通信電源高效節(jié)能控制技術(shù)探討

楊寶義

（青島億斯歐管理咨詢有限公司，山東 青島 266400）

0 引 言

5G時(shí)代通信呈現(xiàn)出超大帶寬、無限連接、海量信息以及超低時(shí)延的特征，越來越多的頻譜投入，通信能源消耗急速增長。電源系統(tǒng)作為主要耗能部分，決定了通信電源的整體節(jié)能效果[1]。通信電源系統(tǒng)的能源消耗是新時(shí)期通信能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]。但當(dāng)前通信電源效率仍停留在整流模塊階段，效率一般在90%以上，最高效率為99%，但即使達(dá)到了99%的極限控制水平，也不能改變能源消耗更多發(fā)生在整站層面的現(xiàn)狀。因此要更加關(guān)注站點(diǎn)級(jí)能源高效節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用，加大對(duì)整站通信電源高效節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)的研究[3]。

1 通信設(shè)備高效節(jié)能控制技術(shù)

1.1 降低變壓器能耗

變壓器能耗是主要的設(shè)備能耗，其節(jié)能技術(shù)首先是減少空載損耗，變壓器空載和負(fù)載損耗為：

式中，PT代表負(fù)載損耗，P0為空載下的有功損耗，Pk為滿載下的有功損耗，Sr為額定容量，β為負(fù)載率。從公式可見，負(fù)載損耗和負(fù)載量β的平方呈正比。因此在運(yùn)行中，當(dāng)負(fù)荷低于減少一臺(tái)最大負(fù)荷和負(fù)載率，即可輪流關(guān)掉一臺(tái)變壓器，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。當(dāng)變壓器負(fù)載率長期在30%以下，即可以減少一臺(tái)變壓器。其次是合理分配負(fù)載，在所有變壓器型號(hào)和規(guī)格相同的狀況下，負(fù)載相同，其損耗最小。因此在設(shè)備選型過程中要選擇一致性的變壓器，同時(shí)確保變壓器運(yùn)行能耗和電壓器相匹配。

1.2 電源轉(zhuǎn)換裝置節(jié)能技術(shù)

電源轉(zhuǎn)換裝置的效率決定了其能耗利用效率，低效的轉(zhuǎn)換裝置發(fā)熱過高，還會(huì)增大空調(diào)系統(tǒng)的壓力[4]。目前不同廠家的轉(zhuǎn)換裝置效率在80%～95%，如果設(shè)備和電源轉(zhuǎn)換器存在不匹配，那么電路電阻就會(huì)上升，從而導(dǎo)致設(shè)備無效能耗增加。為了降低通信設(shè)備能耗，就要降低信息轉(zhuǎn)化芯片的能耗水平，其對(duì)應(yīng)的能耗裝置也會(huì)相應(yīng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1.3 電池節(jié)能技術(shù)

盡管閥控鉛酸電池具有良好的防酸防爆特性，但是環(huán)境適應(yīng)性較差、維護(hù)難度高且節(jié)能性較差，因此目前鉛蓄電池正在逐漸向鋰電池轉(zhuǎn)化。鋰電池因?yàn)楣ぷ鳒囟雀鼘挘梢詫?shí)現(xiàn)將制冷啟動(dòng)溫度閾值上調(diào)，減少空調(diào)耗能。使用梯級(jí)利用動(dòng)力鋰電池可以延長電池壽命，提高單次充放電利用率。梯級(jí)電池應(yīng)用的關(guān)鍵因素是電池智能管理和控制系統(tǒng)的應(yīng)用，既對(duì)電池組狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，提高其安全性能，又能夠?qū)崿F(xiàn)最佳充放電控制[5]。本系統(tǒng)采用隔離電源供電，能夠?qū)Φ趇（1≤i≤n）個(gè)電池單體進(jìn)行獨(dú)立檢測(cè)。

2 通信電源諧波治理技術(shù)

2.1 電源系統(tǒng)諧波的危害

一是諧波電流使發(fā)電機(jī)組嚴(yán)重發(fā)熱，進(jìn)而出現(xiàn)非線性負(fù)載產(chǎn)生的電壓畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致油機(jī)無法正常運(yùn)行[6]。二是對(duì)變壓器產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，銅耗鐵耗增加，會(huì)引起過度溫升。三是對(duì)電纜產(chǎn)生集膚效應(yīng)，增加諧波電阻和線路損耗，影響其載流量，降低其傳輸能力，其使用壽命最大可降低60%[7]。四是諧波電流會(huì)降低熱元件的發(fā)熱動(dòng)作電流，會(huì)導(dǎo)致電路器誤操作。五是電力電容器的阻抗特性使其吸收諧波電流，導(dǎo)致過載發(fā)熱，甚至諧波諧振。六是干擾通信線路，引起電磁干擾，甚至?xí)斐晒收?。七是諧波嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致電容柜和相關(guān)器件燒毀，影響設(shè)備安全。八是諧波產(chǎn)生無效能耗，降低節(jié)能效率。

