摘 要：在分析减少电能损耗原理的基础上，具体结合谐波分析通信局房节约电能的措施，并阐述了当前通信电源系统中谐波的产生、危害及谐波控制与消除技术。通过一个工程实例，说明了有源滤波器消谐技术在通信电源系统中的使用及效果。
引 言
当前，“节能降耗”已经上升到了国家发展的战略高度，成为整个“十一五”规划中的重要内容。为了响应国家政策和集团精神，通信动力运维部门结合自身特点和运营应用，仅就动力系统电力节能降耗部分，初步综合汇集了一些经验和体会，以期进行共同探讨和研究。
1 综 述
电能是由其它能源转换产生并可转化为机械能、热能等的形态。在电网中，电能是以电压电流的表现形式作功，其单位消耗的电功率为P=W/T(kWh)。用电设备在对负载进行有效作功(Po)的同时，也有一部分无效作功损耗，二者之和才是总的有功功率(Pn)，这就是用电设备的效率η=Po/Pn，这是其一。另外，由于大多数电气设备为感性负载，将产生电压电流的不同相位，从相关电压、电流或功率矢量三角形看起来，实际有功功率P要小于装置总的视在功率S，还有一部分为无功功率QL(电感上的功率)，相移功率因数 是专门表征这一电能的数量关系的重要电气参数。容性负载情况类似，但常常用来补偿感性无功功率。广义上的功率因数PF=P/S还应包括波形畸变造成的附加电能等。
由上可见，要想减少电网系统中的电能损耗，主要从二方面入手：一是提高电气设备(包括负载装置)的效率；二是提高电气系统的功率因数，进而减少无功及谐波电流，同时要合理供电，减少线路损耗。
近年来，通信系统中由于非线性负荷的日渐增多，特别是一些大功率UPS的大量应用，导致电网中产生大量的高次谐波电流，进而电压波形发生较大的畸变，引起系统的功率因数降低。低的功率因数和谐波，会造成设备自身和电网相当大的附加无功电能，增加电网输变电以至发电设备的负担，影响设备运行及寿命。故须采取必要的措施，以防止谐波电流在电网中传送及流动，从而消除谐波对供电系统及设备、通信与控制系统的不良影响。
2 局房的电力节能降耗
针对一个具体局房的节电措施，应全面衡量电网及设备情况，首先从设备选用、工艺技术精选及改进做起，进而无功及谐波补偿或消除等多种方法相辅，最后是综合考评，以达到系统优化、电网改善、降低电耗的目的。非线性负载所产生的谐波电流会影响通信电源系统的多个工作环节，以下就结合谐波针对通信局房的节能做具体分析：
1) 电力变压器：转换能量效能较高的设备，但也存在空载损耗、负载损耗和热损耗。其节能的主要措施是降低上述损耗。而谐波与这些损耗密切相关：其中涡流损耗、磁滞损耗分別与频率的平方、频率成正比，高次谐波的引入将增加额外的涡流损耗和磁滞损耗；铁心由于急剧变化的磁通导致铁损急剧增加，进而使变压器局部严重过热；中性线上由谐波和不平衡引起的过电流会在三相变压器线圈中出现环流从而产生附加损耗。
2) 电力线路：供电线路线损是电力损耗的重要原因，低压线路尤甚。节能的主要措施是治理电网低功率因数和谐波，从而减少线路电压损耗。此外高频率的谐波因加重导线的集肤效应，进而铜损急剧增加；严重时会使温度升高，造成导线绝缘损坏 。
3) 油机：在有谐波电网中，高次谐波电流直接返馈给发电机，在发电机的绕组中引起感应电流，使之发热产生损耗，导致输出功率降低。特别是5次和7次谐波电流严重时，会与基波磁场相互作用引起振荡力矩产生机械振荡，使电机产生机械振动和噪声。
4) 电气设备：大的谐波电流和低的功率因数会造成设备自身和电网相当大的附加无功电能，影响设备运行及寿命。
综上所述，谐波治理作为通信局房中一种通用而有效的节能及环保方法，可以消除谐波对设备正常工作的干扰；使得整个电网设备在一个安全的环境下工作，提高设备的工作效率，延长设备的使用寿命，以期营造一个绿色通信电源系统。
3 谐波治理及工程实践
3.1 谐波的产生机理及危害
从电网的角度来讲，在用电系统中，产生谐波的根本原因是由于具有非线性阻抗特性的用电设备(又称为非线性负荷) 用电的结果。非线性负荷会在工作时从电网取用非正弦电流，结果使其波形产生畸变。谐波电流流经电网阻抗，形成谐波电压，导致电源系统的电压波形畸变，使电能质量变坏。
