基于雙向變流器的風光互補系統(tǒng)在通信電源中的應用研究

朱耿峰，宋慶華

（華能青海發(fā)電有限公司新能源分公司，青海 西寧 810000）

0 引 言

隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展和普及應用，通信基礎設施的可靠供電變得越來越重要。傳統(tǒng)的通信電源解決方案主要依賴于獨立的風能發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)或蓄電池供電系統(tǒng)。然而，這些傳統(tǒng)方案存在著一些局限性，如風能發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和不可控性，蓄電池供電系統(tǒng)的容量限制和壽命問題。為解決這些問題并提高通信電源的可靠性和可持續(xù)性，近年來研究人員開始關(guān)注基于雙向變流器的風光互補系統(tǒng)的應用。

1 風光互補系統(tǒng)概述

1.1 風能發(fā)電系統(tǒng)

風能發(fā)電系統(tǒng)原理是通過風輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能。風輪通常由多個葉片組成，當風吹過時，風輪轉(zhuǎn)動并帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機通過磁場和線圈的相互作用產(chǎn)生電能。

風能發(fā)電系統(tǒng)的組件如圖1所示，主要包括風輪、發(fā)電機、塔架、控制器以及逆變器等。

圖1 風能發(fā)電系統(tǒng)的組成

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電原理如圖2 所示，利用光伏效應，在光照作用下，光伏電池將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池通常由多個光伏電池片組成，光照射到電池片上時，光能激發(fā)電子，使其躍遷產(chǎn)生電流，從而將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電。

圖2 光伏發(fā)電原理

1.3 風光互補系統(tǒng)

風光互補系統(tǒng)是將風能發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來，通過雙向變流器實現(xiàn)2 者的互補利用。其基本原理是將風能和光伏能源同時接入系統(tǒng)，通過雙向變流器將它們轉(zhuǎn)換為交流電，并供給通信電源系統(tǒng)使用。在充足的太陽輻射和風能條件下，該系統(tǒng)可以同時利用風能發(fā)電和光伏發(fā)電，并將多余的電能儲存起來[1]。而在太陽輻射不足或風力不夠時，系統(tǒng)可以從儲能裝置中釋放電能，以滿足通信設備的需求。風光互補系統(tǒng)的組成如圖3 所示。

圖3 風光互補系統(tǒng)的組成

2 通信電源需求分析

通信設備在各種應用場景中的廣泛應用導致對可靠且持續(xù)的電源供應的需求不斷增加，而通信電源需求能夠幫助技術(shù)人員了解現(xiàn)有電源系統(tǒng)的局限性。以某遠程地區(qū)的通信基站為例，其通信電源需求主要包含以下幾方面：功耗需求為20 ～30 W；一般而言，通信設備的工作電壓范圍較為廣泛，常見的工作電壓為48 V 或24 V。因此，在工作電壓為48V 的情況下，輸出電壓的變化范圍為45.6 ～50.4 V；而在工作電壓為24 V 的情況下，輸出電壓的變化范圍為22.8 ～25.2 V。

3 基于雙向變流器的風光互補系統(tǒng)

3.1 雙向變流器原理和工作方式

雙向變流器是風光互補系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，用于實現(xiàn)風能和光伏能源之間的互補利用。它可以實現(xiàn)能量的雙向轉(zhuǎn)換和功率的控制，使風能和光伏能源可以靈活地供給通信電源系統(tǒng)或儲能裝置。雙向變流器具有2 個主要工作模式，分別是逆變模式（Inverter Mode）和整流模式（Rectifier Mode），具體內(nèi)容如下。

（1）逆變模式。在逆變模式下，雙向變流器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，并將其供給通信電源系統(tǒng)。風能和光伏能源產(chǎn)生的直流電能超過通信電源系統(tǒng)的需求時，雙向變流器將多余的電能轉(zhuǎn)換為交流電并注入電網(wǎng)或其他負載中。

（2）整流模式。在整流模式下，雙向變流器將電網(wǎng)或其他電源的交流能轉(zhuǎn)換為直流電，并將其存儲到儲能裝置。當風能和光伏能源無法滿足通信電源系統(tǒng)的需求時，雙向變流器可以從儲能裝置中釋放電能，以補充能量供給通信電源系統(tǒng)。

雙向變流器通過控制開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)和調(diào)節(jié)其工作頻率來實現(xiàn)能量的雙向轉(zhuǎn)換和功率的控制。控制策略可以根據(jù)系統(tǒng)需求和運行狀態(tài)進行設計，以實現(xiàn)穩(wěn)定的能量互補和優(yōu)化的功率控制。

3.2 風光互補系統(tǒng)的雙向變流器拓撲

風光互補系統(tǒng)中常用的雙向變流器拓撲如表1所示。

表1 風光互補系統(tǒng)中的雙向變流器拓撲

（1）單相全橋拓撲。單相全橋拓撲是一種常用的雙向變流器拓撲，適用于單相風能和光伏發(fā)電系統(tǒng)。它由4 個功率開關(guān)組成，通過控制開關(guān)的導通與斷開，實現(xiàn)電能的雙向流動。具體而言，當風能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能超過通信設備的需求時，變流器將多余的電能反向輸送到光伏發(fā)電系統(tǒng)或電網(wǎng)；當通信設備需求超過風能發(fā)電系統(tǒng)供應時，變流器則從光伏發(fā)電系統(tǒng)或電網(wǎng)中獲取所需的電能。該拓撲結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高[3]。

