一種光伏電源的穩(wěn)定性分析

楊楠， 孫夢(mèng)雨， 阮黎君

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710014)

0 引言

隨著我國(guó)通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,通信局(站)大量增加,通信設(shè)備的種類也越來(lái)越豐富,可以滿足不同層次業(yè)務(wù)的需要。同時(shí),通信設(shè)備對(duì)電源穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高,其主要要求包括供電的不間斷性、供電的穩(wěn)定性、更高的效率要求、小型化要求、安裝和維護(hù)要求等[1]。

常見電源系統(tǒng)供電示意圖，如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)供電方式示意圖

一般引入兩路10 KV的高壓市電，經(jīng)轉(zhuǎn)換為220/380 V的低壓，再經(jīng)低壓配電后為相應(yīng)的直流設(shè)備和UPS提供電源。供電系統(tǒng)不但應(yīng)保證通信設(shè)備用電，還需要為機(jī)房空調(diào)、保障建筑負(fù)載(保證照明及消防電梯等)和一般建筑負(fù)載(一般照明等)供電，因此會(huì)有相應(yīng)的交流引出[2]。

1 一般通信電源要求

通信設(shè)備的主要供電形式為交流電和直流電。很多通信設(shè)備對(duì)于電源質(zhì)量有著非常嚴(yán)格的要求,瞬間的中斷也是不允許的,若電源中斷,存儲(chǔ)器中的信息將會(huì)丟失,在電源恢復(fù)正常后,信息將從存儲(chǔ)設(shè)備中重新導(dǎo)人,有些導(dǎo)入時(shí)間非常長(zhǎng),從而導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的通信中斷,因此要求提供供電設(shè)備的通信電源必須能夠不間斷運(yùn)行[3]。在我國(guó),當(dāng)通信設(shè)備采用交流220/380 V的供電時(shí),當(dāng)通信設(shè)備采用直流供電時(shí),主要有兩種供電電壓:-48 V和±24 V。其中,-48 V屬于首選標(biāo)稱值,而+24 V為過渡時(shí)期暫留標(biāo)稱值。也就是說(shuō),原有局(站)通信設(shè)備使用的±24 V直流基礎(chǔ)電源仍可繼續(xù)使用,但不再擴(kuò)容,直到這些通信設(shè)備停用為止,新建局(站)應(yīng)統(tǒng)一采用-48 V直流基礎(chǔ)電源供電[4]。

交流供電系統(tǒng)主要包括變配電系統(tǒng)、備用電源系統(tǒng)(發(fā)電系統(tǒng)),不間斷電源(UPS)系統(tǒng)等,其主供電電源為市電[5]。其中,變配電系統(tǒng)包括高、低壓配電設(shè)備變壓器,操作電源;不間斷電源系統(tǒng)包括UPS,輸入/輸出配電柜和蓄電池組。

直流供電系統(tǒng)包括交流配電屏等設(shè)備，而蓄電池組采用并聯(lián)浮充的方式接入到系統(tǒng)中,當(dāng)交流輸入電壓故障時(shí),由蓄電池組放電為負(fù)載供電[6]。單個(gè)-48 V直流系統(tǒng)最大容量一般不超過3 000 A。

2 帶光伏的通信電源系統(tǒng)架構(gòu)

通信電源系統(tǒng)的可靠性極大地影響著通信的可靠性,電源系統(tǒng)故障經(jīng)常導(dǎo)致通信中斷或癱瘓[7]。現(xiàn)有電源優(yōu)化方案一般傾向于引入第三路市電，以提高電源的穩(wěn)定性，但在一些偏遠(yuǎn)山區(qū)引入多一路電源施工難度較高，因此設(shè)計(jì)了帶光伏的電源架構(gòu)，在原有蓄電池儲(chǔ)能基礎(chǔ)上，結(jié)合分布式微電網(wǎng)，將光伏引入通信電源用以提高電源可靠性，如圖2所示。

圖2 帶光伏的通信電源系統(tǒng)

3 穩(wěn)定性分析

電源的可靠性是指在規(guī)定的環(huán)境條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。可靠性的三要素為環(huán)境條件、時(shí)間區(qū)間和規(guī)定功能[8]。產(chǎn)品可靠性是通過可靠度、故障率(或失效率)、平均無(wú)故障工作時(shí)間、可用度和不可用度等來(lái)表征的。

