基于多功能双向直流变换的零碳模块化电源_岑祺.pdf

2023年 第1期0引言2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”近年来，光伏产品、风能产品如雨后春笋般涌现，采用新能源替代传统能源实现零碳排放是今后通信开关电源发展的趋势。目前通信用的开关电源主要采用传统的市电引入、蓄电池备电的方式，光伏电池供电、风机供电、储能电池和备电池共同使用，削峰填谷赚取峰谷电价的差价以降低成本等新技术也逐渐成为通信用开关电源研究的方向。本文主要研究基于多功能双向直流变换的零碳模块化开关电源如何通过光伏、风能等新能源接入，实现建设在山区，具备光伏、风能供电场景的基站可实现全年用电零碳排放。基站全年零碳排放的通信站点用电可自给自足，全年用电零碳排放或通过光伏电池、风能等接入，自发自用，余电上网，在新能源无法发电时可使用市电保障。1零碳模块化开关电源简介零碳模块化开关电源系统主要包含离网型和并网型两种。离网型的零碳模块化开关电源需配置容量较大的储能电池，以保障极端天气下通信设备的正常运行。并网型零碳模块化开关电源只需配置备电时长24 h的储能电池即可，储能不足时市电供电，绿电多余时可余电上网。两种开关电源配置时均需要配置充足的光伏电池和风机容量，以满足在以年为周期的时间内实现零碳排放。2零碳模块化开关电源组成零碳模块化开关电源系统并网型主要包括交流输入模块、光伏电源模块、直流风机电源模块、蓄电池模块、整流模块、光伏DC（直流）/DC模块、风机DC/DC模块、电池DC/DC模块、母排配电模块、逆变和并网模块直流配电单元及监控模块等。当采用离网型开关电源时无需安装并网模块。当基站不需要使用交流电时，可不配置逆变模块。对于光伏DC/DC模块、风机DC/DC模块、电池DC/DC模块等按需配置，不涉及该项功能时无需配置。基于多功能双向直流变换的零碳模块化电源系统图1所示。3零碳模块化开关电源实现原理3.1零碳模块化开关电源控制流程离网型零碳模块化开关电源采用光伏DC/DC模块及风机DC/DC模块将清洁能源输入到开关电源系统，为通信设备供电，多余电能可存储至蓄电基于多功能双向直流变换的零碳模块化电源岑祺（福建省邮电规划设计院有限公司，福建省福州市650003）摘要文章阐述零碳模块化开关电源的系统组成、实现原理、工作流程、控制逻辑等，该系统通过光伏、风能等新能源接入，基站可实现全年用电零碳排放。介绍零碳模块化开关电源的多功能双向直流变换模块的优势、系统组成、工作原理以及基站实现零碳需要的新能源发电设备和储能设备。该模块具有统一的硬件形态，降低开发和生产难度，节约研发成本，相同的硬件设备平台有利于降低维护管理难度，通过驱动单元程序及参数的设定可实现不同功能，提升设备的通用性，提高设备的利用率。关键词零碳；开关电源；双向直流变换；新能源技 术 交 流242023年 第1期图1基于多功能双向直流变换的零碳模块化电源系统图池。当风能、太阳能不足的时候，蓄电池为通信设备供电，总体上实现零碳排放。并网型零碳模块化开关电源优先采用光伏DC/DC模块及风机DC/DC模块将清洁能源输入到开关电源系统，为通信设备供电，多余电能可存储至蓄电池。蓄电池在充满的情况下，还可将电能逆变并网送电至公网，在无清洁能源及蓄电池无储能时方采用外市电供电，在年周期的时间内实现零碳排放。零碳模块化开关电源控制流程如图2所示。3.2零碳模块开关电源工作流程零碳模块开关电源工作时，主要通过各模块为直流母排供电时的电压来控制能源使用的优先级，以并网型零碳模块开关电源为例，详细阐述零碳模块化开关电源的工作流程。a）监控模块将风能、光伏DC/DC模块的输出电压设置在55 V；电池DC/DC模块的输出至母排的电压设置为54 V，电池充电电压设置在56 V；市电整流模块启动电压阀值设置在46 V，逆变模块逆变电压设置为57 V。