1 背景介紹
電能質(zhì)量(Power Quality)，從嚴(yán)格意思上講，衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講是指優(yōu)質(zhì)供電，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。其可以定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、瞬時(shí)或暫態(tài)過(guò)電壓、波形畸變(諧波)、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。
在通信機(jī)房中，開(kāi)關(guān)電源和UPS已成為機(jī)房?jī)?nèi)不可或缺的設(shè)備，可以向負(fù)載提供穩(wěn)壓精度高、穩(wěn)頻、波形失真小的高質(zhì)量電能，并且在靜態(tài)旁路切換時(shí)可以做到供電無(wú)間斷。但是，由于開(kāi)關(guān)電源和UPS均為非線性負(fù)載，它們?cè)诒ＷC輸出高精度電能的同時(shí)其本身又會(huì)在輸入端產(chǎn)生大量諧波電流，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染，也影響機(jī)房中其他敏感設(shè)備，使通信系統(tǒng)的變壓器、電纜、母排等設(shè)備的運(yùn)行損耗增大，也對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組、變壓器、電力電纜、電力電子設(shè)備、低壓電容等設(shè)備產(chǎn)生危害，降低了配電系統(tǒng)的安全性、可靠性。因此，通信機(jī)房必然面臨諧波治理問(wèn)題。
通信電源系統(tǒng)中的主要諧波源：非線性負(fù)荷。
(1)UPS諧波源
三相供電6脈沖橋式可控硅整流器的UPS電源，沒(méi)有3次諧波，5次、7次諧波顯著，三相12脈沖可控硅整流器時(shí)，11次、13次諧波最為顯著，而單相供電的UPS電源則以3次諧波為主。
對(duì)大功率UPS來(lái)說(shuō)，如果UPS整流裝置為三相全控橋6脈整流器，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近25%～33%。
當(dāng)UPS在不同的負(fù)載程度時(shí)，即在不同的工作相角時(shí)，其諧波的比例是不一樣的。一般負(fù)荷較小時(shí)，諧波較大;隨著負(fù)荷率的上升，諧波電流也增大，但由于基波的增大(分母變大)，諧波電流的比例會(huì)下降。
(2)開(kāi)關(guān)電源
開(kāi)關(guān)電源諧波含量較高的主要原因是由于在開(kāi)關(guān)電源中采用了電容濾波型橋式整流電路，致使輸入電流波形產(chǎn)生畸變。
開(kāi)關(guān)電源在向通信設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的48V電源的同時(shí)，也對(duì)交流電源側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重諧波污染，開(kāi)關(guān)電源諧波電流主要為5次、7次。
(3)計(jì)算機(jī)設(shè)備
電路中的開(kāi)關(guān)器件(二極管、三極管)及感性負(fù)載工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)而產(chǎn)生尖峰脈沖;機(jī)算機(jī)設(shè)備產(chǎn)生3次、5次和7次諧波為主的諧波。
(4)無(wú)功補(bǔ)償柜：屬于電容裝置，發(fā)電機(jī)、UPS電源設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源設(shè)備等為電感設(shè)備。電感和電容的組合，可能構(gòu)成共振回路，在共振頻率處產(chǎn)生大環(huán)流，當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償電容柜投入運(yùn)行后會(huì)引發(fā)共振并放大各次諧波。
由此看來(lái)，電能質(zhì)量的含義及范圍頗廣，但是在通訊行業(yè)里面，最主要的還是諧波以及功率因數(shù)低等問(wèn)題，大量的UPS以及開(kāi)關(guān)電源，是主要的諧波源，是導(dǎo)致該行業(yè)電能質(zhì)量差的主要因素，從而又間接影響FC的正常工作，本文將重點(diǎn)從諧波及無(wú)功的角度來(lái)分析通訊行業(yè)的電能治理問(wèn)題。
2 如何提高通訊行業(yè)電能質(zhì)量
2.1 濾除諧波的手段
隨著時(shí)間的發(fā)展，從上世紀(jì)80年代至今，諧波以及諧波的危害已經(jīng)越來(lái)越被大家所熟悉。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣裝備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。
目前，通訊行業(yè)主要采用有源電力濾波的方式，與無(wú)源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，其具體特點(diǎn)如下：
(1)濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);
(2)具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。
