通信電源系統節能方案構成及設計分析

王宏利

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 通信電源系統節能方案構成

1.1 電源變壓設備

電源變壓設備能夠結合通信電源系統具體運行情況做出變壓調整，變壓設備的容量、功率、運行模式等都會直接影響通信電源系統的節能效果。運營商需要結合通信電源系統實際運行參數及需求，科學選擇變壓設備數量[1]。

通信電源系統一般選擇SCB9變壓器、SCB10變壓器。該系列變壓器的應用性能、運行穩定性、運行損耗、運行質量要優于傳統SL7變壓器、S7變壓器。SCBH15變壓器的應用性能更高，其空載損耗僅為SCB9變壓器、SCB10變壓器的30%，但是由于生產價格較高、占地面積較大，目前尚未實現大規模生產及應用，在今后的通信電源系統及節能方案設計中可以考慮應用。3種變壓器在不同容量下的基本數據對比如表1所示。

表1 SCB9變壓器、SCB10變壓器、SCBH15變壓器基本數據對比

1.2 電容補償設備

在通信電源系統中，電容補償是有效的設備功率補償手段，通過電容補償設備一般能夠實現對于通信電源設備運行消耗能源的有效控制。運營商需要綜合電纜鋪設模式、電纜使用數量、電纜截面面積等因素，科學選擇電容補償設備，從而降低通信電源系統線路損耗[2]。

通信電源系統一般選擇ES—2010低壓無功動態補償裝置（適合小區、電力、化工等配電系統構建）、ES—2011高壓無功自動補償裝置（適合6 kV或10 kV、負荷波動較大的變電站配電系統構建）、ES—2012高壓無功就地補償裝置（適合電力、化工、機械制造等大功率設備配電系統構建）、ES—2013高壓無功固定補償裝置（適合不需要進行自動控制、負荷穩定的電力、化工配電系統構建）。

1.3 功率補償設備

功率補償設備是通信電源系統節能方案設計的關鍵因素，通過科學、合理的無功率補償方案，能夠合理優化系統負荷，帶動更多的系統負載。運營商需要科學選擇、應用功率補償設備，降低通信電源系統消耗的電壓和電流，同時提高系統節能效能和安全效能[3]。

通信電源系統一般選擇靜止無功補償裝置（Static Var Compensator，SVC）、靜止無功發生裝置（Static Var Generator，SVG）。SVC是應用范圍最廣的功率補償設備，按照投切設備可以劃分為電力電子型、機械投切型兩大類型。SVG屬于新型功率補償設備，具有響應速度較快、高頻次諧波產生量較少、運行噪音較小等應用優勢。

2 通信電源系統節能方案設計

2.1 選擇經濟型電源變壓設備

在通信電源系統節能方案設計過程中，運營商需要準確分析電源變壓設備運行經濟性，具體分析指標包括空載損耗、負載損耗，便于選擇性價比更高的變壓器。研究實驗表明，變壓器損耗會受到負荷電流、環境條件等多項因素的影響，但是總體來講，空載損耗與容量沒有明顯關系，負載損耗與負載率的平方呈現為正相關關系[4]。

基于此，能夠得到變壓器有功損耗計算公式為

式中：β表示變壓器負載；Sc表示變壓器計算負荷，kVA；Sr表示變壓器額定容量，kVA。

通過式（1）、式（2），能夠實現對于變壓器有功損耗的準確計算，從而總結變壓器的臨界負荷。在通信電源系統實際運行過程中，運營商可以結合具體情況調整變壓器運行模式，確保變壓器運行的穩定性和安全性，最終實現節能降耗的根本目標。

2.2 合理分配變壓設備負載

從變壓設備負載分配角度開展通信電源系統節能方案設計，不但能夠提高變壓器負載分配合理程度，還能夠減少變壓器電能損耗和功能損耗[5]。

現假設變壓器的數量為n臺，能夠形成一個變壓器群，確定變壓器總負載并且保持不變。基于上述變壓器總負載條件下，運營商能夠通過調整總銅損，實現不均衡變壓器附加損耗的準確控制。具體來講，運營商需要令n臺變壓器的規格、型號保持相同，從而得到一致的變壓器負載率，將總銅損降到最低范圍，減少通信電源系統運行能源消耗量。如果運營商無法確保變壓器負載率的一致，便會導致不均衡附加銅損，此時，不均衡附加銅損數值與變壓器負載率差值的平方呈現為正相關關系。

2.3 應用高壓直流供電系統

目前，大部分運營商選擇應用-48 V直流供電系統，其應用優勢主要包括運行效率較高、可靠性較高、電壓較低、輸入諧波量較少、功率因數較高等，由于應用的是直流并聯模式，能夠避免傳統不間斷電源系統可能出現的主機并聯問題[6]。但是，-48 V直流供電系統在實際應用過程中會面臨部分問題，例如：電壓較低導致電流較高，部分設備的電流能夠接近500 A；蓄電池容量較大，需要配置容量更大的充電裝置。

鑒于不間斷電源系統、-48 V直流供電系統在通信電源系統中的應用均或多或少存在問題，部分運營商選擇應用高壓直流供電系統，不但能夠省略不間斷電源系統中的逆變和整流操作，而且不需要設置專門的濾波設備和隔離變壓器。