3.1 穩(wěn)定性指標(biāo)[9]

(1) 可靠度R(t)：是指產(chǎn)品在規(guī)定的環(huán)境條件下和規(guī)定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。可靠度的函數(shù)形態(tài)可以是指數(shù)分布、正態(tài)分布和威布爾分布等。可靠度和不可靠度之和為1。其中,不可靠度用Q(t)表示。

(2) 故障率λ(t)：是指已工作到時(shí)刻t的產(chǎn)品,在該時(shí)刻后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。

(3) 平均無(wú)故障時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failure)：是指可維修的設(shè)備或系統(tǒng)，在發(fā)生故障經(jīng)修復(fù)后繼續(xù)工作，從本次故障到下一次故障所經(jīng)歷的平均時(shí)間。在電源系統(tǒng)中這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

3.2 數(shù)學(xué)模型[10]

(1) 單設(shè)備電源系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型,如式(1)。

(1)

(2) 多個(gè)設(shè)備級(jí)聯(lián)時(shí)，根據(jù)乘法原理，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的可靠度Rs(t),如式(2)。

RS(t)=R1(t)R2(t)……Rn(t)=e-λ1te-λ2t……e-λnt=e-λst

(2)

式中,Ri(t)為第i(1≤i≤n)個(gè)設(shè)備的可靠度，λi為第i(1≤i≤n)個(gè)設(shè)備的故障率，λs為系統(tǒng)故障率。

根據(jù)式(1)可得系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間,如式(3)。

(3)

(3) 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性：并聯(lián)系統(tǒng)的不可靠度Qs(t)為各不可靠度的乘積，因此并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度Rs(t),如式(4)。

Rs(t)=1-Qs(t)=

1-[1-R1(t)][1-R2(t)]……[1-Rn(t)]

(4)

對(duì)于由兩個(gè)設(shè)備并聯(lián)組成的系統(tǒng)，其可靠度Rs(t),如式(5)。

(5)

根據(jù)式(1),如式(6)。

(6)

3.3 穩(wěn)定性計(jì)算[11]

根據(jù)《YD/T 1051—2010通信局(站)電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》中規(guī)定，各設(shè)備在使用壽命期間內(nèi)的可靠性指標(biāo),如表1所示。

表1 各設(shè)備可靠性指標(biāo)

傳統(tǒng)開關(guān)電源簡(jiǎn)化模型，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)開關(guān)電源簡(jiǎn)化模型

根據(jù)式(3)，交流配電和整流器串聯(lián)的MTBFab,如式(7)。

(7)

同理可得式(8)。

MTBFef≈1.14×104(h)

(8)

同理，可得與光伏并聯(lián)后MTBFa-f≈7.33×104(h)

根據(jù)式(3)再與之流配電串聯(lián)的MTBF,如式(9)。

(9)

4 總結(jié)

市電有時(shí)會(huì)出現(xiàn)供電中斷或相關(guān)的供電質(zhì)量問題，如在供電質(zhì)量方面，可能出現(xiàn)瞬態(tài)尖峰、頻率突變、帶有振鈴式瞬態(tài)干擾波換相失真干擾、浪涌等。為了能夠?yàn)橥ㄐ旁O(shè)備提供持續(xù)、穩(wěn)定且潔凈的交流正弦電壓，交流負(fù)載需采用UPS作為電源輸入。UPS由整流器、蓄電池組、逆變器和轉(zhuǎn)換開關(guān)等部分組成，其輸入、輸出均為交流電。我國(guó)通信系統(tǒng)所采用的UPS無(wú)論市電是否正常，均由UPS中的逆變器輸出。當(dāng)市電正常時(shí)，UPS跟蹤市電并輸出穩(wěn)定的交流電；當(dāng)市電停電時(shí)，由蓄電池組放電經(jīng)逆變器提供穩(wěn)定交流電；當(dāng)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)備份旁路，由市電或備用UPS直接供電。而引入光伏后不僅系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升，加之光伏設(shè)備的壽命較之其他電源設(shè)備壽命較長(zhǎng)，結(jié)合上述模型可以得出，引入光伏電源能有效的提高通信電源的穩(wěn)定性，且與引入第三路市電相比在偏遠(yuǎn)地區(qū)具有施工簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此帶光伏的通信電源架構(gòu)具有一定的實(shí)際意義。