王宏利

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案構(gòu)成

1.1 電源變壓設(shè)備

電源變壓設(shè)備能夠結(jié)合通信電源系統(tǒng)具體運(yùn)行情況做出變壓調(diào)整，變壓設(shè)備的容量、功率、運(yùn)行模式等都會(huì)直接影響通信電源系統(tǒng)的節(jié)能效果。運(yùn)營(yíng)商需要結(jié)合通信電源系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)及需求，科學(xué)選擇變壓設(shè)備數(shù)量[1]。

通信電源系統(tǒng)一般選擇SCB9變壓器、SCB10變壓器。該系列變壓器的應(yīng)用性能、運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行損耗、運(yùn)行質(zhì)量要優(yōu)于傳統(tǒng)SL7變壓器、S7變壓器。SCBH15變壓器的應(yīng)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(chǎn)價(jià)格較高、占地面積較大，目前尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用，在今后的通信電源系統(tǒng)及節(jié)能方案設(shè)計(jì)中可以考慮應(yīng)用。3種變壓器在不同容量下的基本數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 SCB9變壓器、SCB10變壓器、SCBH15變壓器基本數(shù)據(jù)對(duì)比

1.2 電容補(bǔ)償設(shè)備

在通信電源系統(tǒng)中，電容補(bǔ)償是有效的設(shè)備功率補(bǔ)償手段，通過(guò)電容補(bǔ)償設(shè)備一般能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于通信電源設(shè)備運(yùn)行消耗能源的有效控制。運(yùn)營(yíng)商需要綜合電纜鋪設(shè)模式、電纜使用數(shù)量、電纜截面面積等因素，科學(xué)選擇電容補(bǔ)償設(shè)備，從而降低通信電源系統(tǒng)線路損耗[2]。

通信電源系統(tǒng)一般選擇ES—2010低壓無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置（適合小區(qū)、電力、化工等配電系統(tǒng)構(gòu)建）、ES—2011高壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置（適合6 kV或10 kV、負(fù)荷波動(dòng)較大的變電站配電系統(tǒng)構(gòu)建）、ES—2012高壓無(wú)功就地補(bǔ)償裝置（適合電力、化工、機(jī)械制造等大功率設(shè)備配電系統(tǒng)構(gòu)建）、ES—2013高壓無(wú)功固定補(bǔ)償裝置（適合不需要進(jìn)行自動(dòng)控制、負(fù)荷穩(wěn)定的電力、化工配電系統(tǒng)構(gòu)建）。

1.3 功率補(bǔ)償設(shè)備

功率補(bǔ)償設(shè)備是通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，通過(guò)科學(xué)、合理的無(wú)功率補(bǔ)償方案，能夠合理優(yōu)化系統(tǒng)負(fù)荷，帶動(dòng)更多的系統(tǒng)負(fù)載。運(yùn)營(yíng)商需要科學(xué)選擇、應(yīng)用功率補(bǔ)償設(shè)備，降低通信電源系統(tǒng)消耗的電壓和電流，同時(shí)提高系統(tǒng)節(jié)能效能和安全效能[3]。

通信電源系統(tǒng)一般選擇靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，SVC）、靜止無(wú)功發(fā)生裝置（Static Var Generator，SVG）。SVC是應(yīng)用范圍最廣的功率補(bǔ)償設(shè)備，按照投切設(shè)備可以劃分為電力電子型、機(jī)械投切型兩大類型。SVG屬于新型功率補(bǔ)償設(shè)備，具有響應(yīng)速度較快、高頻次諧波產(chǎn)生量較少、運(yùn)行噪音較小等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)

2.1 選擇經(jīng)濟(jì)型電源變壓設(shè)備

在通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商需要準(zhǔn)確分析電源變壓設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，具體分析指標(biāo)包括空載損耗、負(fù)載損耗，便于選擇性價(jià)比更高的變壓器。研究實(shí)驗(yàn)表明，變壓器損耗會(huì)受到負(fù)荷電流、環(huán)境條件等多項(xiàng)因素的影響，但是總體來(lái)講，空載損耗與容量沒(méi)有明顯關(guān)系，負(fù)載損耗與負(fù)載率的平方呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系[4]。

基于此，能夠得到變壓器有功損耗計(jì)算公式為

式中：β表示變壓器負(fù)載；Sc表示變壓器計(jì)算負(fù)荷，kVA；Sr表示變壓器額定容量，kVA。

通過(guò)式（1）、式（2），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于變壓器有功損耗的準(zhǔn)確計(jì)算，從而總結(jié)變壓器的臨界負(fù)荷。在通信電源系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)營(yíng)商可以結(jié)合具體情況調(diào)整變壓器運(yùn)行模式，確保變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的根本目標(biāo)。

