高效電源系統(tǒng)節(jié)能探討

魏和順

（中國(guó)電信泉州分公司，福建 泉州362000）

根據(jù)國(guó)家“十二五”節(jié)能減排戰(zhàn)略規(guī)劃要求，到2015年，單位工業(yè)增加值（規(guī)模以上）能耗比2010年下降21%左右，平均每年要下降4%才能達(dá)到規(guī)劃要求。目前福建電信在網(wǎng)通信基站已達(dá)上萬個(gè)，其中部分基站電源從20世紀(jì)90年代延用至今，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)比較落后，整流模塊的效率偏低（通常在85%以下）；還有大部分的基站電源采用比較新的移相軟開關(guān)技術(shù)，系統(tǒng)效率最高在91%左右。近年來廠家采用新工藝、新材料、新技術(shù)開發(fā)出效率高達(dá)96%的新一代高效通信電源。相比在網(wǎng)的85%和91%效率的舊通信電源，若采用96%高效率電源，則對(duì)基站電源的能耗減少有5%～10%的提升空間。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)年均4%的節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)，擬在部分基站試用新一代96%高效率電源，通過對(duì)基站實(shí)際能耗情況進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，以確定高效率基站電源對(duì)節(jié)能減排的貢獻(xiàn)。

隨著新型器件和新材料（如：碳化硅器件和非晶磁性材料）不斷地涌現(xiàn)，先進(jìn)的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)運(yùn)用到通信電源整流模塊系統(tǒng)中，主電路回路中減少了功率器件的數(shù)量，從而減少了功率器件的損耗；采用新的DC／DC拓?fù)潆娐罚趯捸?fù)載率范圍內(nèi)DC／DC電路中的開關(guān)器件以及輸出側(cè)整流電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，開關(guān)損耗減小，效率提升1%～2%。通過采用新器件、新材料及新技術(shù)，且經(jīng)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，新一代高效整流模塊在20%～80%的負(fù)載率區(qū)間時(shí)效率最高，可達(dá)96%以上，在100%負(fù)載率時(shí)效率也達(dá)95%以上，結(jié)合基站通信電源常規(guī)使用時(shí)大都在中高負(fù)載率階段，這樣的效率曲線設(shè)計(jì)更加合理，更加節(jié)能。

1 高效電源系統(tǒng)節(jié)能測(cè)試

為驗(yàn)證高效電源系統(tǒng)的節(jié)能情況，在泉州電信豐澤院前IDC大樓機(jī)房做測(cè)試。該基站通信電源為中達(dá)電通MCS3000D系統(tǒng)，目前配置3塊48 V／50 A整流模塊，系統(tǒng)容量48 V／150 A。日常負(fù)荷比較穩(wěn)定（約48 V／30 A），而且市電也比較穩(wěn)定，可確保測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確。

1.1 測(cè)試方案一

此方案采用關(guān)閉模塊調(diào)整負(fù)載率的方式測(cè)試系統(tǒng)效率。

（1）測(cè)試儀器、儀表：功率測(cè)試儀（及配套取樣線材）1臺(tái)、數(shù)字電壓表FLUKE187 1臺(tái)、數(shù)字電流鉗表FLUKE337 1臺(tái)、普通整流模塊2塊、高效整流模塊5塊。

（2）測(cè)試步驟：原系統(tǒng)容量48 V／150 A，測(cè)試前在原系統(tǒng)中增加2塊48 V／50 A普通整流模塊，組成一套系統(tǒng)容量48 V／250 A的普通電源系統(tǒng)，系統(tǒng)帶載48 V／30 A。

a.5塊普通整流模塊全部開啟，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算負(fù)載率和效率；

b.關(guān)閉1塊普通整流模塊，剩余4塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算并記錄負(fù)載率和效率；

c.關(guān)閉2塊普通整流模塊，剩余3塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算并記錄負(fù)載率和效率；

d.關(guān)閉3塊普通整流模塊，剩余2塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算并記錄負(fù)載率和效率；

e.關(guān)閉4塊普通整流模塊，剩余1塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算并記錄負(fù)載率和效率；

然后將5塊普通整流模塊全部更換成高效率整流模塊，再進(jìn)行測(cè)試。

1.2 測(cè)試方案二

此方案采用實(shí)際負(fù)載＋假負(fù)載調(diào)整負(fù)載率的方式測(cè)試系統(tǒng)效率。

（1）測(cè)試儀器、儀表：功率測(cè)試儀（及配套取樣線材）1臺(tái)、48 V／100 A純阻性可調(diào)負(fù)載1臺(tái)、數(shù)字電壓表FLUKE187 1臺(tái)、數(shù)字電流鉗表FLUKE337 1臺(tái)、普通整流模塊2塊、高效整流模塊5塊。