b）当风能、光伏的电能充足时，直流电压稳定在55 V，为通信设备供电；当风能、光伏的电能不足时，电压会从55 V下降至54 V以下，此时蓄电池和风能、光能同时为通信设备供电，当电压回升至54 V以上时，蓄电池不再为通信设备供电。c）当风能、光伏的电能不足且蓄电池的电能不足时，蓄电池的电压持续下降，当降低至46 V及以下时，市电整流模块启动，市电为通信设备供电，但当电压稳定在46 V时，不对蓄电池进行充电。风能和太阳能此时若能产生电能，可以和市电同时为设备供电。d）随着风能和光伏产生电能逐渐增加，光伏DC/DC的电压逐渐升高，当电压高于46 V时，市电停止供电，当电压回升至56 V后，启动蓄电池充电，风能和光伏电池在给通信设备供电的同时，也为蓄电池充电。当蓄电池充满后，风能、光伏DC/DC的电压持续升高，当电压超过57 V后，逆变器启动，风能、光伏产生的剩余的电能转化为220 V/380 V的交流电，并网后为电网供电。技 术 交 流252023年 第1期图2零碳模块化开关电源控制流程图3.3零碳模块开关电源各模块功能及参数a）光伏DC/DC模块，用于光伏模块的接入，输出连接至直流母排，通常输入电压为58150 V DC，输出电压为4258 V DC可调，模块具有热插拔功能。光伏DC/DC模块可根据监控模块控制调整电压值，最终调整供电的优先级。b）风电DC/DC模块，用于直流风机的接入，输出连接至直流母排，通常输入电压为48150 V DC，输出电压为4258 V DC可调，模块具有热插拔功能。风电DC/DC模块可根据监控模块控制调整电压值，最终调整供电的优先级。c）电池DC/DC模块，用于蓄电池的接入，输出连接至直流母排，相同的电池可通过断路器直接接入母排，也可通过DC/DC接入母排；不同的蓄电池通过DC/DC接入母排后，实现不同蓄电池的隔离以及优先放电的功能。电池DC/DC模块具有双向输入输出功能，有蓄电池为开关电源供电以及开关电源为蓄电池充电两种方式。双向输入输出电压均为4258 V DC可调，模块具有热插拔功能。电池DC/DC模块可根据监控模块控制调整电压值，最终调整供电的优先级。d）监控模块，监控模块含电压、电流、频率等检测单元，显示界面及输入键盘，具备RS485或RJ45通信接口，可以和动力环境监控通信或者远程通信，可控制各类模块的输入输出电压，控制开关电源按照预设定的逻辑供电。监控模块还可以通过键盘设置开关电源各模块的控制逻辑，控制各模块按照新设定的逻辑供电。e）市电整流模块，用于市电输入转换为直流电输出至直流母排，当监控模块检测到风电、光伏等新能源以及蓄电池的电能不足时，启动整流，将市电转化为-48 V的直流电为通信设备供电。f）逆变模块，用于将直流母排上的直流电能逆变为220 V/380 V的电能，电能可为空调供电或并网为电网供电。逆变模块由监控模块控制是否启动逆变为电网供电。g）智能直流配电单元，连接于直流母排，可按照监控模块的控制，控制每一路开关的通断实现设备技 术 交 流262023年 第1期的供电或下电，具备电压下电、时间下电、电量下电等功能。4多功能双向直流变换模块4.1双向直流变换模块的优势通常不同功能的DC/DC模块电压等级各异，部分为单向DC/DC、部分为双向DC/DC，设备标准不同导致设备繁多、制造成本高、通用性差、开发难度大、管理困难、利用率低，在部分功能不使用后该模块闲置。本文介绍一种多功能双向直流变换模块，该模块硬件为统一的硬件形态，减少硬件设备的种类从而降低开发和生产难度，节约成本，相同的硬件设备平台有利于降低维护管理难度，通过驱动单元程序及参数的设定可实现不同功能，提升设备的通用性，提高设备的利用率。多功能双向直流变换模块为双向宽电压输入宽电压可调输出的直流变换模块，不同功能可以通过驱动单元进行设定实现。该模块的第一变换单元及第二变换单元之间通过隔离变压器M进行电压隔离，即多功能双向变换模块的输入端与输出端电压隔离，输出为对地悬浮的电压，可以用于高压直流远供，可阻隔部分雷电流或浪涌电流。多功能双向直流变换模块采用二级变换，相较于传统一级变换，电压变换能力大幅提升。