（2）雙直流母線拓撲。雙直流母線拓撲是一種更復雜的雙向變流器拓撲，適用于大功率風光互補系統(tǒng)。它包括2 個直流母線、2 個全橋變流器和1 個功率平衡控制器。其中，1 個全橋變流器連接風能發(fā)電系統(tǒng)，另1 個全橋變流器連接光伏發(fā)電系統(tǒng)。功率平衡控制器用于控制2 個全橋變流器的工作，實現(xiàn)功率的平衡和雙向能量轉(zhuǎn)換。這種拓撲結(jié)構(gòu)具有較高的功率密度和效率，并能更好地適應大功率的風光互補系統(tǒng)。

（3）多級拓撲。多級拓撲是一種針對大規(guī)模風光互補系統(tǒng)的高效拓撲結(jié)構(gòu)。它將多個單相全橋或雙直流母線拓撲連接在一起，形成多級變流器系統(tǒng)。每個級聯(lián)的變流器負責處理特定功率范圍內(nèi)的電能轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高效運行。多級拓撲能夠提高系統(tǒng)的容錯能力、穩(wěn)定性和效率，并降低單個變流器功率損耗。

4 通信電源需求與風光互補系統(tǒng)的匹配性分析

（1）穩(wěn)定可靠供電需求。通信系統(tǒng)對穩(wěn)定、可靠的供電至關(guān)重要的，風光互補系統(tǒng)通過利用風能和光伏能源的互補性，能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的電力支持，減少對單一能源的依賴，降低供電中斷的風險。

（2）可再生能源利用。風光互補系統(tǒng)利用風能和光伏能源，屬于可再生能源的范疇。通信系統(tǒng)使用風光互補系統(tǒng)作為電源，能夠降低對傳統(tǒng)化石能源的依賴，減少環(huán)境污染和碳排放，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

（3）多能源協(xié)同利用。風光互補系統(tǒng)具備多能源協(xié)同利用的能力。通過雙向變流器的控制策略，風能和光伏能源可以進行靈活的調(diào)度和管理，實現(xiàn)能源的高效利用，滿足通信設備的不同負載需求[5]。

（4）適應多種環(huán)境。風光互補系統(tǒng)適應性強，可根據(jù)不同地區(qū)的自然資源條件進行靈活配置和布局。無論是在風能資源豐富的地區(qū)還是在光伏能源潛力大的地區(qū)，風光互補系統(tǒng)都能夠根據(jù)實際情況進行調(diào)整，提供適宜的電力供應方案。

4.2 風光互補系統(tǒng)在通信電源中的優(yōu)勢和潛在應用

（1）可持續(xù)供電。風能和光伏能源是可再生能源，具有持續(xù)性和可再生性。風光互補系統(tǒng)可以充分利用這2 種能源的穩(wěn)定性和可再生性，為通信電源提供可持續(xù)供電，減少對傳統(tǒng)能源的依賴。

（2）靈活性和可靠性。風光互補系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況和能源供給情況進行靈活調(diào)節(jié)和控制，確保通信電源的穩(wěn)定運行。同時，由于風能和光伏能源具有互補性，系統(tǒng)在某種能源不足或故障情況下仍能提供可靠的電能供應。

（3）節(jié)能減排。相比傳統(tǒng)的燃油發(fā)電等方式，風能和光伏能源具有低碳、清潔的特點。風光互補系統(tǒng)的應用可以減少溫室氣體的排放，降低能源消耗，對環(huán)境更加友好。

（4）成本效益。雖然風光互補系統(tǒng)的初始投資較高，但是隨著技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模效應的提升，其成本逐漸降低。長期運行下來，風光互補系統(tǒng)可以帶來較低的運營成本和更好的經(jīng)濟效益。

潛在的應用領(lǐng)域包括遠程通信基站、無線傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)設備等需要長時間穩(wěn)定供電的場景。

5 結(jié) 論

風光互補系統(tǒng)作為一種綜合利用風能和光伏能源的解決方案，具有在通信電源領(lǐng)域應用的潛力。與傳統(tǒng)通信電源解決方案相比，風光互補系統(tǒng)能夠滿足通信電源的可持續(xù)供電需求，具有靈活性、可靠性、節(jié)能減排和成本效益等優(yōu)勢。它能夠充分利用風能和光伏能源的穩(wěn)定性和可再生性，提供穩(wěn)定、環(huán)保的電能供應。風光互補系統(tǒng)作為一種可持續(xù)、高效的通信電源解決方案，具有廣闊的應用前景。通過不斷的研究和創(chuàng)新，進一步推動風光互補系統(tǒng)在通信領(lǐng)域的應用，為通信設備提供可靠、清潔的電能供應，促進通信行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。