多种光伏接入方案在通信直流供电系统中的应用.pdf

Telecom Power Technology 77 Sep.10,2023,Vol.40 No.17 Telecom Power Technology 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期电源与节能技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.17.025多种光伏接入方案在通信直流供电系统中的应用李 凯（广东邮电职业技术学院，广东 广州 510630）摘要：随着碳达峰、碳中和国家政策的提出和光伏发电建设成本的降低，各通信运营商将光伏发电作为能源低碳转型和节能增效的重要举措。为了探索光伏在不同通信电源场景的应用，详细阐述-48 V 直流嵌入式光伏的接入位置和控制原理，解决传统光伏接入方案实际运行时扰乱蓄电池充放电管理问题。同时，针对大容量互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）机房不同时期服务器投入运行数量，调整高压直流和光伏发电混合模式，解决光伏发电功率和负载不均衡的问题。关键词：通信基站；嵌入式光伏发电；互联网数据中心（IDC）机房；高压直流Application of Multiple Photovoltaic Access Schemes in Direct Current Power Supply Systems for CommunicationLI Kai(Guangdong Vocational College of Post and Telecom,Guangzhou 510630,China)Abstract:With the proposal of the national policy of carbon peaking and carbon neutrality,as well as the reduction of construction costs for photovoltaic power generation,communication operators have taken photovoltaic power generation as an important measure for low-carbon energy transformation and energy-saving efficiency enhancement.In order to explore the efficient application of photovoltaic technology in different communication power supply scenarios,this article elaborates in detail on the access position and control principle of-48 V direct current embedded photovoltaic,solves the problem of disrupting battery charging and discharging management during the actual operation of traditional photovoltaic access schemes,and demonstrates its promotion value.At the same time,adjust the hybrid mode of high-voltage direct current and photovoltaic power generation to address the issue of imbalanced photovoltaic power generation power and load,based on the number of servers put into operation at different times in large capacity Internet Data Center(IDT)rooms.Keywords:communication base station;embedded photovoltaic power generation;Internet Data Center(IDT)machine room;high voltage direct current0 引 言太阳能是清洁可再生能源，对其进行综合开发利用，可大大减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物等温室气体排放，对碳达峰、碳中和国家政策的实施具有重要意义。