4.2双向直流变换模块的组成多功能双向直流变换模块可根据程序参数的设定实现光伏DC/DC模块、风电DC/DC模块、电池DC/DC模块、5772 V直流升压模块、240750 V高压直流远供模块、12 V/24 V/36 V低电压直流模块等功能。多功能双向直流变换模块电路原理如图3所示。双向直流变换模块包括第一变换单元、隔离变压器、第二变换单元及驱动单元。第一变换单元包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电容器C1以及电感器L1。第二变换单元包括开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、开关管Q8、电容器C2以及电感器L2。第一变换单元及第二变换单元之间通过隔离变压器M进行电压隔离。当电能从第一输入侧向第一输出侧传递，再通过隔离变压器M传递至第二输入侧，然后再向第二输出侧传递，则称为正向供电。当电能从第二输出侧向第二输入侧传递，再通过隔离变压器M传递至第一输出侧，然后再向第一输入侧传递，则称为反向供电。其中驱动单元通过控制开关管Q1到Q8的工作时序进行实现控制电能传递的方向。多功能双向直流变换模块可以正向升压、降压、稳压供电，也可以反向升压、降压、稳压供电，不同时间内可实现双向供电。4.3双向直流变换模块的工作原理双向直流变换模块的驱动单元用于向开关管Q1Q8发送触发信号，控制开关管Q1Q8的工作时序以及占空比，以实现正向升压、正向降压、反向升压、反向降压等功能。多功能双向直流变换模块工作时序如图4所示。1）正反向供电当需要模块正向供电时，在一个数微秒到数十微秒的周期t内，驱动单元的触发信号先同时导通开关管Q1及开关管Q3，为电感器L1储能，然后同时导通开关管Q2及开关管Q4，隔离变压器M将电感器L1的储能释放至第二变换模块。同理在一个数微秒到数十微秒的周期t内，驱动单元的触发信号先同时导通开关管Q5及开关管Q7，为电感器L2储能，然后同时导通开关管Q6及开关管Q8，电容C2过滤后输出电能，多功能双向直流变换模块可以图3多功能双向直流变换模块电路原理图技 术 交 流272023年 第1期正向供电。反向供电与正向供电方向相反。驱动单元用于正向供电时，控制开关管Q1Q4的工作时序比开关管Q5Q8超前约5/4个周期，反向供电时，开关管Q1Q4的工作时序比开关管Q5Q8滞后约5/4个周期。超前或滞后周期可根据负载阻性、容性、感性的特征进行调整。同一模块在不同的时间段的单工正反向供电称为双向供电。2）升压降压双向直流变换模块的驱动单元通过控制开关管Q1Q8的占空比进而控制多功能双向直流变换模块的升压、降压或者稳压。在多功能双向直流变换模块 正 向 供 电 的 工 况 下，调 整t周 期 内MOS管Q1Q8的占空比D。当D大于50%时，第一输出侧的输出电压V2大于第一输入侧的输入电压V1，模块工作于升压状态。当D小于50%时，第一输出侧的输出电压V2小于第一输入侧的输入电压V1，模块工作于降压状态。当D等于50%时，第一输出侧的输出电压V2等于第一输入侧的输入电压V1，模块处于稳压状态。根据用电电压需求确定电压V2，V2=V1D/（1-D）。当D大于50%时，第二输出侧的输出电压V4大于第二输入侧的输入电压V3，模块工作于升压状态。当D小于50%时，第二输出侧的输出电压V4小于第二输入侧的输入电压V3，模块工作于降压状态。当D等于50%时，第二输出侧的输出电压V4等于第二输入侧的输入电压V3，模块处于稳压状态。电压V4=V3D/（1-D）=V1D2/（1-D）2。反向供电升降压工作方式类似于正向供电升降压，方向相反。5新能源及储能设备的配置要实现基站、视频监控站或机房全年的零碳排放，要求配置的新能源发电设备在当地全年的发电量大于设备的用电量。例如采用互补基站，则光伏发电量+风机发电量需大于设备的用电量。若采用离网型设备则还需要考虑发电峰值时无法存储能源，弃光、弃风的情况加大相应的冗余。5.1