从功率平衡的观点来看，在电网中，无论谐波流向如何，负载本身不产生电能量。当谐波从负载流向电网时实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后形成的谐波电流反送回电网，这是一种电能污染。基波功率转化为谐波功率之后，变为注入电网的谐波电流源。其中一部分谐波功率返回系统阻抗和发电机，分别被系统电阻所消耗和被发电机所吸收；大部分谐波功率被负荷电阻所吸收。
谐波的存在是对电网环境的一种污染，它会给周边的通信系统和公用电网以外的设备带来损害，谐波造成的危害大致列举如下：
1) 使电力元件附加损耗加大，易引发火灾。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。
2) 影响电气设备的正常运行。导致继电保护拒动或误动，电气测量仪表计量不准确，精密电子设备会被严重干扰甚至烧毁 。
3) 在通信系统中，谐波还会对邻近的通讯系统产生干扰。轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作；重则导致信息丢失，使系统崩溃。
谐波轻则降低发电、输电及用电设备的效率，影响各种电器设备的正常运行，重则威胁供配电系统的稳定与安全运行。综上所述，把谐波分量降低到容许的范围内是保证电能质量和节能的一项重要任务。
3.2工程简介
以下就以某一局房为例，具体说明谐波治理在工程中的应用：
上海移动某通信局房中发现与两套UPS联络的电容补偿柜运行异常。随即对电容柜受电端进行测量，测得的电流为双羊角波形是明显的谐波波形图，电压波形也有毛刺；同时检测到电容受电端接收到5次，7次，11次，13次谐波。初步认定是由于电路中的高次谐波导致。
究其原因，发現该局房的UPS采用了6脉冲整流器技术，对应于UPS上线的配电系统，该整流器是一个会引起谐波失真的非线性负载。对其交流侧电流作傅里叶级数展开，可知电流中含6k1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、13…等各次谐波，这与实测中检测到电容受电端接收到5次，7次，11次，13次谐波相吻合。由此判断谐波电流是由UPS中的整流装置产生的。同时通过分析判断，电容器组不能正常工作的主要原因是由于在不同谐波下的谐振而引起的过负荷造成的。
对该局房内电网质量进行进一步测试，实测结果进一步验证了上述对故障原因的分析。测试点选取在变压器低压母线，分别在无功补偿柜投入和无功补偿柜切除情况下测试。测试图及数据见图1和表1。
由此得出结论：UPS的整流装置是该系统的谐波源；系统存在共振问题，无功补偿投入后5、7、11、13、17次谐波被不同程度的放大，电压电流波形畸变十分严重，超过国标规定限值，进而造成流过电容的电流超过正常运行允许值。
3.3 谐波治理
上海通信动力运维部门立即提出对该局房配电系统进行谐波治理。为此，首先对谐波治理技术做了深入了解。谐波控制与消除的方法一般从两方面考虑：一是主动型，从装置本身出发，采用不产生谐波的设备装置；二是被动型，外加滤波器。对已建的局房只能采取被动型消谐技术，故以下着重介绍被动型方法：
1) 无源滤波器
无源滤波器应用无源元件（如电阻器、电感器和电容器）适当组合，通过LC选频网络，对某一频率的谐波提供低阻抗通路。利用在谐振频率下，感抗与容抗相互抵消，只剩下电阻的阻尼作用，因而形成对谐波频率的低阻抗通道。
无源滤波的优点是简单、控制方式较易实现，成本低，技术成熟，运行可靠。缺点是只能抑制固定的几次谐波，其滤波特性受系统阻抗和运行状态影响；易与系统发生并联谐振导致谐波放大而使LC滤波器因过载而烧毁，无源滤波器具体应用时应注意：
◆各组谐波容量的计算，不仅要包含各自所滤除的谐波容量，还要加上10％的背景谐波容量。系统中谐波源的投入和工况是变化的，若不考虑背景谐波，容易发生过载。
◆在正常失谐的条件下，无源滤波器仍能满足各相技术要求（正常失谐是指系统正常频率漂移，无源参数的温度偏移及允许的制造误差）。
2) 有源电力滤波器
有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。有源滤波器基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。如图2所示：检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，再与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。