高壓直流供電系統應用特征主要如下：系統應用直流并機模式，簡化了傳統充電管理、供電管理環節，因此具有較高的運行效率和運行可靠性；系統電路結構得到了簡化，因此系統占地面積較小；系統整流器輸出功率得到了降低，因此能夠適當降低蓄電池容量；（4）由于系統建設環節較少，因此能夠降低通信電源系統節能方案設計及實施成本，減少了運營商對于通信電源系統建設的投資。

2.4 應用高運行效率整流器

高運行效率整流器在通信電源系統中的應用，能夠起到顯著的資源節約效果。隨著電子技術的完善及電力理論的發展，整流器已經經過了多個發展階段，目前普遍應用第三代高頻開關整流器、軟開關技術高頻整流器、高效整流器，均屬于高運行效率整流器。

第三代高頻開關整流器基本電路如圖1所示，應用的是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Tronsistor，IGBT）開關元件，運行效率較一代、二代得到了顯著提高，最高可以達到90%～92%。整流器搭載了先進網絡技術，具備完善的網絡功能[7]。

圖1 第三代高頻開關整流器基本電路圖

軟開關技術高頻整流器應用的是IGBT開關元件，屬于新型整流器，標志著通信電源系統功耗減低上升到了新的高度，同時能夠降低通信電源的自身重量、占地面積、運行溫度，減少了通信電源運行對于所處環境的要求。整流器內設監控模塊，能夠實現對于軟開關冗余整流模塊的有效控制，使得整流模塊實現輪流休眠，通信電源系統能夠盡量接近最佳運行效率，同時將休眠狀態下的整流模塊的運行損耗降到最低，從系統運行和系統休眠2個層次節約電力資源，同時能夠延長休眠狀態下整流模塊的應用壽命。

高效整流器應用的是SiC、CoolMOS開關元件，運行效率可以達到96%，為目前高運行效率整流器的最終形態。與前2種高運行效率整流器相比，高效整流器的電路拓撲結構得到了全面改進，這是其運行效率能夠得到大幅度提高的根本原因。主要的高效整流器電路拓撲結構包括功率因數校正（Power Factor Correcyion，PFC）電路、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電路。PFC電路應用無橋連接方式，應用SiC開關元件能夠通過零恢復二極管減少通信電源開關損耗，完善通信電源電磁兼容性能；應用CoolMOS開關元件能夠減少通信電源導通損耗，同時實現電壓調節。DC/DC電路應用邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）全橋連接方式，應用高性能開關元件，提升通信電源運行效率。

常見高運行效率整流器基本參數對比如表2所示。

表2 第三代高頻開關整流器、軟開關技術高頻整流器、高效整流器基本參數對比

2.5 治理低壓供電系統諧波

諧波治理能夠減少諧波對于通信電源系統設備運行性能的影響，一方面提高系統和設備運行安全性，另一方面減少系統和設備的運行損耗。治理低壓供電系統諧波的方法主要包括減少諧波產生量、安裝濾波裝置、選擇有效諧波治理方式3種。

整流器是通信電源系統產生諧波量最多的元件，也是減少諧波產生量的關鍵切入點。運營商可以通過有源功率因數校正技術增加整流器的功率因數，從而減少諧波量。運營商可以增加整流器的脈沖數，推動整流器向高頻化方向完善，同樣能夠減少諧波量。如果需要新增通信電源，可以提高對于電源諧波量的要求，避免應用諧波量不達標的電源。

濾波裝置包括無源濾波器、有源濾波器2種。通信電源系統阻抗、濾波器阻抗決定了無源濾波器的濾波特性，如果通信電源系統的運行方式發生了變化，系統抗阻便會隨之變化，從而對濾波器濾波特性造成嚴重影響，因此基本上已經被有源濾波器取代。有源濾波器主要安裝在通信電源系統諧波源附近、變壓器低壓側，能夠通過外部互感器采集電流信號，并且有效分離諧波部分；有源濾波器逆變得到補償電流大小與諧波量相等、相位相反，能夠有效去除諧波部分。根據外部互感器連接位置、諧波產生位置，能夠將有源濾波器諧波控制分為閉環控制和開環控制2種，能夠有效去除通信電源系統零序諧波、3次諧波。

諧波治理方式包括集中治理、就地治理、區域治理3種。集中治理指在通信電源系統變壓器低壓側安裝有源濾波器，對系統諧波進行統一治理，治理工程量較少，安裝作業較為集中，有利于后續運行維護。就地治理指結合諧波量就地進行治理，能夠將諧波影響降到最低，最大限度減少電能損耗，但是安裝及后期運行維護難度較大。區域治理指的是對通信電源系統中同一種類型的諧波進行統一治理，同時結合了上述2種治理方式的優勢，屬于最佳諧波治理方式。

3 結 論

綜上所述，通信電源系統節能方案基本由電源變壓設備、電容補償設備、功率補償設備3種設備構成，為了確保通信電源系統節能效果，運營商在通信電源系統節能方案設計過程中可以選擇經濟型電源變壓設備、合理分配變壓設備負載、應用高壓直流供電系統、應用高運行效率整流器以及治理低壓供電系統諧波。本次提出的通信電源系統節能措施適合在通信行業進行推廣及應用，從而獲得理想節能效果，運營商也需要強化對于相關節能產品的開發。