目前，户用光伏发电和大规模光伏电站已经在国内外得到广泛应用，技术方案已趋于成熟。为满足民用与工业供电中多数的交流负载，光伏电站需要将已发出的直流电逆变为交流电才可以并网或离网使用。通信局站的负荷本身很多就是直流供电，将光伏发电引入通信供电系统后，若仍将其输出的直流电先逆变并网后再整流为直流电，会增加转换过程中的能量损失和设备的投资，且占用了有限的局站空间。所以，近些年国内外已经在光伏与直流混合供电领域开展了很多应用研究。例如：中国电信在部分地区通信基站试点了基于-48 V 的光伏嵌入式供电1,2；东南大学研究不间断电源系统（Uninterruptible Power System，UPS），将光伏接入储能装置侧的直流供电；厦门大学试点了 380 V 高压直流系统，将光伏发电接入铅酸蓄电池侧的直流电源3,4。总体来看，光伏的直流并网开始得到较为广泛的应用，成为广大学者和工程师的研究热门。1 嵌入式太阳能通信直流供电系统嵌入式太阳能发电系统率先由中国电信提出，在原有通信基站电源系统的负载端接入，是一种辅助电源，无须对蓄电池充电。因此，太阳能阵列的额定容量只需达到负载功率的 1.5 2.0 倍，在一定环境下即可满足负载需要1,2。经过多年的实验探索后，技术日渐成熟，且随着光伏阵列价格的持续下降，在通信基站原有的-48 V 开关电源系统基础上嵌入太阳能光伏发电系统，越来越具备推广价值和实际意义。1.1 嵌入式太阳能光伏发电系统结构组成通信用嵌入式太阳能光伏发电系统主要是在收稿日期：2023-08-18基金项目：广东省普通高校青年创新人才类项目“基于 IoT架构的太阳能电站光伏组件故障在线诊断与定位研究”（2022KQNCX214）；广东邮电职业技术学院校级课题“IDC机房中光伏与高压直流混合供电模式研究”（202144）。作者简介：李 凯（1988），男，河南开封人，研究生，讲师，主要从事电工理论与新技术、通信电源、光伏发电技术等教学与研究工作。2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 78 原-48 V 电源基础上，配置 1 2 倍额定负载容量的光伏阵列，并接到直流负载入线侧，为负载辅助供电，实现基站的节能减排。它主要包括-48 V 通信电源系统（380 V 低压市电、油机、高频开关电源、铅酸蓄电池）和嵌入式太阳能光伏发电系统（光伏阵列、光伏功率控制器、DC/DC 变换器），结构如图 1 所示。光伏阵列 汇流排光伏阵列 汇流排嵌入光伏发电光伏控制器DC/DC 变换-48 V 直流负载380 V 交流市电柴油发电机组蓄电池组-48 V 开关电源智能切换开关图 1 嵌入式光伏发电结构组成1.2 嵌入式太阳能光伏发电系统应用原理在很多实际应用中，太阳能光伏供电系统除了满足负载容量，还会对蓄电池进行充电，接入容量偏大。光照充足时，往往会导致蓄电池过充，缩短蓄电池的使用寿命，甚至烧坏蓄电池。除此之外，有的光伏发电被嵌入通信电源系统后，参与蓄电池组的一次下电、二次下电管理，导致原通信电源系统功能紊乱，意外造成同基站多次重复掉电。为了避免此类问题出现，嵌入式太阳能供电系统设置了光伏运行的上止点工作电压和下止点电压。为了使太阳能光伏发电系统优先进行功率输出，可以将其作为辅助电源，达到节能减排的效果。在系统运行的任何时刻，太阳能光伏发电系统的输出电压均应比原通信电源直流系统的输出电压高。此外，为了不浪费光照资源，尽量使光伏发电系统输出最大功率，使太阳能系统的光伏阵列输出电压处于接近最大功率点对应的电压。实际运行时，原系统的电压比光伏接入点的输出电压低 0.5 1.0 V，可确保光伏板优先输出功率。太阳能功率控制系统采用脉冲调节技术，可通过控制光伏发电模块的输入电压，实时追踪理论最大功率点对应的工作电压，从而实现光伏发电系统的最大功率输出，运行过程如图 2 所示。浮充56.5 V55 V54 V53.5 V50 V47 V46 V43 V放电充电过程转浮充过程光伏不运行光伏正常输入图 2 嵌入光伏发电系统的铅酸蓄电池充放电管理（1）通信电源系统正常运行的大多数时间，蓄电池处于浮充状态，通信电源系统母排电压为53.5 V，此时光伏系统电压设置为 54 54.5 V，确保光伏优先输出。