通信電源系統(tǒng)中的諧波治理研究

張海濤，梁 軼，李倩楠

（中國人民解放軍31401部隊(duì)80分隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的更新?lián)Q代，網(wǎng)絡(luò)核心機(jī)房的規(guī)模和容量顯著增大。網(wǎng)絡(luò)核心機(jī)房中的兩種重要通信保障電源為UPS電源和高頻開關(guān)電源。非線性負(fù)載將基波能量轉(zhuǎn)換為高次諧波能量，并大量倒送向電網(wǎng)而引起危害故障。因此，展開研究通信機(jī)房電源諧波治理問題，旨在減少諧波對(duì)通信設(shè)備的危害，保障通信的安全可靠。

1 通信電源中諧波的產(chǎn)生機(jī)理與危害

1.1 通信電源設(shè)備簡介

通信系統(tǒng)以集成電路為主，受到的電磁干擾較多，因此需要良好的供電保障。通信電源系統(tǒng)一般分為交流供電、直流供電以及接地3部分。構(gòu)成通信電源系統(tǒng)的部件包括變配電設(shè)備、交直流電源設(shè)備以及蓄電池組等。其中，變電設(shè)備將10 kV電壓降至400 V的工業(yè)用電，再通過直流電源系統(tǒng)將400 V的工業(yè)用電整流為54 V的直流電，以供通信設(shè)備使用。交流電源系統(tǒng)將直流電逆變?yōu)?00 V的交流電，從而為交流通信負(fù)載供電[1]。直流電源系統(tǒng)與交流電源系統(tǒng)中均有蓄電池組，能夠提供短時(shí)間的負(fù)載供電，從而保證電源的連續(xù)穩(wěn)定。

1.2 諧波的概念

我國交流電的頻率為50 Hz，因此電網(wǎng)中任何非50 Hz的信號(hào)都是諧波。諧波與基波頻率比值為諧波次數(shù)。諧波中，電壓和電流的含量為：

電壓與電流的總諧波畸變率為：

式（1）和式（2）中，Uh和Ih為h次諧波的電壓與電流；式（3）和式（4）中，U1與I1為基波電壓與電流。

1.3 諧波的產(chǎn)生

產(chǎn)生諧波的原因是非線性阻抗特性負(fù)載。用電時(shí)，非線性阻抗特性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中的電流發(fā)生畸變。通信站中諧波的主要來源是大功率UPS、高頻開關(guān)電源、空調(diào)以及電梯等。其中，電梯和空調(diào)負(fù)載是感性負(fù)載，通過電容自動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備可很大程度上被抵消。因此，諧波更多來自于大功率UPS和高頻開關(guān)電源[2]。

1.4 諧波的危害

諧波會(huì)引進(jìn)噪聲，對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。高次諧波的趨膚效應(yīng)會(huì)增加導(dǎo)線損耗，降低線路傳輸能力，影響通信線路，從而影響通信質(zhì)量。諧波還會(huì)造成局部諧振，降低供電的安全性，甚至燒毀電容、保護(hù)元器件以及母排，從而影響機(jī)房安全。諧波電流導(dǎo)致變壓器損耗增加且器件發(fā)熱，加速絕緣介質(zhì)的老化，影響變壓器壽命。此外，諧波影響柴油發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組非線性負(fù)載阻抗較大，電壓畸變嚴(yán)重失真，所以會(huì)引起控制誤判停機(jī)。

2 諧波治理的方式

諧波治理的開展分為兩個(gè)方面，一方面是治理已經(jīng)產(chǎn)生的諧波，另一方面是減少未來諧波的產(chǎn)生。負(fù)載重大的通信站機(jī)房必然會(huì)存在一些突出的諧波，因此必須治理已有的諧波，同時(shí)要通過對(duì)設(shè)備和技術(shù)的升級(jí)換代減少諧波的產(chǎn)生。已有諧波的治理包括就地治理、區(qū)域治理以及集中治理。

就地治理是在UPS電源和開關(guān)電源的輸入輸出位置加裝濾波器，適用于設(shè)備數(shù)量較少的供電系統(tǒng)。在設(shè)備數(shù)量較大的系統(tǒng)使用此方法會(huì)消耗資源，增加成本。集中治理適用于大型綜合樞紐，能保障供電系統(tǒng)諧波治理的整體效果，確保系統(tǒng)接入公共電網(wǎng)時(shí)的諧波被控制在合理范圍內(nèi)。區(qū)域治理是一種折中的方式，一定程度上能夠減少設(shè)備數(shù)據(jù)，降低維護(hù)成本，保障一定范圍內(nèi)諧波治理的效果。

3 諧波治理的濾波器

3.1 有源濾波器

有源濾波器的基本思路是進(jìn)行諧波對(duì)消。檢測系統(tǒng)的電流（電壓）從中檢出諧波電流（電壓），然后通過電路分析生成與諧波相反的諧波電流（電壓）進(jìn)行對(duì)消補(bǔ)償。

有源濾波器接入電路時(shí)可以采用串聯(lián)方式或并聯(lián)方式。串聯(lián)型接入時(shí)，需要將濾波電感串聯(lián)在主回路中。這種傳入電感的方式間接增加了系統(tǒng)負(fù)載，且需要重新改造濾波裝置，成本較高。并聯(lián)型接入時(shí)，通信供電系統(tǒng)中負(fù)載增加，只需要增加相應(yīng)容量的濾波裝置即可，改造成本低。因此，有源濾波器接入電路通常采用并聯(lián)方式。并聯(lián)型有源濾波器電路如圖1所示。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器電路原理

有源濾波技術(shù)的特點(diǎn)鮮明：具有獨(dú)立的濾波特性，與系統(tǒng)阻抗無關(guān)，無阻抗諧振風(fēng)險(xiǎn)，不會(huì)產(chǎn)生激蕩電流；自適應(yīng)能力強(qiáng)，能夠自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償諧波的波形幅度，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；可有效抑制高次諧波電流，減少通信線路與設(shè)備的損耗。

3.2 無源濾波器

如圖2所示，無源濾波器基本上是由電容、電感以及電阻3種器件組成的LC濾波器，即利用諧振電路的阻抗，抑制設(shè)備的諧波電流入網(wǎng)。串聯(lián)LC電路諧振時(shí)阻抗很小，諧波電流進(jìn)入濾波回路并被濾除。LC濾波器使用的前提是諧振，不同頻率的諧波電流需配置不同諧振參數(shù)的LC濾波器。無源濾波器的結(jié)構(gòu)簡單且成本低，適用于諧波源單一的通信電源系統(tǒng)[3]。

圖2 LC無源濾波器

4 諧波治理前后效果對(duì)比

諧波治理某部隊(duì)通信站供電系統(tǒng)中的某UPS系統(tǒng)，得到諧波治理前后電流的測量結(jié)果如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，投入濾波器后，諧波電流畸變率由38%降至4%，諧波對(duì)UPS電源系統(tǒng)的污染大幅降低[4]，同時(shí)諧波電流降低了25 A，有效降低了線路損耗。

圖3 諧波治理前后電流的測量

5 結(jié) 論

通信電源系統(tǒng)諧波治理不僅降低了系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，還提高了電源系統(tǒng)的效率，延長了供電系統(tǒng)的壽命，節(jié)約了投資與維護(hù)成本，提升了供電系統(tǒng)的供電可靠性。未來，隨著通信系統(tǒng)的逐步擴(kuò)大，有效諧波治理將有助于通信事業(yè)的順利發(fā)展。