上海移動通信電源系統(tǒng)節(jié)能減排方案簡介

上海移動通信有限公司 黃 赟

0 前言：

2010年，國務院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會正式公布并實施了《中央企業(yè)節(jié)能減排監(jiān)督管理暫行辦法》（國資委令23號），中國移動由節(jié)能減排“一般類”企業(yè)調(diào)整為“關注類”企業(yè)。通信電源系統(tǒng)作為電信企業(yè)能耗大戶，上海移動主管部門開拓創(chuàng)新，挖掘通信電源系統(tǒng)節(jié)能潛力，積極參與節(jié)能減排行動。

1 通信電源直流系統(tǒng)：

上海移動原有基站直流系統(tǒng)，其工作原理為：三相交流電輸入首先進行防雷處理和EMI濾波（Electro Magnetic Interference電磁干擾）,然后經(jīng)整流轉(zhuǎn)換成高壓直流電-48V，再通過PMW（Pulse Width Modulation全橋脈寬調(diào)制）電路逆變?yōu)楦哳l交流電,經(jīng)高頻變壓器隔離降壓后通過高頻整流濾波成為直流電，最后經(jīng)電磁干擾電源濾波和防反接保護輸出。然而現(xiàn)有開關電源整流模塊平均工作效率為90%，電能損失在交直流轉(zhuǎn)換過程中，詳見圖1。

如果采用先進高效的直流模塊，將開關電源的整流效率從90%提高至96%；其采用先進的整流技術及電路控制系統(tǒng)主要體現(xiàn)在：1）高可靠 設 計 DSP（Digital Signal Processing數(shù)字信號處理）控制；2）高轉(zhuǎn)換效率拓樸電路，寬負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關技術，在20%～100%負載率范圍模塊效率高達95%以上；3）采用智能數(shù)字化電路控制的 PFC（Power Factor Correction功率因數(shù)校正）技術，功率因數(shù)大于0.99，交流輸入電流諧波失真低小于5%。

采用先進高效的直流模塊的實質(zhì)是將新型器件和新材料應用到通信電源硬件開發(fā)中，將先進的拓樸電路運用到通信電源整流模塊系統(tǒng)設計中。例如：碳化硅(SiC)器件和新型磁性材料(如非晶材料)等已逐步應用到整流模塊中；交流輸入側(cè)交流轉(zhuǎn)直流 （AC/DC）電路中的 PFC（Power Factor Correction功率因數(shù)校正）電路可以采用無整流橋的拓樸電路結(jié)構，與傳統(tǒng)采用全橋整流橋的電路相比，主電路回路中減少了通過功率器件的數(shù)量，從而減少了功率器件的損耗，提高了電路的工作效率；采用新的直流轉(zhuǎn)直流（DC/DC）拓樸電路，在輸出寬負載率范圍內(nèi)直流轉(zhuǎn)直流（DC/DC）電路中的開關器件以及輸出側(cè)整流電路實現(xiàn)軟開關，開關損耗很小，效率提高，從而開關頻率也可以得到提高，體積減少，功率密度提高。上世紀90年代誕生了同步整流技術，之前主要應用在低電壓輸出的開關電源中，現(xiàn)在可以把這一技術應用到-48V通信用電源系統(tǒng)中，即在直流轉(zhuǎn)直流（DC/DC）電路中的二次側(cè)整流電路采用同步整流技術，則整流模塊的效率在現(xiàn)有的基礎上可以提高1%～2%。

通過采用新元件、新材料及新技術，使通信電源整流模塊的效率大大地提高，在20%至100%的負載率范圍內(nèi)其效率達到95%以上，在寬負載率范圍內(nèi)做到高效率，在50%負載率左右時其效率超過96%。

移動公司在上海市區(qū)建設規(guī)劃及預期效果：通過分步替換現(xiàn)有直流系統(tǒng)模塊，預計2015年基本在2500個基站實現(xiàn)高效能整流器全面推廣，總計可節(jié)約電能312.5萬kWh（見表1）。