（2）測(cè)試步驟：先測(cè)試全部為5塊普通整流模塊時(shí)各負(fù)載率的效率。

a.5塊普通整流模塊全部開啟運(yùn)行，先將假負(fù)載關(guān)閉，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算負(fù)載率和效率；

b.開啟假負(fù)載，并逐步增加負(fù)載大小，調(diào)整系統(tǒng)5塊整流模塊帶載率增加10%，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算并記錄負(fù)載率和效率；

c.調(diào)整假負(fù)載，使系統(tǒng)5塊整流模塊帶載率再增加10%，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算并記錄負(fù)載率和效率；

d.重復(fù)以上動(dòng)作，直到系統(tǒng)5塊整流模塊帶載率達(dá)到90%，記錄Pλ、Udc、Idc，計(jì)算并記錄負(fù)載率和效率；

然后將5塊普通整流模塊全部更換成高效率整流模塊，再進(jìn)行測(cè)試。

1.3 測(cè)試方案三

掛電度表測(cè)試（縱向測(cè)試）。

（1）測(cè)試儀器、儀表：功率電度表（及配套取樣線材）1臺(tái)、交流互感器3個(gè)、高效整流模塊3塊。

（2）測(cè)試步驟：測(cè)試儀器安裝接線完畢后，檢查接線正常。先確定待測(cè)基站電源內(nèi)所有模塊均為普通模塊。

a.讀取功率電度表的初始讀數(shù)P1；

b.保持普通模塊正常工作1周，讀取1周后電度表耗電P2；

c.檢查監(jiān)控單元?dú)v史告警記錄，確認(rèn)測(cè)試普通模塊期間有無停電記錄，記錄下停電時(shí)長(zhǎng)T1。

d.將基站電源內(nèi)所有模塊全部更換為高效模塊進(jìn)行測(cè)試。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)試方案一節(jié)能數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)測(cè)試方案一的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得普通模塊和高效模塊電源系統(tǒng)在不同負(fù)載率時(shí)的效率數(shù)據(jù)，見表1。高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線如圖1。

投資回報(bào)率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，負(fù)載率為30%時(shí)（即帶載45 A時(shí)），若將MCS3000D普通模塊全部更換成DPS3000G高效模塊，此時(shí)節(jié)電率最高可達(dá)8%。投資成本：新采購(gòu)3塊DPS3 0 0 0G高效模塊，設(shè)備采購(gòu)成本近6 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價(jià)格500元／臺(tái)計(jì)算，折合1 500元。

表1 測(cè)試方案一的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線（方案一）

實(shí)際投資成本：6 000元－1 500元 ＝4 500元

節(jié)省電費(fèi)：MCS3000D系統(tǒng)48 V／150 A電源帶載45 A時(shí)，年耗電量：［（54×45／88.2%）／1000］×365×24＝24 133 kWh（度）。

按節(jié)電率8%計(jì)算，年節(jié)省電量：24 133×8% ＝1 930.7度，按1元／度計(jì)算，年節(jié)省電費(fèi)1 930.7元；投資回收期：4 500／1 930.7＝2.3年

2.2 測(cè)試方案二節(jié)能數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)測(cè)試方案二的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得普通模塊和高效模塊電源系統(tǒng)在不同負(fù)載率時(shí)的效率數(shù)據(jù)，見表2。

表2 測(cè)試方案二的測(cè)試數(shù)據(jù)

高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線如圖2。

圖2 高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線（方案二）

投資回報(bào)率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，負(fù)載率為50%時(shí)（即帶載75 A時(shí)），若將MCS3000D普通模塊全部更換成DPS3000G高效模塊，此時(shí)節(jié)電率最高可達(dá)7.5%。

投資成本：新采購(gòu)3塊DPS3000G高效模塊，設(shè)備采購(gòu)成本近6 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價(jià)格500元／臺(tái)計(jì)算，折合1 500元。

實(shí)際投資成本：6 000元－1 500元 ＝4 500元

節(jié)省電費(fèi)：MCS3000D系統(tǒng)48 V／150 A電源帶載45 A 時(shí)，年耗電量：［（54×75／90.9%）／1 000］×365＊24＝39 025 kWh（度）。

