一種光伏電源的穩定性分析

楊楠， 孫夢雨， 阮黎君

(西安鐵路職業技術學院 電子信息學院， 陜西 西安 710014)

0 引言

隨著我國通信產業的快速發展,通信局(站)大量增加,通信設備的種類也越來越豐富,可以滿足不同層次業務的需要。同時,通信設備對電源穩定性要求也越來越高,其主要要求包括供電的不間斷性、供電的穩定性、更高的效率要求、小型化要求、安裝和維護要求等[1]。

常見電源系統供電示意圖，如圖1所示。

圖1 電源系統供電方式示意圖

一般引入兩路10 KV的高壓市電，經轉換為220/380 V的低壓，再經低壓配電后為相應的直流設備和UPS提供電源。供電系統不但應保證通信設備用電，還需要為機房空調、保障建筑負載(保證照明及消防電梯等)和一般建筑負載(一般照明等)供電，因此會有相應的交流引出[2]。

1 一般通信電源要求

通信設備的主要供電形式為交流電和直流電。很多通信設備對于電源質量有著非常嚴格的要求,瞬間的中斷也是不允許的,若電源中斷,存儲器中的信息將會丟失,在電源恢復正常后,信息將從存儲設備中重新導人,有些導入時間非常長,從而導致長時間的通信中斷,因此要求提供供電設備的通信電源必須能夠不間斷運行[3]。在我國,當通信設備采用交流220/380 V的供電時,當通信設備采用直流供電時,主要有兩種供電電壓:-48 V和±24 V。其中,-48 V屬于首選標稱值,而+24 V為過渡時期暫留標稱值。也就是說,原有局(站)通信設備使用的±24 V直流基礎電源仍可繼續使用,但不再擴容,直到這些通信設備停用為止,新建局(站)應統一采用-48 V直流基礎電源供電[4]。

交流供電系統主要包括變配電系統、備用電源系統(發電系統),不間斷電源(UPS)系統等,其主供電電源為市電[5]。其中,變配電系統包括高、低壓配電設備變壓器,操作電源;不間斷電源系統包括UPS,輸入/輸出配電柜和蓄電池組。

直流供電系統包括交流配電屏等設備，而蓄電池組采用并聯浮充的方式接入到系統中,當交流輸入電壓故障時,由蓄電池組放電為負載供電[6]。單個-48 V直流系統最大容量一般不超過3 000 A。

2 帶光伏的通信電源系統架構

通信電源系統的可靠性極大地影響著通信的可靠性,電源系統故障經常導致通信中斷或癱瘓[7]。現有電源優化方案一般傾向于引入第三路市電，以提高電源的穩定性，但在一些偏遠山區引入多一路電源施工難度較高，因此設計了帶光伏的電源架構，在原有蓄電池儲能基礎上，結合分布式微電網，將光伏引入通信電源用以提高電源可靠性，如圖2所示。

圖2 帶光伏的通信電源系統

3 穩定性分析

電源的可靠性是指在規定的環境條件下和規定的時間區間內完成規定功能的能力。可靠性的三要素為環境條件、時間區間和規定功能[8]。產品可靠性是通過可靠度、故障率(或失效率)、平均無故障工作時間、可用度和不可用度等來表征的。

3.1 穩定性指標[9]

(1) 可靠度R(t)：是指產品在規定的環境條件下和規定的時間區間內完成規定功能的概率。可靠度的函數形態可以是指數分布、正態分布和威布爾分布等。可靠度和不可靠度之和為1。其中,不可靠度用Q(t)表示。

(2) 故障率λ(t)：是指已工作到時刻t的產品,在該時刻后的單位時間內發生故障的概率。

(3) 平均無故障時間MTBF(Mean Time Between Failure)：是指可維修的設備或系統，在發生故障經修復后繼續工作，從本次故障到下一次故障所經歷的平均時間。在電源系統中這是一個非常重要的指標。

3.2 數學模型[10]

(1) 單設備電源系統可靠性數學模型,如式(1)。

(1)

(2) 多個設備級聯時，根據乘法原理，級聯系統的可靠度Rs(t),如式(2)。

RS(t)=R1(t)R2(t)……Rn(t)=e-λ1te-λ2t……e-λnt=e-λst

(2)

式中,Ri(t)為第i(1≤i≤n)個設備的可靠度，λi為第i(1≤i≤n)個設備的故障率，λs為系統故障率。

根據式(1)可得系統平均無故障工作時間,如式(3)。

(3)

(3) 并聯系統的可靠性：并聯系統的不可靠度Qs(t)為各不可靠度的乘積，因此并聯系統的可靠度Rs(t),如式(4)。

Rs(t)=1-Qs(t)=

1-[1-R1(t)][1-R2(t)]……[1-Rn(t)]

(4)

對于由兩個設備并聯組成的系統，其可靠度Rs(t),如式(5)。

(5)

根據式(1),如式(6)。

(6)

3.3 穩定性計算[11]

根據《YD/T 1051—2010通信局(站)電源系統總技術要求》中規定，各設備在使用壽命期間內的可靠性指標,如表1所示。

表1 各設備可靠性指標

傳統開關電源簡化模型，如圖3所示。

圖3 傳統開關電源簡化模型

根據式(3)，交流配電和整流器串聯的MTBFab,如式(7)。

(7)

同理可得式(8)。

MTBFef≈1.14×104(h)

(8)

同理，可得與光伏并聯后MTBFa-f≈7.33×104(h)

根據式(3)再與之流配電串聯的MTBF,如式(9)。

(9)

4 總結

市電有時會出現供電中斷或相關的供電質量問題，如在供電質量方面，可能出現瞬態尖峰、頻率突變、帶有振鈴式瞬態干擾波換相失真干擾、浪涌等。為了能夠為通信設備提供持續、穩定且潔凈的交流正弦電壓，交流負載需采用UPS作為電源輸入。UPS由整流器、蓄電池組、逆變器和轉換開關等部分組成，其輸入、輸出均為交流電。我國通信系統所采用的UPS無論市電是否正常，均由UPS中的逆變器輸出。當市電正常時，UPS跟蹤市電并輸出穩定的交流電；當市電停電時，由蓄電池組放電經逆變器提供穩定交流電；當UPS出現故障時，自動轉備份旁路，由市電或備用UPS直接供電。而引入光伏后不僅系統的穩定性得到提升，加之光伏設備的壽命較之其他電源設備壽命較長，結合上述模型可以得出，引入光伏電源能有效的提高通信電源的穩定性，且與引入第三路市電相比在偏遠地區具有施工簡單，節能環保等優點，因此帶光伏的通信電源架構具有一定的實際意義。