2 UPS (Uninterruptible Power System不間斷電源)供電系統(tǒng)

上海移動原有UPS供電系統(tǒng)故障率高。UPS供電系統(tǒng)工作原理圖詳見圖2。 在空載或輕載時，系統(tǒng)效率低，電能浪費嚴重，主要表現(xiàn)在：

表1 5年預計建設進度和節(jié)能效果

1）機房樓配套建設制約大容量UPS建設，其投資大，工期長，直接影響到通信數(shù)據(jù)業(yè)務快速發(fā)展；

2）UPS冗余系統(tǒng)整體利用率低，影響了通信數(shù)據(jù)業(yè)務利潤。常見雙機冗余UPS供電系統(tǒng)負荷率＜35%；

3）UPS供電系統(tǒng)應急保障和可維護性差，在線擴容困難，割接難度大，同時安全性不高，兩級變換導致了故障率高；

4）UPS供電系統(tǒng)擴容難度大，UPS供電系統(tǒng)并機的基本條件是等幅、同頻、同相，UPS邏輯控制系統(tǒng)復雜，且UPS供電系統(tǒng)并機運行存在環(huán)流控制等問題，在投入、切出時間點上易出現(xiàn)系統(tǒng)故障。

如果采用先進高壓直流供電系統(tǒng)，其基于240V或350V高壓的開關電源系統(tǒng)代替UPS供電系統(tǒng)。其供電效率明顯提高，節(jié)電率約為20%-40%，同時可降低線路損耗，節(jié)約電纜等材料。其優(yōu)點為：

1）電能的節(jié)省

（1）高壓直流供電系統(tǒng)相比UPS供電系統(tǒng)，減少了兩級變換（見圖3）；

（2）整流模塊休眠技術，使開關電源工作于最佳功率區(qū)間，而UPS的整流器、逆變器無法休眠，長期低荷載率運行。

2）經(jīng)濟效益和社會效益

（1）經(jīng)濟效益，高壓直流供電系統(tǒng)具有設備初期投資少、可靠性高、維護方便、可安全擴容、運行維護費用較低的特點。高壓直流供電系統(tǒng)對于通信精密電子設備干擾小，具有良好的電磁兼容性，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行。參照《高壓直流在數(shù)據(jù)機房的應用》一文，270V高壓直流供電較1+1冗余UPS供電，實現(xiàn)15.9%的節(jié)能率，同時，1+1冗余UPS供電系統(tǒng)單位功率投資成本是高壓直流供電系統(tǒng)的1.87倍。以新建500m2DC（Data Centre數(shù)據(jù)中心）機房配置2套4臺120kVA UPS供電系統(tǒng)為例，電源配套投資可節(jié)約140萬元/機房。

表2 5年預計建設進度和節(jié)能效果

（2）社會效益，直流系統(tǒng)全面的電池管理功能使蓄電池使用壽命相對UPS后備形式的電池延長（UPS約5年，直流系統(tǒng)約8年），助力企業(yè)綠色行動計劃，實現(xiàn)數(shù)據(jù)機房耗電大戶的運行節(jié)能降耗。

移動公司在上海市區(qū)建設規(guī)劃及預期效果：新建局房推薦采用高壓直流供電系統(tǒng),計劃2011年、2013年、2015年各有一個局房采用高壓直流供電系統(tǒng)，預計2015年基本在4個局站實現(xiàn)高壓直流供電系統(tǒng)應用啟動，總共可節(jié)約電能277.2萬 kWh（見表 2）。

3 小結(jié)：

2011年節(jié)能減排的任務將更加艱巨。其中通信電源系統(tǒng)積極相應集團公司和上級部門差異化節(jié)能減排號召，在直流系統(tǒng)和UPS供電系統(tǒng)充分運行新技術、開拓新思路，切實通過“綠色行動計劃”，努力實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。

[1]YDB037-2009通信用240V直流供電系統(tǒng)技術要求

[2]上海移動計劃部12-5發(fā)展規(guī)劃

[3]IDC機房供電體制的研究

[4]大型IDC機房UPS電源系統(tǒng)配置方法與安全性

[5]關于IDC機房交直流供電體制的分析

[6]組合開關電源技術規(guī)范