一種交直流一體化電源項目的研究

章建萍，韋覃程

（江西泰豪動漫職業學院，江西 南昌 330200）

0 引 言

在電網供電不能達到或電力保障能力不足的區域，由于通信設施需要長期不間斷地進行48 V 供電，這就要求通信用發電設備集成交流發電、直流供電、蓄電池充放電以及監控等多種功能。交直流一體化電源項目改變了傳統柴油發電機組只有一種輸出電壓的供電模式，整合了發電技術、交直流轉換技術、數據監控技術，綜合考慮環保要求和項目產品運行的經濟可靠性，提出了一種針對通信基站供電電源產品的設計思路。

1 設計背景分析

通信設施需要長期48 V 直流供電，在沒有電網的情況下，通信電源需要集成交流發電、直流供電以及多種監控模式。為改變傳統柴油發電機組只有一種輸出電壓的模式，同時集成直流供電技術（直流/交流轉換、濾波整流）、蓄電池充放電技術、綜合控制技術等，研制一種交直流一體化通信靜音電源產品，在沒有電網供電的情況下，為通信設施提供長期不間斷的電能。對于有電網覆蓋的地區，也可作為通信應急電源提供應急供電[1]。通過市場調研，為滿足通信行業的使用需求和國家的環保要求，交直流一體化電源需要具備智能控制、遠程監控、環境適應能力強、噪聲低、排放小、低耗能、可靠性高以及維護簡單等特點。

項目產品對環境的影響主要為噪聲和廢氣排放。如果優化柴油發電機組給蓄電池充電的運行模式，即柴油發電機組采用間歇工作制，這樣就能減小能耗，減少廢氣排放。同時，機組采用靜音設計，1 m 處的噪聲為75 dB（A），節能環保。

隨著通信網絡的飛速發展，為通信設施供電電源的市場帶來了較大的機遇。該項目在技術上具有較強的可實施性，能廣泛應用于電信通信行業，滿足偏遠地區通信設施長期供電的需求，市場潛力巨大[2-4]。

2 交直流一體化電源系統技術方案

2.1 系統組成

交直流一體化電源產品主要由發動機、發電機、機組自動控制系統、油箱、消聲器系統、交直流一體（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉換系統、監控系統、蓄電池組、空調以及靜音箱等組成。當蓄電池電能充足時，發電機組處于停機狀態，蓄電池向通信設備提供電能；當蓄電池臨近放電終了時，監控系統發出指令，柴油發電機組開機進入工作狀態，向通信設備供電或者向蓄電池充電。發電機組可能處于恒定負荷工作狀態或停機狀態，因此可通過系統設計和運行模式的優化，大大減少發電機組的油耗和污染排放，同時延長蓄電池的工作壽命[5]。交直流一體化電源系統原理框架如圖1 所示。

圖1 系統原理框架

2.2 柴油發電機組技術方案

發電機組由發動機、發電機、機組自動控制系統、油箱以及消聲器系統等組成。發電機機組有兩組交流電壓輸出，一組（三相365 V/50 Hz）向1# AC/DC 轉換系統供電，另一組（三相42 V/50 Hz）向2# AC/DC轉換系統供電。其中，發電機采用獨立雙繞組（三相365 V/50 Hz、三相42 V/50 Hz）輸出。

2.3 發電機組控制系統技術方案

發電機機組控制系統由機組專用控制模塊和控制屏體組成，可以實現機組的手動、自動開機以及停機功能，同時可以對機組的相關參數進行測量和保護。根據項目需求，接收無源節點的信號或自行檢測市網電源信號，自動開啟機組運行。當市網電源恢復或者接到停機指令后，停止機組運行。發電機組專用控制模塊會在液晶顯示器上顯示發電機組的實際工作電壓、實際工作電流、發電機頻率或發動機轉速、功率因數、有功功率、無功功率、機油壓力、燃油油位、轉速、累計運行時間以及蓄電池的工作電壓等。運行過程中全程監控機組運行狀態，出現二類故障時啟動報警功能，出現一類故障則啟動直接停機功能。其中，二類故障信號包括高水溫、低油位、過欠壓、過欠頻以及蓄電池電壓過高或過低等[6-10]。

2.4 AC/DC 轉換系統技術方案

發電機組運行時，發電機組的2 套三相繞組分別經1# AC/DC、2# AC/DC 轉換系統轉變成48 V 直流給通信設備供電和蓄電池充電。發電機組停止運行時，由蓄電池對通信設備供電。AC/DC 轉換系統構成如圖2 所示。

圖2 AC/DC 轉換系統圖

AC/DC 轉換系統由整流電路、濾波電路、控制電路、保護電路以及輔助電源等組成。主電路包含交流濾波電路、橋式整流濾波電路、軟啟動電路、功率變換電路以及整流輸出濾波電路，能夠完成AC/DC變換。控制電路包含實際測量采樣電路、基準設定電源電路、電壓/電流比較放大、輸入輸出隔離、脈寬調制電路、脈沖信號源電路、驅動電路以及直流輸出電路。除此之外，AC/DC 轉換系統有一些輔助電路，如故障保護電路及其他可以提高運行可靠性的保護電路。