按節(jié)電率7.5%計(jì)算，年節(jié)省電量：39 025×7.5%＝2 926.9度，按1元／度計(jì)算，年節(jié)省電費(fèi)2 926.9元；投資回收期：4 500／2 926.9＝1.54年；

2.3 測(cè)試方案三節(jié)能數(shù)據(jù)分析

（1）通過對(duì)測(cè)試方案三的全部普通模塊和全部高效模塊測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

14天普通模塊的電度數(shù)—14天高效模塊的電度數(shù)＝14天節(jié)省的電度數(shù)。

投資回報(bào)率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，若將 MCS3000D普通模塊全部更換成DPS3000G高效模塊，14天節(jié)省電度數(shù)為538－469.6＝68.4度。

投資成本：新采購(gòu)3塊DPS3000G高效模塊，設(shè)備采購(gòu)成本近6 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價(jià)格500元／臺(tái)計(jì)算，折合1 500元。

實(shí)際投資成本：6 000元－1 500元 ＝4 500元

節(jié)省電費(fèi)：年節(jié)省電量：68.4÷14×365≈1 783.3度，按1元／度計(jì)算，年節(jié)省電費(fèi)1 783.3元；投資回收期：4 500／1 783.3≈2.52年

（2）通過對(duì)測(cè)試方案三的混插系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

投資回報(bào)率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，若將2個(gè)MCS3000D普通模塊更換成2個(gè)DPS3000G高效模塊，模塊混插使用，28天8小時(shí)供用電為6 509－5 373＝1 136度。

折算到每天耗電：1 136÷（28＋1／3）≈40.094度；

前面測(cè)試全為普通模塊時(shí)每天耗電：538÷14≈38.429度；

由于全為普通模塊時(shí)輸出電流為27 A，電壓54 V；而混插時(shí)輸出電流為30 A，電壓54 V，所以需要將混插時(shí)輸出電流30 A折算成輸出電流27 A時(shí)1天的耗電。

40.094 ×1 000÷24＝1 670.58 W；

54×30÷1 670.58×54×27≈1 413.86 W

1 413.86×24÷1 000≈33.932度

混插比全為普通模塊每天節(jié)省電費(fèi)：

38.429 －33.932＝4.497度

投資成本：新采購(gòu)2塊DPS3000G高效模塊，設(shè)備采購(gòu)成本近4 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價(jià)格500元／臺(tái)計(jì)算，折合1 000元。

實(shí)際投資成本：4 000元－1 000元 ＝3 000元

節(jié)省電費(fèi)：年節(jié)省電量：4.497×365≈1 641.4度；按1元／度計(jì)算，年節(jié)省電費(fèi)1 641.4元；投資回收期：3 000／1 641.4≈1.83年。

（3）測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 方案三測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

根據(jù)以上測(cè)試，得到如下結(jié)論：

（1）本次測(cè)試僅針對(duì)普通模塊與高效模塊的電源架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)相互兼容的開關(guān)電源系統(tǒng)，即能同系統(tǒng)進(jìn)行兼容安全工作，而不需對(duì)原有電源系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行改造。

（2）受測(cè)試儀表精度、測(cè)試環(huán)境條件等客觀因素限制，本次測(cè)試數(shù)據(jù)具有相對(duì)精確性，絕對(duì)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試只有在實(shí)驗(yàn)室可以做到。

（3）在負(fù)載率16%～60%，單個(gè)普通模塊效率為84.8%～88.2%，單個(gè)高效模塊效率為88.8%～96.6%，單模塊節(jié)能率提高達(dá)3.9%～8%；而在負(fù)載率20%～90%，系統(tǒng)普通模塊效率為90.4%～92.1%，系統(tǒng)高效模塊效率為95.7%～98.5%，系統(tǒng)節(jié)能率提高達(dá)4%～7.5%；單個(gè)模塊比較，高效模塊比普通模塊的節(jié)電率高，而工作效率卻比系統(tǒng)模塊低；系統(tǒng)單模塊工作模式存在“大馬拉小車”現(xiàn)象；因此，模塊與電源系統(tǒng)架構(gòu)需要同時(shí)工作在一定負(fù)載率區(qū)間，整機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能效率才會(huì)有質(zhì)的提高。

（4）采用高效模塊與普通模塊混插工作模式比全部采用高效模塊相比，采用混插模式的一次性投資成本可根據(jù)資金寬裕度進(jìn)行混插比例調(diào)整、回收期相對(duì)較短，適合分期投入。