2.2 合理分配變壓設(shè)備負(fù)載

從變壓設(shè)備負(fù)載分配角度開展通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)，不但能夠提高變壓器負(fù)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(xiàn)假設(shè)變壓器的數(shù)量為n臺(tái)，能夠形成一個(gè)變壓器群，確定變壓器總負(fù)載并且保持不變?；谏鲜鲎儔浩骺傌?fù)載條件下，運(yùn)營(yíng)商能夠通過(guò)調(diào)整總銅損，實(shí)現(xiàn)不均衡變壓器附加損耗的準(zhǔn)確控制。具體來(lái)講，運(yùn)營(yíng)商需要令n臺(tái)變壓器的規(guī)格、型號(hào)保持相同，從而得到一致的變壓器負(fù)載率，將總銅損降到最低范圍，減少通信電源系統(tǒng)運(yùn)行能源消耗量。如果運(yùn)營(yíng)商無(wú)法確保變壓器負(fù)載率的一致，便會(huì)導(dǎo)致不均衡附加銅損，此時(shí)，不均衡附加銅損數(shù)值與變壓器負(fù)載率差值的平方呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。

2.3 應(yīng)用高壓直流供電系統(tǒng)

目前，大部分運(yùn)營(yíng)商選擇應(yīng)用-48 V直流供電系統(tǒng)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要包括運(yùn)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(shù)較高等，由于應(yīng)用的是直流并聯(lián)模式，能夠避免傳統(tǒng)不間斷電源系統(tǒng)可能出現(xiàn)的主機(jī)并聯(lián)問(wèn)題[6]。但是，-48 V直流供電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)面臨部分問(wèn)題，例如：電壓較低導(dǎo)致電流較高，部分設(shè)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(tǒng)、-48 V直流供電系統(tǒng)在通信電源系統(tǒng)中的應(yīng)用均或多或少存在問(wèn)題，部分運(yùn)營(yíng)商選擇應(yīng)用高壓直流供電系統(tǒng)，不但能夠省略不間斷電源系統(tǒng)中的逆變和整流操作，而且不需要設(shè)置專門的濾波設(shè)備和隔離變壓器。

高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用特征主要如下：系統(tǒng)應(yīng)用直流并機(jī)模式，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)充電管理、供電管理環(huán)節(jié)，因此具有較高的運(yùn)行效率和運(yùn)行可靠性；系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，因此系統(tǒng)占地面積較?。幌到y(tǒng)整流器輸出功率得到了降低，因此能夠適當(dāng)降低蓄電池容量；（4）由于系統(tǒng)建設(shè)環(huán)節(jié)較少，因此能夠降低通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)及實(shí)施成本，減少了運(yùn)營(yíng)商對(duì)于通信電源系統(tǒng)建設(shè)的投資。

2.4 應(yīng)用高運(yùn)行效率整流器

高運(yùn)行效率整流器在通信電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠起到顯著的資源節(jié)約效果。隨著電子技術(shù)的完善及電力理論的發(fā)展，整流器已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多個(gè)發(fā)展階段，目前普遍應(yīng)用第三代高頻開關(guān)整流器、軟開關(guān)技術(shù)高頻整流器、高效整流器，均屬于高運(yùn)行效率整流器。

第三代高頻開關(guān)整流器基本電路如圖1所示，應(yīng)用的是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Tronsistor，IGBT）開關(guān)元件，運(yùn)行效率較一代、二代得到了顯著提高，最高可以達(dá)到90%～92%。整流器搭載了先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備完善的網(wǎng)絡(luò)功能[7]。

圖1 第三代高頻開關(guān)整流器基本電路圖

軟開關(guān)技術(shù)高頻整流器應(yīng)用的是IGBT開關(guān)元件，屬于新型整流器，標(biāo)志著通信電源系統(tǒng)功耗減低上升到了新的高度，同時(shí)能夠降低通信電源的自身重量、占地面積、運(yùn)行溫度，減少了通信電源運(yùn)行對(duì)于所處環(huán)境的要求。整流器內(nèi)設(shè)監(jiān)控模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于軟開關(guān)冗余整流模塊的有效控制，使得整流模塊實(shí)現(xiàn)輪流休眠，通信電源系統(tǒng)能夠盡量接近最佳運(yùn)行效率，同時(shí)將休眠狀態(tài)下的整流模塊的運(yùn)行損耗降到最低，從系統(tǒng)運(yùn)行和系統(tǒng)休眠2個(gè)層次節(jié)約電力資源，同時(shí)能夠延長(zhǎng)休眠狀態(tài)下整流模塊的應(yīng)用壽命。