2.2 通信電影諧波電源節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

一是對(duì)整流設(shè)備進(jìn)行治理，校正有源功率因數(shù)，提升整流設(shè)備功率因數(shù)，或增加設(shè)備脈沖數(shù)和頻率，降低諧波含量。要進(jìn)一步降低諧波，還應(yīng)該提升諧波輸入指標(biāo)，或是對(duì)諧波標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行配置。二是安裝濾波裝置，減少無源濾波器和系統(tǒng)之間的阻抗造成的并聯(lián)諧振現(xiàn)象?？梢圆捎糜性礊V波器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將諧波分離出來，并且借助IGRT逆變出補(bǔ)償電流。三是采用開關(guān)電源節(jié)能技術(shù)，使用智能開關(guān)調(diào)節(jié)整流模塊，使負(fù)載外的整流模塊處于休眠狀態(tài)。開關(guān)電源應(yīng)在浮沖狀態(tài)下進(jìn)行，采用熱插拔方式，同時(shí)靠近系統(tǒng)負(fù)荷中心，盡管縮短電纜長度，引入高效整流模塊，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗損失。四是采用高頻變化模式，減少通信電源的體積，增強(qiáng)其供電能力。未來，在通信電源中應(yīng)該增加高頻變化技術(shù)的應(yīng)用，不斷改進(jìn)開關(guān)技術(shù)，提升通信電源的集成性，在進(jìn)一步簡化結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)模塊化設(shè)計(jì)，如應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)降低損耗，實(shí)現(xiàn)開關(guān)零電壓，提升變換頻率。使用電感或電容等儲(chǔ)能元件，轉(zhuǎn)移電壓、電流，全橋移相變換器的效率高達(dá)93%。五是采用低電流處理技術(shù)，降低諧波對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)造成的干擾，減少輸入電流的脈沖形成，降低電網(wǎng)負(fù)荷。還可采用高壓直流電源代替UPS電源，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3 整站通信電源高效節(jié)能技術(shù)

目前，基站耗電占通信能耗的90%左右，而基站數(shù)量又是決定通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。因此要高度重視整站節(jié)能技術(shù)，采用新能源、新技術(shù)等實(shí)現(xiàn)通信電源的高效節(jié)能。

3.1 電池地埋技術(shù)的應(yīng)用

機(jī)房規(guī)劃綜合考慮各個(gè)設(shè)備的位置，縮短導(dǎo)線，使用高性能隔熱材料制作節(jié)能墻體和門窗。電池安裝位置要方便維護(hù)，預(yù)留足夠空間，與墻體保持800 mm以上的距離。為了進(jìn)一步提高節(jié)能效果，本研究建議采用電池地埋技術(shù)，降低蓄電池的溫度，避免在高溫下?lián)p壞蓄電池。在地埋裝置中安裝換氣風(fēng)扇和濕度傳感器，避免潮濕環(huán)境帶來的損害。選用防潮的塑料材質(zhì)，使用焊接方法降低成本，對(duì)于硬度不高的塑料要澆筑水泥平臺(tái)或者放置水泥板。尤其重要的是做好電池箱的防水和通風(fēng)散熱，安裝防水膠條，做好密封，合理布置進(jìn)氣管和排氣管，排氣管末端安裝獨(dú)立風(fēng)扇，徹底排出箱體內(nèi)酸氣和潮氣。也要做好防蟲設(shè)計(jì)，在管口安裝防蟲網(wǎng)等設(shè)施。在此基礎(chǔ)上，采用蓄電池恒溫技術(shù)，給蓄電池配備獨(dú)立的系統(tǒng)，保持其溫度在15～25 ℃。

3.2 構(gòu)建風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)工信部的文件，大力應(yīng)用新能源技術(shù)，針對(duì)當(dāng)前太陽能供電不足和風(fēng)能不穩(wěn)定的現(xiàn)象，就要增加其額定容量，同時(shí)建立新能源與市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)先使用清潔能源，當(dāng)受到氣象條件影響供電不足的時(shí)候，使用市電進(jìn)行補(bǔ)充。清潔能源發(fā)電量高于負(fù)載量時(shí)，向電網(wǎng)輸電，提高電能利用率。例如，采用光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)使用光伏裝置連接電網(wǎng)，用于向電網(wǎng)輸電[8]。儲(chǔ)能裝置處于充電模式時(shí)電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送電能，處于放電模式時(shí)向電網(wǎng)輸電?？紤]到移動(dòng)通信基站的負(fù)荷波動(dòng)小，因此要采用控制系統(tǒng)進(jìn)行需量電費(fèi)管理。本設(shè)計(jì)采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)機(jī)大葉片帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，快速切割磁力線，獲得交流電能。使用太陽能電池板穩(wěn)定獲得直流電，由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。為實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)需實(shí)時(shí)反饋并且調(diào)節(jié)日照、風(fēng)力以及負(fù)載耗電等指標(biāo)。