（2）当交流市电忽然停电时，蓄电池组开始放电，电池电压下降。当嵌入节点的电压逐渐低于 47 V 的预设阈值时，光伏发电系统停止输出功率，从而避免对通信电源供电系统电压 46 V 时一次下电和 43 V 时二次下电产生影响。（3）当市电恢复供电后，蓄电池组处于均充状态，光伏接入点的母排电压由低往高恢复至 50 V，光伏发电系统恢复输出。因为蓄电池电压约达到 56.5 V，所以电池充电状态会由均充转浮充，避免光伏系统对其产生影响。当接入点的电压逐渐升高至超过 55 V的预设阈值时，光伏发电系统停止输出直流功率。（4）当蓄电池电压达到 56.5 V 时，通信电源供电系统均充结束，开始进行浮充，接入蓄电池组连接点的母排电压逐渐低于 54 V，光伏发电系统恢复功率输出。可见，光伏发电系统的方案不参与本身通信电源系统对蓄电池组的均充浮充管理过程，避免光伏发电系统对原有蓄电池组管理一次下电、二次下电、均浮充转换的紊乱而导致通信电源系统不稳定输出。光伏发电系统的太阳能阵列功率略等于或低于负载实际功率需求，蓄电池组不会出现过充的可能，因此采用投切式功率模块的光伏发电系统无须使用分组分级投切，也无须使用脉宽调制技术，只要日照强度满足所带负载功率的条件即可全部投入。同时，它可以通过直流变换器调整光伏阵列输入输出电压，使之接近光伏发电最大功率点的电压，最终使得光伏阵列输出功率接近最大值。1.3 嵌入式太阳能光伏发电系统接入点选择光伏发电系统直接接入原有的-48 V 开关电源系统。系统的稳定性和可靠性主要受直接接入节点的位置影响。直流配电系统中可供光伏接入的节点如图 3 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 79 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 李 凯：多种光伏接入方案在通信直流供电 系统中的应用所示。二次下电分流器负载负载D2D1分流器CBA-48 V 高频 开关电源一次下电图 3 嵌入式太阳能光伏发电系统接入点选择（1）A 点。该位置为通信直流供电系统的母排，位于开关电源输出接口、蓄电池组电压电流测量前端、二次下电接触器的前端，与蓄电池组之间并无绝缘隔离。当二次下电接触器动作后，市电还没有恢复供电，光伏发电系统即恢复输出，影响原通信直流供电系统的蓄电池组一次下电管理、二次下电管理，甚至可能导致二次下电接触器反复跳闸、合闸，影响通信的稳定。（2）B 点。该位置为蓄电池组相连母排，位于蓄电池组电流互感器后端。若通过此点接入，光伏发电产生电流会经过检测点，有可能导致直流供电系统误认为蓄电池组在放电而影响系统的控制判断。（3）C 点。该位置位于系统二次下电接触器的后端，系统一次下电接触器的前端。此位置嵌入节点无保护器件，若发生短路，易导致直流供电系统跳闸。（4）D1、D2分别为一次下电供电的负荷端子和二次下电供电的负荷端。在负荷节点的接入光伏系统可避免对蓄电池组均浮充过程的影响，并且接入点在供电负荷端子熔丝的后端，可对光伏系统的短路或者其他故障进行保护，为太阳能供电系统的最佳接入节点。2 高压直流光伏混合供电模式随着 5G 数据业务的发展，数据中心互联网技术（Internet Technology，IT）设备急速增加，供电基础设施占地面积越来越大，挤占了 IT 设备的空间5。高压直流供配电系统可以实现供配电系统的高功率密度，降低总体体积，提高空间利用率，使得数据中心大容量直流供电系统的应用越来越普遍。国内通信运营商大力发展 240 V、336 V 等高压直流系统，并实现自有信息与通信技术（Information and Communications Technology，ICT）设备的高压直流供电6。光伏并网发电逆变前的输出电压多为 400 V，与 336 V 的电压非常接近。随着各类大型数据中心的建设，大面积的机房为光伏安装提供了有利条件，促使高压直流系统与光伏混合供电的模式日渐成熟7。2.1 高压直流光伏混合供电并网方案2.1.1 方案 1采用传统的交流并网方案，将光伏阵列发出的直流电经逆变器转为交流电，然后与市电并联，再经过高压整流为 ICT 设备供电，如图 4 所示。然而，由于转换次数多、效率低，且需要的设备多、投资大，它主要适合新建的数据中心。新建的数据中心刚开始机架数量少，光伏发电容量大于直流设备容量，多余的光伏发电量并网。