“能效矩陣”讓可再生能源供電方案“升級”

中興通訊股份有限公司 | 劉小光

在一個能量供應系統中，由于輸入能量和負載需要的能量特性不同，輸入能量需要經過一次或者多次變換，才能獲得需要的輸出能量。變換器在變換能量的過程中，會損失部分能量，因此變換器的變換效率成為衡量變換器性能的關鍵指標。

同時，該系統也可能存在多種能量來源，各自經過變換器向輸出部件供應能量。這些不同支路、多級變換的過程，構成了整個系統的“能效矩陣”（Efficiency Matrix）。在可再生能源方案應用規模日益增大的情況下，運營商構建“能效矩陣”提高其能源效率，對節省成本、優化系統、實現節能減排有重要作用。

典型可再生能源方案能量流

典型的風、光、油混合無市電站點（基站等）能源解決方案的系統結構如圖1。其能量分別來自太陽能、風能和燃油，分3個支路。為提供系統的后備時間，該方案需配置蓄電池，如還要穩定的交流供電，則需配備逆變器—這都使得能量經過多次變換才能傳送到最終設備。

圖1 太陽能、風能和柴油混合方案

太陽能支路的效率優化

在光、風和油混合供電系統中，太陽能支路的能量比例超過70%，所以太陽能支路的效率優化效果最為明顯。太陽能支路中，太陽能經光伏組件變換成直流電源，再經太陽能控制器將電能儲存在蓄電池中。

圖2 主流太陽能組件峰值功率的提升趨勢

圖3 柴油機整流器負載率與功率特性曲線

太陽能光伏組件是將太陽能轉化成直流電能的器件，它的效率評價指標是變換效率。通信用太陽能站點中目前廣泛使用的是峰值功率175W的光伏組件（長1580mm，寬808mm），組件變換效率為13.7%。 通信用商用光伏組件的最高效率已經達到16.1%，同樣規格的光伏組件（長1580mm，寬808mm）輸出峰值功率可以達到205W。隨著價格的降低，高效率的光伏組件將取代低效率光伏組件。光伏組件效率提高帶來的一個直接好處就是減少組件的占地面積、降低征地和工程成本。

太陽能支路中的另一個重要設備是太陽能控制器。傳統的基于投撤式原理的太陽能控制器，由于光伏組件輸出電壓受限于電池電壓，輸出功率受到限制，太陽能組件發出的功率無法全部轉換并儲存在蓄電池中。而基于MPPT（Maximum Power Point Tracking， 最大功率點跟蹤）技術的太陽能控制器，由于光伏組件的輸出電壓和蓄電池的輸出電壓是隔離的，光伏組件可以發出最大功率并輸出到電池和負載系統。太陽能利用率的提高，使得同樣的功耗下，和投撤式控制器相比光伏組件的數量減少10%以上，從而有效得降低了系統成本。

風能支路的效率優化

對于風能支路，風能經過風機變換成交流電能，并經過風能控制器將交流電能變換成直流電能儲存在蓄電池中。風機和風機控制器是這個支路上的兩個重要設備。

通信用的小型風機內部的發電裝置通常較為成熟，變化較小。風機的掃風面積和風翼形狀影響了到達額定功率的風速。比如1kW的風機，通常11m/s的風速下可以到達額定輸出，但是具有較好翼型設計的風機在9m/s的風速下就可達到額定輸出功率。較低風速下達到輸出功率可以有效提高低風速下風能的利用，雖然這樣的風機價格會高些。

風機控制器用于將風機發出的交流電變換成直流電。目前廣泛使用的方法是通過簡單的可控硅整流，將交流變換成直流連接到電池。當風速較低時，風機發出的電壓較低，無法給蓄電池充電，當風速過高時，輸出電壓超出限定值，風機通過折尾來降低輸出功率。因此，這樣的風機控制器對風能的利用率較低。對于這個問題，同樣應用MPPT技術對風機進行改進，將風機輸出電壓和電池電壓之間用直流變換器進行隔離。這樣風機輸出電壓就不用受限于蓄電池電壓，從而提高風能的利用率。

柴油機支路的效率優化

對于柴油機支路，柴油的化石能源變換成交流電能，并經直流電源系統將交流電能變換成直流電能儲存在蓄電池中。柴油機和直流電源系統是這個支路上的兩個重要能量變換設備。

柴油機的能源變換效率可以用柴油機單位時間單位輸出的耗油量（L/H）/kVA來表示。由于柴油機是機械設備，其發展速度相對于電子產品來說比較緩慢。不過，柴油機的負載率越高，單位輸出功率的耗油量越低，讓柴油機工作在較高負載率下，可以有效降低燃油消耗。需要指出的是，柴油機長時間工作在高負載率下相應的壽命也較短，所以需要平衡考慮。

柴油機發出的是交流電，需要使用整流器將交流轉化成直流。對于整流器，一方面，可通過提高整流器的變換效率達到提高系統的效率，目前商用的整流器最高效率達到96%以上。另一方面，通過優化整流器的工作狀態來提高系統效率。整流器具有負載率低、效率低的特性曲線（如圖3），根據這個曲線，當系統輕載的時候，讓部分整流器休眠，由少數整流器承擔全部輸出功率。這樣以來，工作整流器的負載率提高，工作在更高的效率點上，從而提高了系統效率。