多種光伏接入方案在通信直流供電系統中的應用

李 凱

（廣東郵電職業技術學院，廣東 廣州 510630）

0 引 言

太陽能是清潔可再生能源，對其進行綜合開發利用，可大大減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物等溫室氣體排放，對碳達峰、碳中和國家政策的實施具有重要意義。目前，戶用光伏發電和大規模光伏電站已經在國內外得到廣泛應用，技術方案已趨于成熟。為滿足民用與工業供電中多數的交流負載，光伏電站需要將已發出的直流電逆變為交流電才可以并網或離網使用。通信局站的負荷本身很多就是直流供電，將光伏發電引入通信供電系統后，若仍將其輸出的直流電先逆變并網后再整流為直流電，會增加轉換過程中的能量損失和設備的投資，且占用了有限的局站空間。所以，近些年國內外已經在光伏與直流混合供電領域開展了很多應用研究。例如：中國電信在部分地區通信基站試點了基于-48 V 的光伏嵌入式供電[1,2]；東南大學研究不間斷電源系統（Uninterruptible Power System，UPS），將光伏接入儲能裝置側的直流供電；廈門大學試點了380 V 高壓直流系統，將光伏發電接入鉛酸蓄電池側的直流電源[3,4]。總體來看，光伏的直流并網開始得到較為廣泛的應用，成為廣大學者和工程師的研究熱門。

1 嵌入式太陽能通信直流供電系統

嵌入式太陽能發電系統率先由中國電信提出，在原有通信基站電源系統的負載端接入，是一種輔助電源，無須對蓄電池充電。因此，太陽能陣列的額定容量只需達到負載功率的1.5 ～2.0 倍，在一定環境下即可滿足負載需要[1,2]。經過多年的實驗探索后，技術日漸成熟，且隨著光伏陣列價格的持續下降，在通信基站原有的-48 V 開關電源系統基礎上嵌入太陽能光伏發電系統，越來越具備推廣價值和實際意義。

1.1 嵌入式太陽能光伏發電系統結構組成

通信用嵌入式太陽能光伏發電系統主要是在原-48 V 電源基礎上，配置1 ～2 倍額定負載容量的光伏陣列，并接到直流負載入線側，為負載輔助供電，實現基站的節能減排。它主要包括-48 V 通信電源系統（380 V 低壓市電、油機、高頻開關電源、鉛酸蓄電池）和嵌入式太陽能光伏發電系統（光伏陣列、光伏功率控制器、DC/DC 變換器），結構如圖1 所示。

圖1 嵌入式光伏發電結構組成

1.2 嵌入式太陽能光伏發電系統應用原理

在很多實際應用中，太陽能光伏供電系統除了滿足負載容量，還會對蓄電池進行充電，接入容量偏大。光照充足時，往往會導致蓄電池過充，縮短蓄電池的使用壽命，甚至燒壞蓄電池。除此之外，有的光伏發電被嵌入通信電源系統后，參與蓄電池組的一次下電、二次下電管理，導致原通信電源系統功能紊亂，意外造成同基站多次重復掉電。為了避免此類問題出現，嵌入式太陽能供電系統設置了光伏運行的上止點工作電壓和下止點電壓。

為了使太陽能光伏發電系統優先進行功率輸出，可以將其作為輔助電源，達到節能減排的效果。在系統運行的任何時刻，太陽能光伏發電系統的輸出電壓均應比原通信電源直流系統的輸出電壓高。此外，為了不浪費光照資源，盡量使光伏發電系統輸出最大功率，使太陽能系統的光伏陣列輸出電壓處于接近最大功率點對應的電壓。實際運行時，原系統的電壓比光伏接入點的輸出電壓低0.5 ～1.0 V，可確保光伏板優先輸出功率。太陽能功率控制系統采用脈沖調節技術，可通過控制光伏發電模塊的輸入電壓，實時追蹤理論最大功率點對應的工作電壓，從而實現光伏發電系統的最大功率輸出，運行過程如圖2 所示。

圖2 嵌入光伏發電系統的鉛酸蓄電池充放電管理

（1）通信電源系統正常運行的大多數時間，蓄電池處于浮充狀態，通信電源系統母排電壓為53.5 V，此時光伏系統電壓設置為54 ～54.5 V，確保光伏優先輸出。

（2）當交流市電忽然停電時，蓄電池組開始放電，電池電壓下降。當嵌入節點的電壓逐漸低于47 V 的預設閾值時，光伏發電系統停止輸出功率，從而避免對通信電源供電系統電壓46 V 時一次下電和43 V 時二次下電產生影響。

（3）當市電恢復供電后，蓄電池組處于均充狀態，光伏接入點的母排電壓由低往高恢復至50 V，光伏發電系統恢復輸出。因為蓄電池電壓約達到56.5 V，所以電池充電狀態會由均充轉浮充，避免光伏系統對其產生影響。當接入點的電壓逐漸升高至超過55 V的預設閾值時，光伏發電系統停止輸出直流功率。

（4）當蓄電池電壓達到56.5 V 時，通信電源供電系統均充結束，開始進行浮充，接入蓄電池組連接點的母排電壓逐漸低于54 V，光伏發電系統恢復功率輸出。

可見，光伏發電系統的方案不參與本身通信電源系統對蓄電池組的均充浮充管理過程，避免光伏發電系統對原有蓄電池組管理一次下電、二次下電、均浮充轉換的紊亂而導致通信電源系統不穩定輸出。