光伏阵列交流市电低压系统逆变器直流配电屏高压直流母线直流负载高压直流整流器阀控型铅酸蓄电池太阳能发电控制器图 4 光伏与交流混合并网方案 12.1.2 方案 2釆用高压直流和光伏混合供电方案，太阳能发电经过功率控制器和高压直流母线直接为 ICT 设备供电，如图 5 所示。此方案系统设备少，省去了逆变器，即使是 240 V 系统也可仅仅添加一个 DC/DC 变换器，电能转换效率较高，采用模块化有一定冗余度，可方便投入和退出，便于维修和调整输出功率，设备投资较低。光伏阵列交流市电直流配电屏高压直流母线直流负载高压直流整流器阀控型铅酸蓄电池太阳能发电控制器图 5 光伏与高压直流混合并网方案 22.2 系统应用需注意的问题2.2.1 安全性问题一方面，机房屋顶承载力问题。在已有的数据中心安装光伏发电系统，需注意机房楼顶的承载能力。另一方面，原电源系统干扰问题。引入的光伏系统同样会出现短路和过压等故障，要注意光伏系统和原有电源系统的隔离。2.2.2 功率的总体控制光伏发电模块和原有通信电源系统统一控制，2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 80 实现输出功率的及时控制，并引入能源路由器，在负荷波动时对光伏发电进行功率控制。3 结 论本文主要论述通信电源系统不同应用场景下光伏的接入方案。当通信运营商基站数量多、布点分散时，采用嵌入式光伏发电方式将光伏系统接入原来的-48 V 直流系统，不影响原通信电源系统的正常工作。该方式稳定可靠且可充分利用新能源节能增效，一般 5 年收回成本，具有很好的推广价值。对于面积较大的通信机房尤其是大型数据中心，若为新建设机房，ICT 设备安装数量少，供电需求小，可采用交流和光伏混合供电方式，余电上网。若 ICT 设备安装容量很大时，供电采用高压直流系统与光伏混合供电方案是完全可行的。参考文献：1 孙文波，侯福平.通信用嵌入式太阳能光伏发电系统应用实践 J.电信技术，2018（9）：56-59.2 刘宝贵，侯福平.嵌入式节能利用型太阳能供电系统在通信局站的应用 C/2011 通信电源学术研讨会，2011.3 刘 强，高兴旺.高压直流系统与光伏混合供电的综合应用研究 J.电信工程技术与标准化，2019（9）：15-18.4 王 侃.高压直流 UPS 电源系统的研究与应用 D.杭州：浙江大学，2016.5 中国通信标准化协会.通信用 240V 直流供电系统 技 术 要 求：YDB 0372009S/OL.（2009-12-10）2023-08-01.https：/ 焦金涛，李宝岩，杨 博.我国高压直流供电技术应用探析 J.通信电源技术，2015，32（1）：64-66.7 张乐丰，欧阳述嘉，张林锋，等.高压直流供电在数据中心中的应用探讨 J.电力信息与通信技术，2016（5）：88-92.份认证，只有授权的用户和设备才能访问系统。采用严格的访问控制策略，限制设备和用户的访问权限，以避免未授权访问和数据泄露。为了及时发现安全漏洞和异常行为，设置了安全审计和监控机制。实时监控和记录系统中的操作与数据访问，有助于快速发现安全威胁并采取措施应对。在保护用户隐私方面，可以采取隐私保护与匿名化措施。采用匿名化处理方式保护用户身份，可以确保用户数据在被共享和处理时不会暴露。此外，要重视物理安全措施，对系统的服务器、网关设备等进行物理安全保护，防止未经授权的物理访问。4 结 论文章深入探讨了基于 5G 技术和物联网技术的电力系统应用。基于 5G 技术和物联网技术的智能电力系统不仅可以提高电力系统的能源利用效率，优化电力调度和运行管理，还能推动电力行业向着智能、高效、可持续的方向发展。为了确保系统的安全与隐私，必须采取全面的保障机制，确保数据传输和用户隐私的安全。参考文献：1 范荣琴，张海涛，赵 刚.5G 技术和物联网技术在电力系统中的应用 J.光源与照明，2023（5）：112-114.2 齐 波，冀 茂，郑玉平，等.电力物联网技术在输变电设备状态评估中的应用现状与发展展望 J.高电压技术，2022，48（8）：3012-3031.3 狄查美玲.电力物联网时代物联网技术在电力系统中的应用J.数字技术与应用，2022，40（7）：27-29.4 吉启云.物联网技术在电力系统中的应用探讨J.信息记录材料，2020，21（10）：192-193.5 丁洪文.探析 5G 时代物联网技术在电力系统中的应用 J.中国新通信，2020，22（16）：2-3.（上接第 76 页）