高效整流器應(yīng)用的是SiC、CoolMOS開關(guān)元件，運(yùn)行效率可以達(dá)到96%，為目前高運(yùn)行效率整流器的最終形態(tài)。與前2種高運(yùn)行效率整流器相比，高效整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了全面改進(jìn)，這是其運(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括功率因數(shù)校正（Power Factor Correcyion，PFC）電路、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）電路。PFC電路應(yīng)用無(wú)橋連接方式，應(yīng)用SiC開關(guān)元件能夠通過(guò)零恢復(fù)二極管減少通信電源開關(guān)損耗，完善通信電源電磁兼容性能；應(yīng)用CoolMOS開關(guān)元件能夠減少通信電源導(dǎo)通損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。DC/DC電路應(yīng)用邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）全橋連接方式，應(yīng)用高性能開關(guān)元件，提升通信電源運(yùn)行效率。

常見高運(yùn)行效率整流器基本參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 第三代高頻開關(guān)整流器、軟開關(guān)技術(shù)高頻整流器、高效整流器基本參數(shù)對(duì)比

2.5 治理低壓供電系統(tǒng)諧波

諧波治理能夠減少諧波對(duì)于通信電源系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行性能的影響，一方面提高系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行安全性，另一方面減少系統(tǒng)和設(shè)備的運(yùn)行損耗。治理低壓供電系統(tǒng)諧波的方法主要包括減少諧波產(chǎn)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(tǒng)產(chǎn)生諧波量最多的元件，也是減少諧波產(chǎn)生量的關(guān)鍵切入點(diǎn)。運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)有源功率因數(shù)校正技術(shù)增加整流器的功率因數(shù)，從而減少諧波量。運(yùn)營(yíng)商可以增加整流器的脈沖數(shù)，推動(dòng)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(duì)于電源諧波量的要求，避免應(yīng)用諧波量不達(dá)標(biāo)的電源。

濾波裝置包括無(wú)源濾波器、有源濾波器2種。通信電源系統(tǒng)阻抗、濾波器阻抗決定了無(wú)源濾波器的濾波特性，如果通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生了變化，系統(tǒng)抗阻便會(huì)隨之變化，從而對(duì)濾波器濾波特性造成嚴(yán)重影響，因此基本上已經(jīng)被有源濾波器取代。有源濾波器主要安裝在通信電源系統(tǒng)諧波源附近、變壓器低壓側(cè)，能夠通過(guò)外部互感器采集電流信號(hào)，并且有效分離諧波部分；有源濾波器逆變得到補(bǔ)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(jù)外部互感器連接位置、諧波產(chǎn)生位置，能夠?qū)⒂性礊V波器諧波控制分為閉環(huán)控制和開環(huán)控制2種，能夠有效去除通信電源系統(tǒng)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(qū)域治理3種。集中治理指在通信電源系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)安裝有源濾波器，對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行統(tǒng)一治理，治理工程量較少，安裝作業(yè)較為集中，有利于后續(xù)運(yùn)行維護(hù)。就地治理指結(jié)合諧波量就地進(jìn)行治理，能夠?qū)⒅C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(yùn)行維護(hù)難度較大。區(qū)域治理指的是對(duì)通信電源系統(tǒng)中同一種類型的諧波進(jìn)行統(tǒng)一治理，同時(shí)結(jié)合了上述2種治理方式的優(yōu)勢(shì)，屬于最佳諧波治理方式。

3 結(jié) 論

綜上所述，通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案基本由電源變壓設(shè)備、電容補(bǔ)償設(shè)備、功率補(bǔ)償設(shè)備3種設(shè)備構(gòu)成，為了確保通信電源系統(tǒng)節(jié)能效果，運(yùn)營(yíng)商在通信電源系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計(jì)過(guò)程中可以選擇經(jīng)濟(jì)型電源變壓設(shè)備、合理分配變壓設(shè)備負(fù)載、應(yīng)用高壓直流供電系統(tǒng)、應(yīng)用高運(yùn)行效率整流器以及治理低壓供電系統(tǒng)諧波。本次提出的通信電源系統(tǒng)節(jié)能措施適合在通信行業(yè)進(jìn)行推廣及應(yīng)用，從而獲得理想節(jié)能效果，運(yùn)營(yíng)商也需要強(qiáng)化對(duì)于相關(guān)節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)。