光伏發電系統的太陽能陣列功率略等于或低于負載實際功率需求，蓄電池組不會出現過充的可能，因此采用投切式功率模塊的光伏發電系統無須使用分組分級投切，也無須使用脈寬調制技術，只要日照強度滿足所帶負載功率的條件即可全部投入。同時，它可以通過直流變換器調整光伏陣列輸入輸出電壓，使之接近光伏發電最大功率點的電壓，最終使得光伏陣列輸出功率接近最大值。

1.3 嵌入式太陽能光伏發電系統接入點選擇

光伏發電系統直接接入原有的-48 V 開關電源系統。系統的穩定性和可靠性主要受直接接入節點的位置影響。直流配電系統中可供光伏接入的節點如圖3所示。

圖3 嵌入式太陽能光伏發電系統接入點選擇

（1）A點。該位置為通信直流供電系統的母排，位于開關電源輸出接口、蓄電池組電壓電流測量前端、二次下電接觸器的前端，與蓄電池組之間并無絕緣隔離。當二次下電接觸器動作后，市電還沒有恢復供電，光伏發電系統即恢復輸出，影響原通信直流供電系統的蓄電池組一次下電管理、二次下電管理，甚至可能導致二次下電接觸器反復跳閘、合閘，影響通信的穩定。

（2）B點。該位置為蓄電池組相連母排，位于蓄電池組電流互感器后端。若通過此點接入，光伏發電產生電流會經過檢測點，有可能導致直流供電系統誤認為蓄電池組在放電而影響系統的控制判斷。

（3）C點。該位置位于系統二次下電接觸器的后端，系統一次下電接觸器的前端。此位置嵌入節點無保護器件，若發生短路，易導致直流供電系統跳閘。

（4）D1、D2分別為一次下電供電的負荷端子和二次下電供電的負荷端。在負荷節點的接入光伏系統可避免對蓄電池組均浮充過程的影響，并且接入點在供電負荷端子熔絲的后端，可對光伏系統的短路或者其他故障進行保護，為太陽能供電系統的最佳接入節點。

2 高壓直流光伏混合供電模式

隨著5G 數據業務的發展，數據中心互聯網技術（Internet Technology，IT）設備急速增加，供電基礎設施占地面積越來越大，擠占了IT 設備的空間[5]。高壓直流供配電系統可以實現供配電系統的高功率密度，降低總體體積，提高空間利用率，使得數據中心大容量直流供電系統的應用越來越普遍。

國內通信運營商大力發展240 V、336 V 等高壓直流系統，并實現自有信息與通信技術（Information and Communications Technology，ICT）設備的高壓直流供電[6]。光伏并網發電逆變前的輸出電壓多為400 V，與336 V 的電壓非常接近。隨著各類大型數據中心的建設，大面積的機房為光伏安裝提供了有利條件，促使高壓直流系統與光伏混合供電的模式日漸成熟[7]。

2.1 高壓直流光伏混合供電并網方案

2.1.1 方案1

采用傳統的交流并網方案，將光伏陣列發出的直流電經逆變器轉為交流電，然后與市電并聯，再經過高壓整流為ICT 設備供電，如圖4 所示。然而，由于轉換次數多、效率低，且需要的設備多、投資大，它主要適合新建的數據中心。新建的數據中心剛開始機架數量少，光伏發電容量大于直流設備容量，多余的光伏發電量并網。

圖4 光伏與交流混合并網方案1

2.1.2 方案2

釆用高壓直流和光伏混合供電方案，太陽能發電經過功率控制器和高壓直流母線直接為ICT 設備供電，如圖5 所示。此方案系統設備少，省去了逆變器，即使是240 V 系統也可僅僅添加一個DC/DC 變換器，電能轉換效率較高，采用模塊化有一定冗余度，可方便投入和退出，便于維修和調整輸出功率，設備投資較低。

圖5 光伏與高壓直流混合并網方案2

2.2 系統應用需注意的問題

2.2.1 安全性問題

一方面，機房屋頂承載力問題。在已有的數據中心安裝光伏發電系統，需注意機房樓頂的承載能力。另一方面，原電源系統干擾問題。引入的光伏系統同樣會出現短路和過壓等故障，要注意光伏系統和原有電源系統的隔離。

2.2.2 功率的總體控制

光伏發電模塊和原有通信電源系統統一控制，實現輸出功率的及時控制，并引入能源路由器，在負荷波動時對光伏發電進行功率控制。

3 結 論

本文主要論述通信電源系統不同應用場景下光伏的接入方案。當通信運營商基站數量多、布點分散時，采用嵌入式光伏發電方式將光伏系統接入原來的-48 V 直流系統，不影響原通信電源系統的正常工作。該方式穩定可靠且可充分利用新能源節能增效，一般5 年收回成本，具有很好的推廣價值。對于面積較大的通信機房尤其是大型數據中心，若為新建設機房，ICT 設備安裝數量少，供電需求小，可采用交流和光伏混合供電方式，余電上網。若ICT 設備安裝容量很大時，供電采用高壓直流系統與光伏混合供電方案是完全可行的。