(3)盡管有源電力濾波器有著無(wú)源濾波器所不具備的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無(wú)源濾波器還不太現(xiàn)實(shí)。這是因?yàn)榕c無(wú)源濾波器相比較，有源電力濾波器的成本較高，這一點(diǎn)是限制其推廣使用的關(guān)鍵。
有源電力濾波器分為兩種：并聯(lián)型有源電力濾波器及串聯(lián)型電力濾波器，并聯(lián)型電力濾波器主要解決諧波電流問(wèn)題;串聯(lián)型電力濾波器主要解決諧波電壓?jiǎn)栴}。它們的原理基本相同，并聯(lián)型有源濾波器檢測(cè)負(fù)載電流，通過(guò)相應(yīng)算法計(jì)算出其諧波電流，然后發(fā)出與負(fù)載諧波電流大小相等、方向相反的電流，與負(fù)載諧波電流相互抵消，以達(dá)到減小電網(wǎng)側(cè)諧波電流的目的，其工作原理如圖1所示。
2.2 使用有源濾波需要注意的問(wèn)題
中國(guó)的低壓配電系統(tǒng)，不論是不同行業(yè)或者是相同行業(yè)，各有各的特點(diǎn)，通訊行業(yè)采用的UPS及開(kāi)關(guān)電源廠家不同，雖然都產(chǎn)生5次、7次、11次或者13次諧波(6脈整流)，或者產(chǎn)生21次、23次(12脈整流)高次諧波，但是系統(tǒng)的諧波特性有很大的區(qū)別，如果不針對(duì)特定的負(fù)載采取特殊的手段，使用有源濾波器時(shí)，負(fù)載側(cè)諧波電流會(huì)被放大，有可能對(duì)UPS開(kāi)關(guān)電源造成影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀UPS。某一通訊行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用有源濾波器后的實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。
結(jié)論：從實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，負(fù)載側(cè)畸變率從補(bǔ)償前25.9%升至37.1%，最終的補(bǔ)償后電流畸變率降至3.7%。不論是實(shí)際測(cè)試還是仿真，波形畸變都會(huì)加劇，有源濾波器可能會(huì)放大負(fù)載側(cè)諧波含量，所以我們建議客戶在使用APF之前進(jìn)行專業(yè)的電能質(zhì)量測(cè)試，或者將負(fù)載的相關(guān)參數(shù)提供給有經(jīng)驗(yàn)的有源電力濾波器制造廠家。采取一些特殊的手段，更進(jìn)一步保障負(fù)載設(shè)備的用電安全和可靠性，保證最佳的補(bǔ)償效果。
2.3 使用SVG提高功率因數(shù)
SVG最為現(xiàn)在最先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，是電力電子高速發(fā)展的產(chǎn)物，具有無(wú)源設(shè)備無(wú)法比擬的優(yōu)越性，使用SVG可以完全不受諧波影響，可以保證功率因數(shù)在0.99左右，補(bǔ)償效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)源設(shè)備。
于普通無(wú)源設(shè)備(包括SVC，F(xiàn)C等)相比，有源無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備(SVG)的優(yōu)勢(shì)在于：
(1)SVG不會(huì)過(guò)補(bǔ)也不會(huì)欠補(bǔ)，保證供電系統(tǒng)的用電安全;
(2)SVG的實(shí)際補(bǔ)償容量和設(shè)備容量一致，占地面積不到同容量無(wú)源設(shè)備的一半;
(3)SVG不會(huì)和系統(tǒng)發(fā)生諧振，保證供電系統(tǒng)的用電安全;
(4)SVG正常后期維護(hù)費(fèi)用為零，而無(wú)源設(shè)備的電容有壽命約束，到一定時(shí)間需要更換所有電容，其后期維護(hù)費(fèi)用大;
(5)SVG響應(yīng)速度更快，全響應(yīng)時(shí)間不到10ms;
(6)SVG本身諧波含量極低。
(7)SVG使用效率高，補(bǔ)償效果優(yōu)于無(wú)源設(shè)備;
(8)SVG本身?yè)p耗極小，遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)源設(shè)備。
無(wú)源設(shè)備存在著后期維護(hù)費(fèi)用，分級(jí)投切容易過(guò)補(bǔ)或者欠補(bǔ)，容易和系統(tǒng)發(fā)生諧振，將諧波放大，影響配電系統(tǒng)的供電安全，而SVG可以很好解決這些問(wèn)題。
SVG設(shè)備保證功率因數(shù)可以達(dá)到0.99(在設(shè)備容量夠的情況下)，保證平均功率因數(shù)可以達(dá)到0.97以上，要優(yōu)于無(wú)源設(shè)備的補(bǔ)償效果。具體對(duì)比如表2所示：
2.4 使用T-SVG提高功率因數(shù)
由于SVG高昂的價(jià)格讓很多通信用戶望而止步，但是，T-SVG的推出(小容量SVG模塊于普通電容電抗組合使用)，結(jié)合了普通無(wú)源產(chǎn)品和SVG的優(yōu)點(diǎn)，降低成本的同時(shí)，保證了補(bǔ)償效果，是無(wú)源產(chǎn)品向SVG過(guò)渡的最佳替代品。
