广的功率补偿设备，按照投切设备可以划分为电力电子型、机械投切型两大类型。SVG属于新型功率补偿设备，具有响应速度较快、高频次谐波产生量较少、运行噪音较小等应用优势。

2 通信电源系统节能方案设计

2.1 选择经济型电源变压设备

在通信电源系统节能方案设计过程中，运营商需要准确分析电源变压设备运行经济性，具体分析指标包括空载损耗、负载损耗，便于选择性价比更高的变压器。研究实验表明，变压器损耗会受到负荷电流、环境条件等多项因素的影响，但是总体来讲，空载损耗与容量没有明显关系，负载损耗与负载率的平方呈现为正相关关系[4]。

基于此，能够得到变压器有功损耗计算公式为

式中：β表示变压器负载；Sc表示变压器计算负荷，kVA；Sr表示变压器额定容量，kVA。

通过式（1）、式（2），能够实现对于变压器有功损耗的准确计算，从而总结变压器的临界负荷。在通信电源系统实际运行过程中，运营商可以结合具体情况调整变压器运行模式，确保变压器运行的稳定性和安全性，最终实现节能降耗的根本目标。

2.2 合理分配变压设备负载

从变压设备负载分配角度开展通信电源系统节能方案设计，不但能够提高变压器负载分配合理程度，还能够减少变压器电能损耗和功能损耗[5]。

现假设变压器的数量为n台，能够形成一个变压器群，确定变压器总负载并且保持不变。基于上述变压器总负载条件下，运营商能够通过调整总铜损，实现不均衡变压器附加损耗的准确控制。具体来讲，运营商需要令n台变压器的规格、型号保持相同，从而得到一致的变压器负载率，将总铜损降到最低范围，减少通信电源系统运行能源消耗量。如果运营商无法确保变压器负载率的一致，便会导致不均衡附加铜损，此时，不均衡附加铜损数值与变压器负载率差值的平方呈现为正相关关系。

2.3 应用高压直流供电系统

目前，大部分运营商选择应用-48 V直流供电系统，其应用优势主要包括运行效率较高、可靠性较高、电压较低、输入谐波量较少、功率因数较高等，由于应用的是直流并联模式，能够避免传统不间断电源系统可能出现的主机并联问题[6]。但是，-48 V直流供电系统在实际应用过程中会面临部分问题，例如：电压较低导致电流较高，部分设备的电流能够接近500 A；蓄电池容量较大，需要配置容量更大的充电装置。

鉴于不间断电源系统、-48 V直流供电系统在通信电源系统中的应用均或多或少存在问题，部分运营商选择应用高压直流供电系统，不但能够省略不间断电源系统中的逆变和整流操作，而且不需要设置专门的滤波设备和隔离变压器。

高压直流供电系统应用特征主要如下：系统应用直流并机模式，简化了传统充电管理、供电管理环节，因此具有较高的运行效率和运行可靠性；系统电路结构得到了简化，因此系统占地面积较小；系统整流器输出功率得到了降低，因此能够适当降低蓄电池容量；（4）由于系统建设环节较少，因此能够降低通信电源系统节能方案设计及实施成本，减少了运营商对于通信电源系统建设的投资。

2.4 应用高运行效率整流器

高运行效率整流器在通信电源系统中的应用，能够起到显著的资源节约效果。随着电子技术的完善及电力理论的发展，整流器已经经过了多个发展阶段，目前普遍应用第三代高频开关整流器、软开关技术高频整流器、高效整流器，均属于高运行效率整流器。

第三代高频开关整流器基本电路如图1所示，应用的是绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Tronsistor，IGBT）开关元件，运行效率较一代、二代得到了显著提高，最高可以达到90%～92%。整流器搭载了先进网络技术，具备完善的网络功能[7]。