2.5 監控系統技術方案

監控系統原理框架如圖3 所示。

圖3 監控系統原理框架

監控系統主要對充電電壓實時控制，控制機組啟停。當出現過壓/欠壓、三相電壓電流不平衡、直流輸出電壓異常、過電流、整流器故障、整流器關機以及蓄電池均充/浮充功能受限等問題時，及時報警。

項目產品通電工作時，啟動發電機組運行，通過1# AC/DC 轉換系統向負載供電，通過2# AC/DC 轉換系統向蓄電池充電。當監控系統測量到充電電流為60 A，充電電壓達到56.5 V 時，轉為浮充電。當充電電壓為53.5 V 時，繼續充電半小時，然后將負載切換至蓄電池供電，切換成功后停止發電機組工作。當監控系統測量到蓄電池電壓低于48 V 時，發出啟動指令，發電機機組接收指令后啟動運行。監控電路檢測各類關鍵數據合格后，進一步確認1# AC/DC 轉換系統工作正常，將負載切換至1# AC/DC轉換系統供電，2# AC/DC 轉換系統向蓄電池充電。當充電電壓達到56.5 V 時，轉為浮充。如果充電電壓為53.5 V 時，繼續充電30 min，然后將負載切換至蓄電池供電，切換成功后停止發電機組工作。

監控系統采集1#AC/DC 轉換系統輸出電壓和電流參數并顯示，跟系統設置的限值比較，當出現超限時發出報警信號，將供電切換至2#AC/DC 轉換系統。監控系統采集2#AC/DC 轉換系統輸出電壓和電流參數并顯示，跟系統設置的限值比較，當出現超限時，發出報警信號。

監控電路通過測量蓄電池充電電壓和電流，跟系統設置的限值比較，調整電壓調節器改變勵磁整定電壓，保證均充電流為60 A，浮充電壓不大于56.5 V。

通過MODBUS 協議讀取發電機組控制器運行參數（三相電壓、負載電流、電機頻率、功率因數、有功功率、無功功率、潤滑油壓力、燃油液位、發動轉速、工作時間以及蓄電池電壓等）、二類報警故障信號以及一類報警停機信號，給柴油發電機組發出啟動停機命令。

2.6 蓄電池技術方案

蓄電池在整個電源系統中是保障通信設備不間斷供電的核心部件，從產品使用與維護的經濟性考慮，電池的使用壽命要和通信設備的維護與更新周期相匹配。一般來說，充放電次數越多，蓄電池使用壽命就越短；放電電流越大，蓄電池的壽命越短；放電深度越深，蓄電池的壽命越短。通過控制系統合理的控制蓄電池的充放電電流、電壓及次數有利于延長蓄電池的使用壽命。

蓄電池電解質為硫酸溶液，而硫酸具有很強腐蝕性，硫酸濃度的增大會加速板柵的腐蝕，同時促使二氧化鉛松散脫落，從而造成安全隱患。目前，對蓄電池使用安全性影響最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的發生主要與蓄電池的內壓、結構、工藝設計（安全閥失效等）及應當禁止的不正確操作有關。對于密封電池，電池的電化學過程會產生氣體，增加電池內部壓力。當壓力超過一定限度時，會造成電池爆裂，釋放出有毒、腐蝕性氣體、液體。因此，蓄電池需要具備優秀的安全防爆性能，同時具有安裝使用方便、免維護、低內阻等特性。考慮環境溫度對蓄電池壽命和效率的影響，采取溫控措施，利用空調對蓄電池進行冷卻。

2.7 靜音箱技術方案

為了降低噪聲，機組采用靜音設計。靜音箱箱體采用拼塊式圓角結構，連接螺栓內置。箱體內部采用降噪性能優良且具備防火性能的阻燃性吸音棉。該材料為背膠貼膜，加工方便，外形美觀，降噪效果好。經過分析，排氣噪聲是機組噪聲中能量最大的部分，其造成的噪聲污染遠大于進氣噪聲和機械震動噪聲。因此，在設計上對排氣部分做了特別的處理，如排氣端采用波紋管隔振，將內置式的阻抗性消聲器放于箱體內的排風口處。同時，為改善機組的運行環境和降低排氣引起的噪聲，對排氣管進行隔熱隔聲包扎。經分析計算，這樣處理之后可以將噪聲指標下降至少35 dB（A）。在尾氣處理上增加廢氣再循環系統，進一步降低排放物對環境的污染，從而滿足國家高質量的環保要求。

2.8 一體化供電技術設計方案

為完善發電機組、電池交直流一體化供電技術，對交流發電機的性能進行特別設計。交流電機的節距采用2/3 節距，最大限度地降低了相電壓的3 次諧波，確保了較低的電壓波形畸變率。采用2 套獨立的三相繞組，其中第1 組三相繞組線電壓為65 V，總電流為25 A，給蓄電池充電裝置供電；第2 組三相繞組線電壓為65 V、總電流為4.8 A，向開關電源模塊供電，滿足直流48 V 的負載要求。

3 結 論

經過市場調研，隨著通信的快速普及，電力通信行業對集交流發電、AC/DC 轉換、濾波整流、蓄電池充放電以及監控等功能于一體的產品需求量大。從理論上提出交直流一體化通信靜音電源，為通信設施提供長期不間斷、耗能小、自啟動以及噪聲低的供電電源。未來，如果可以將其轉換為實際產品，則能為拓展電力通信覆蓋范圍提供供電保障。