圖1 風(fēng)電互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)圖

3.3 構(gòu)建智能通風(fēng)系統(tǒng)

基站內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)也對(duì)節(jié)能效果有著巨大的影響，過高過低的溫度都會(huì)造成能耗增加，甚至產(chǎn)生“掉站”現(xiàn)象。目前多數(shù)機(jī)房都是通過空調(diào)降溫，其能耗能占到基站的50%左右。因此要推廣智能通風(fēng)等新技術(shù)，采用空氣循環(huán)、過濾和冷卻控制，利用室內(nèi)外溫差，不需制冷直接引入冷空氣，排除熱空氣，如LTE節(jié)能技術(shù)[9]。系統(tǒng)平時(shí)采用自動(dòng)化模式，設(shè)定好溫度閾值，室溫小于最小值時(shí)關(guān)閉空調(diào)和風(fēng)機(jī)，當(dāng)室溫處于閾值之間，室外濕度在閾值80%之內(nèi)時(shí)，打開風(fēng)機(jī)，當(dāng)室溫高于閾值時(shí)打開空調(diào)關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

引入新風(fēng)能技術(shù)，在通信機(jī)房內(nèi)建立新風(fēng)系統(tǒng)，充分利用自然冷源。當(dāng)室外溫度較高時(shí)直接引入冷風(fēng)進(jìn)行冷卻，當(dāng)室外溫度較高時(shí)啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。為了提高節(jié)能效率，還可以使用雙循環(huán)節(jié)能空調(diào)設(shè)備，如采用完全節(jié)能泵模式還可以實(shí)現(xiàn)55%以上的節(jié)能。此外，可采用非電空調(diào)制冷技術(shù)將溴化鋰溶液加熱，水先于溴化鋰蒸發(fā)冷凝之后再次和溴化鋰相融，實(shí)現(xiàn)降低目的，其節(jié)能效果能夠達(dá)到30%以上。采用風(fēng)扇智能調(diào)速，系統(tǒng)中安裝溫度傳感器，通過改變風(fēng)扇電壓等方式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，其節(jié)能效果可高達(dá)70%。同時(shí)也要適當(dāng)減小機(jī)房面積，并且加裝分布式熱管空調(diào)和冷卻設(shè)備，提高節(jié)能效果。

3.4 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能控制

為了及時(shí)了解通信電源的能耗狀態(tài)，使用數(shù)字技術(shù)和傳感器技術(shù)提升電氣自動(dòng)化控制水平，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)核算。例如太陽能發(fā)電將削峰填谷技術(shù)和數(shù)字化控制相結(jié)合，對(duì)基站實(shí)施峰值削波，在峰電階段，控制空調(diào)系統(tǒng)不工作直到閾值再開啟，其原理如圖2所示。多余太陽能發(fā)電可以利用蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)，以應(yīng)對(duì)特殊天氣?？紤]到通信工程的復(fù)雜環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)其高效節(jié)能，就要充分利用電氣自動(dòng)化和智能化技術(shù)，對(duì)通信電源實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)字化控制。通過引入新型的微處理器和電源管理系統(tǒng)對(duì)通信電源進(jìn)行節(jié)能自動(dòng)化控制，發(fā)揮自我診斷和修復(fù)功能，提升節(jié)能效率，如采用ARM最優(yōu)控制算法來提高開關(guān)電源的效率[10]。通信電源可以采用分布式監(jiān)控方式和模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電池的均浮充轉(zhuǎn)換、電量管理、節(jié)能運(yùn)行、電池測(cè)試以及停電后的來電預(yù)限流控制等，維護(hù)人員可以直接在操作界面上完成電池維護(hù)的工作。

圖2 太陽能發(fā)電功率配置

4 結(jié) 論

我國是通信大國，每年通信電源系統(tǒng)電能消耗巨大，高效節(jié)能技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用迫在眉睫。因此在未來的研究中，要加大對(duì)電池管理技術(shù)、智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)算法以及站點(diǎn)級(jí)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)，從而推動(dòng)通信行業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。