有源滤波器的优点是可动态跟踪负载并滤除系统中的谐波；安装调试方便；不会给系统带来谐振；可补偿各次谐波甚至可用作无功补偿，滤波范围大；容量在一定范围内自适应。其缺点是造价较前两种要高一些；自身会消耗5%左右的系统能量。
3) 方案比较及确定
谐波治理工程目标：满足规程要求；降低系统内的谐波污染。
局房改造工程设计原则：经济合理有效地治理谐波；同时在工程建设时，应能保证UPS不间断供电。
要求治理后的UPS系统，谐波电压和谐波电流等电能指标均符合国家及相关标准，从而保证电网安全、可靠、经济运行。
针对该局房，我们对无源滤波器与有源滤波器两种方案进行了综合比较：
◆滤波效果：该局房系统负载约30％，无源滤波器滤波效果差；有源滤波器滤波效果好，能达到5％；
◆ 滤波范围：针对本局房5，7，11，13，17次谐波电流被严重放大的情况，无源滤波器只能抑制5次，部分7次，对其余则无能为力；而有源滤除谐波的范围是2次到49次，可同时滤除20种谐波；
◆系统共振：本系统电容补偿柜的电容是动态投入的，系统参数不固定，负载的大小也随时变化，无源滤波器可能出现谐振问题；
◆工程可操作性：有源滤波器易安装调试。
◆成本：有源滤波器的费用要高于无源滤波器。
同时针对有源滤波器的安装，一般有根据对低压母线线作谐波治理或对UPS负载进行点对点的谐波治理两种思路，鉴于该局房自身特点及经济的原因，本局房采用了第一种治理思路。
综上分析，该局房在低压母线处加装一台有源滤波器，由其进行谐波滤除并兼做无功补偿（无功补偿电容柜退出运行）。
3.4结果分析
工程实施后，为验证工程效果使用三相电能质量分析仪，对有源滤波器投入使用前后系统各电量参数进行测量。测量点选取在变压器低压母线上。分别记录两种工况下对谐波测量的一组数据。
图3为治理前和治理后的电压电流波形图。从图中可以直观的看到，治理前电压电流波形发生严重畸变；治理后电压电流波形均接近理想的正弦波。由表2可看出：治理前后，电流均方根值下降了13.3％（三相算术平均值），视在功率下降14.6％，无功功率下降59.4％；但由于有源滤波器本身的功率能耗，有功功率上升3.5％。此外，功率因数提高到0.96以上。
综上分析谐波治理后的效果：
1)、电能质量
◆反馈至公用电网的谐波合格，满足国标和电力部门的要求；达到了电网绿色环保的目的。
◆三相电流、电压均方根值下降，滤波效果明显，提高系统的安全运行系数。
◆供电质量明显改善，杜绝了通信电源系统的安全隐患。
2)、节能效果分析
谐波电流在电网中流动会产生有功功率损失，它构成了电网线损的一部分，对电网的经济运行很不利。谐波源外送的谐波有功功率是由从电网吸收的基波有功功率的一部分转化而成的，由此减少了电网可用容量。同时谐波功率本身即构成了经济损失。
此外，针对通信局房的具体表现为：
◆ 增加变压器的有效容量：释放谐波和无功所占用的容量，从而可增加变压器相应的带载能力，为今后系统扩容提供了良好的平台，并可减少变压器扩容所需的投资。
◆ 提高油机的带载能力：由于谐波的消除，发电机设备的带载能力从原来的2～3:1 提高到1.5～2:1，油机使用率被大大提高，进而减少扩容所需的投资。
◆ 有效的降低了变压器、用电设备及线路因谐波引起的发热损耗，同时还避免其因过热进而绝缘老化、寿命缩短甚至损坏的现象，延长其的使用寿命，起到节能降耗的目的。
◆ 有效提高设备运行的功率因数，提高效率延长设备寿命；且减少了需要抗拒设备发热而设置的空调的配置量和耗电量。
◆ 有些局房传统的无功补偿装置由于不能消除谐波的干扰，根本无法投入运行，功率因数偏低，造成电费扣罚。在这种情况下谐波治理后，因提高功率因数而免于罚款，从而电费可得到减少。
4 结论及展望
国家已经明确规定，谐波治理依据“谁污染，谁治理”的原则。但并未实施具体制约手段。但目前已有电网开始对新投产的项目严格审查，针对大容量谐波源的谐波注入量不达标等，供电部门将不予验收送电，相信这势必成为今后的发展趋势。目前，谐波控制作为保证电网质量及节能的一项重要措施，今后将会有越来越多的应用。
为了企业更好的发展，我们必需把节能工作放在优先地位，从我国节能降耗的国策出发，学习和借鉴国内外先进经验，建设节约型社会，化解能源对经济发展的制约。作为通信动力运维部门，我们要立足本职工作，节约每一部分能源，保障通信供电质量，杜绝通信安全隐患，并努力营建绿色通信电源系统。