图1 第三代高频开关整流器基本电路图

软开关技术高频整流器应用的是IGBT开关元件，属于新型整流器，标志着通信电源系统功耗减低上升到了新的高度，同时能够降低通信电源的自身重量、占地面积、运行温度，减少了通信电源运行对于所处环境的要求。整流器内设监控模块，能够实现对于软开关冗余整流模块的有效控制，使得整流模块实现轮流休眠，通信电源系统能够尽量接近最佳运行效率，同时将休眠状态下的整流模块的运行损耗降到最低，从系统运行和系统休眠2个层次节约电力资源，同时能够延长休眠状态下整流模块的应用寿命。

高效整流器应用的是SiC、CoolMOS开关元件，运行效率可以达到96%，为目前高运行效率整流器的最终形态。与前2种高运行效率整流器相比，高效整流器的电路拓扑结构得到了全面改进，这是其运行效率能够得到大幅度提高的根本原因。主要的高效整流器电路拓扑结构包括功率因数校正（Power Factor Correcyion，PFC）电路、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）电路。PFC电路应用无桥连接方式，应用SiC开关元件能够通过零恢复二极管减少通信电源开关损耗，完善通信电源电磁兼容性能；应用CoolMOS开关元件能够减少通信电源导通损耗，同时实现电压调节。DC/DC电路应用逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）全桥连接方式，应用高性能开关元件，提升通信电源运行效率。

常见高运行效率整流器基本参数对比如表2所示。

表2 第三代高频开关整流器、软开关技术高频整流器、高效整流器基本参数对比

2.5 治理低压供电系统谐波

谐波治理能够减少谐波对于通信电源系统设备运行性能的影响，一方面提高系统和设备运行安全性，另一方面减少系统和设备的运行损耗。治理低压供电系统谐波的方法主要包括减少谐波产生量、安装滤波装置、选择有效谐波治理方式3种。

整流器是通信电源系统产生谐波量最多的元件，也是减少谐波产生量的关键切入点。运营商可以通过有源功率因数校正技术增加整流器的功率因数，从而减少谐波量。运营商可以增加整流器的脉冲数，推动整流器向高频化方向完善，同样能够减少谐波量。如果需要新增通信电源，可以提高对于电源谐波量的要求，避免应用谐波量不达标的电源。

滤波装置包括无源滤波器、有源滤波器2种。通信电源系统阻抗、滤波器阻抗决定了无源滤波器的滤波特性，如果通信电源系统的运行方式发生了变化，系统抗阻便会随之变化，从而对滤波器滤波特性造成严重影响，因此基本上已经被有源滤波器取代。有源滤波器主要安装在通信电源系统谐波源附近、变压器低压侧，能够通过外部互感器采集电流信号，并且有效分离谐波部分；有源滤波器逆变得到补偿电流大小与谐波量相等、相位相反，能够有效去除谐波部分。根据外部互感器连接位置、谐波产生位置，能够将有源滤波器谐波控制分为闭环控制和开环控制2种，能够有效去除通信电源系统零序谐波、3次谐波。

谐波治理方式包括集中治理、就地治理、区域治理3种。集中治理指在通信电源系统变压器低压侧安装有源滤波器，对系统谐波进行统一治理，治理工程量较少，安装作业较为集中，有利于后续运行维护。就地治理指结合谐波量就地进行治理，能够将谐波影响降到最低，最大限度减少电能损耗，但是安装及后期运行维护难度较大。区域治理指的是对通信电源系统中同一种类型的谐波进行统一治理，同时结合了上述2种治理方式的优势，属于最佳谐波治理方式。

3 结 论

综上所述，通信电源系统节能方案基本由电源变压设备、电容补偿设备、功率补偿设备3种设备构成，为了确保通信电源系统节能效果，运营商在通信电源系统节能方案设计过程中可以选择经济型电源变压设备、合理分配变压设备负载、应用高压直流供电系统、应用高运行效率整流器以及治理低压供电系统谐波。本次提出的通信电源系统节能措施适合在通信行业进行推广及应用，从而获得理想节能效果，运营商也需要强化对于相关节能产品的开发。