ESKAP-通讯行业电能质量问题整体解决方案
1 背景介绍
电能质量(Power Quality)，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。
在通信机房中，开关电源和UPS已成为机房内不可或缺的设备，可以向负载提供稳压精度高、稳频、波形失真小的高质量电能，并且在静态旁路切换时可以做到供电无间断。但是，由于开关电源和UPS均为非线性负载，它们在保证输出高精度电能的同时其本身又会在输入端产生大量谐波电流，对电网造成严重的谐波污染，也影响机房中其他敏感设备，使通信系统的变压器、电缆、母排等设备的运行损耗增大，也对柴油发电机组、变压器、电力电缆、电力电子设备、低压电容等设备产生危害，降低了配电系统的安全性、可靠性。因此，通信机房必然面临谐波治理问题。
通信电源系统中的主要谐波源：非线性负荷。
(1)UPS谐波源
三相供电6脉冲桥式可控硅整流器的UPS电源，没有3次谐波，5次、7次谐波显著，三相12脉冲可控硅整流器时，11次、13次谐波最为显著，而单相供电的UPS电源则以3次谐波为主。
对大功率UPS来说，如果UPS整流装置为三相全控桥6脉整流器，由整流装置产生的谐波占所有谐波的近25%～33%。
当UPS在不同的负载程度时，即在不同的工作相角时，其谐波的比例是不一样的。一般负荷较小时，谐波较大;随着负荷率的上升，谐波电流也增大，但由于基波的增大(分母变大)，谐波电流的比例会下降。
(2)开关电源
开关电源谐波含量较高的主要原因是由于在开关电源中采用了电容滤波型桥式整流电路，致使输入电流波形产生畸变。
开关电源在向通信设备提供稳定可靠的48V电源的同时，也对交流电源侧产生严重谐波污染，开关电源谐波电流主要为5次、7次。
(3)计算机设备
电路中的开关器件(二极管、三极管)及感性负载工作于高频开关状态而产生尖峰脉冲;机算机设备产生3次、5次和7次谐波为主的谐波。
(4)无功补偿柜：属于电容装置，发电机、UPS电源设备、开关电源设备等为电感设备。电感和电容的组合，可能构成共振回路，在共振频率处产生大环流，当无功补偿电容柜投入运行后会引发共振并放大各次谐波。
由此看来，电能质量的含义及范围颇广，但是在通讯行业里面，最主要的还是谐波以及功率因数低等问题，大量的UPS以及开关电源，是主要的谐波源，是导致该行业电能质量差的主要因素，从而又间接影响FC的正常工作，本文将重点从谐波及无功的角度来分析通讯行业的电能治理问题。
2 如何提高通讯行业电能质量
2.1 滤除谐波的手段
随着时间的发展，从上世纪80年代至今，谐波以及谐波的危害已经越来越被大家所熟悉。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气装备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。
目前，通讯行业主要采用有源电力滤波的方式，与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其具体特点如下：
(1)滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;
(2)具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
(3)尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本较高，这一点是限制其推广使用的关键。
有源电力滤波器分为两种：并联型有源电力滤波器及串联型电力滤波器，并联型电力滤波器主要解决谐波电流问题;串联型电力滤波器主要解决谐波电压问题。它们的原理基本相同，并联型有源滤波器检测负载电流，通过相应算法计算出其谐波电流，然后发出与负载谐波电流大小相等、方向相反的电流，与负载谐波电流相互抵消，以达到减小电网侧谐波电流的目的，其工作原理如图1所示。
2.2 使用有源滤波需要注意的问题
中国的低压配电系统，不论是不同行业或者是相同行业，各有各的特点，通讯行业采用的UPS及开关电源厂家不同，虽然都产生5次、7次、11次或者13次谐波(6脉整流)，或者产生21次、23次(12脉整流)高次谐波，但是系统的谐波特性有很大的区别，如果不针对特定的负载采取特殊的手段，使用有源滤波器时，负载侧谐波电流会被放大，有可能对UPS开关电源造成影响，严重时会烧毁UPS。某一通讯行业现场使用有源滤波器后的实时测试数据如表1所示。
结论：从实际测试数据来看，负载侧畸变率从补偿前25.9%升至37.1%，最终的补偿后电流畸变率降至3.7%。不论是实际测试还是仿真，波形畸变都会加剧，有源滤波器可能会放大负载侧谐波含量，所以我们建议客户在使用APF之前进行专业的电能质量测试，或者将负载的相关参数提供给有经验的有源电力滤波器制造厂家。采取一些特殊的手段，更进一步保障负载设备的用电安全和可靠性，保证最佳的补偿效果。
2.3 使用SVG提高功率因数
SVG最为现在最先进的无功补偿装置，是电力电子高速发展的产物，具有无源设备无法比拟的优越性，使用SVG可以完全不受谐波影响，可以保证功率因数在0.99左右，补偿效果远远优于无源设备。
于普通无源设备(包括SVC，FC等)相比，有源无功补偿设备(SVG)的优势在于：
(1)SVG不会过补也不会欠补，保证供电系统的用电安全;
(2)SVG的实际补偿容量和设备容量一致，占地面积不到同容量无源设备的一半;
(3)SVG不会和系统发生谐振，保证供电系统的用电安全;
(4)SVG正常后期维护费用为零，而无源设备的电容有寿命约束，到一定时间需要更换所有电容，其后期维护费用大;
(5)SVG响应速度更快，全响应时间不到10ms;
(6)SVG本身谐波含量极低。
(7)SVG使用效率高，补偿效果优于无源设备;
(8)SVG本身损耗极小，远优于无源设备。
无源设备存在着后期维护费用，分级投切容易过补或者欠补，容易和系统发生谐振，将谐波放大，影响配电系统的供电安全，而SVG可以很好解决这些问题。
SVG设备保证功率因数可以达到0.99(在设备容量够的情况下)，保证平均功率因数可以达到0.97以上，要优于无源设备的补偿效果。具体对比如表2所示：
2.4 使用T-SVG提高功率因数
由于SVG高昂的价格让很多通信用户望而止步，但是，T-SVG的推出(小容量SVG模块于普通电容电抗组合使用)，结合了普通无源产品和SVG的优点，降低成本的同时，保证了补偿效果，是无源产品向SVG过渡的最佳替代品。