基于雙向變流器的風光互補系統在通信電源中的應用研究

朱耿峰，宋慶華

（華能青海發電有限公司新能源分公司，青海 西寧 810000）

0 引 言

隨著信息通信技術的快速發展和普及應用，通信基礎設施的可靠供電變得越來越重要。傳統的通信電源解決方案主要依賴于獨立的風能發電系統、光伏發電系統或蓄電池供電系統。然而，這些傳統方案存在著一些局限性，如風能發電系統和光伏發電系統的不穩定性和不可控性，蓄電池供電系統的容量限制和壽命問題。為解決這些問題并提高通信電源的可靠性和可持續性，近年來研究人員開始關注基于雙向變流器的風光互補系統的應用。

1 風光互補系統概述

1.1 風能發電系統

風能發電系統原理是通過風輪轉動驅動發電機產生電能。風輪通常由多個葉片組成，當風吹過時，風輪轉動并帶動發電機轉子旋轉。發電機通過磁場和線圈的相互作用產生電能。

風能發電系統的組件如圖1所示，主要包括風輪、發電機、塔架、控制器以及逆變器等。

圖1 風能發電系統的組成

1.2 光伏發電系統

光伏發電原理如圖2 所示，利用光伏效應，在光照作用下，光伏電池將光能直接轉化為電能。光伏電池通常由多個光伏電池片組成，光照射到電池片上時，光能激發電子，使其躍遷產生電流，從而將太陽能轉化為直流電。

圖2 光伏發電原理

1.3 風光互補系統

風光互補系統是將風能發電系統和光伏發電系統結合起來，通過雙向變流器實現2 者的互補利用。其基本原理是將風能和光伏能源同時接入系統，通過雙向變流器將它們轉換為交流電，并供給通信電源系統使用。在充足的太陽輻射和風能條件下，該系統可以同時利用風能發電和光伏發電，并將多余的電能儲存起來[1]。而在太陽輻射不足或風力不夠時，系統可以從儲能裝置中釋放電能，以滿足通信設備的需求。風光互補系統的組成如圖3 所示。

圖3 風光互補系統的組成

2 通信電源需求分析

通信設備在各種應用場景中的廣泛應用導致對可靠且持續的電源供應的需求不斷增加，而通信電源需求能夠幫助技術人員了解現有電源系統的局限性。以某遠程地區的通信基站為例，其通信電源需求主要包含以下幾方面：功耗需求為20 ～30 W；一般而言，通信設備的工作電壓范圍較為廣泛，常見的工作電壓為48 V 或24 V。因此，在工作電壓為48V 的情況下，輸出電壓的變化范圍為45.6 ～50.4 V；而在工作電壓為24 V 的情況下，輸出電壓的變化范圍為22.8 ～25.2 V。

3 基于雙向變流器的風光互補系統

3.1 雙向變流器原理和工作方式

雙向變流器是風光互補系統的關鍵組件，用于實現風能和光伏能源之間的互補利用。它可以實現能量的雙向轉換和功率的控制，使風能和光伏能源可以靈活地供給通信電源系統或儲能裝置。雙向變流器具有2 個主要工作模式，分別是逆變模式（Inverter Mode）和整流模式（Rectifier Mode），具體內容如下。

（1）逆變模式。在逆變模式下，雙向變流器將直流電能轉換為交流電能，并將其供給通信電源系統。風能和光伏能源產生的直流電能超過通信電源系統的需求時，雙向變流器將多余的電能轉換為交流電并注入電網或其他負載中。

（2）整流模式。在整流模式下，雙向變流器將電網或其他電源的交流能轉換為直流電，并將其存儲到儲能裝置。當風能和光伏能源無法滿足通信電源系統的需求時，雙向變流器可以從儲能裝置中釋放電能，以補充能量供給通信電源系統。

雙向變流器通過控制開關器件的開關狀態和調節其工作頻率來實現能量的雙向轉換和功率的控制。控制策略可以根據系統需求和運行狀態進行設計，以實現穩定的能量互補和優化的功率控制。

3.2 風光互補系統的雙向變流器拓撲

風光互補系統中常用的雙向變流器拓撲如表1所示。

表1 風光互補系統中的雙向變流器拓撲

（1）單相全橋拓撲。單相全橋拓撲是一種常用的雙向變流器拓撲，適用于單相風能和光伏發電系統。它由4 個功率開關組成，通過控制開關的導通與斷開，實現電能的雙向流動。具體而言，當風能發電系統產生的電能超過通信設備的需求時，變流器將多余的電能反向輸送到光伏發電系統或電網；當通信設備需求超過風能發電系統供應時，變流器則從光伏發電系統或電網中獲取所需的電能。該拓撲結構簡單、可靠性高[3]。

（2）雙直流母線拓撲。雙直流母線拓撲是一種更復雜的雙向變流器拓撲，適用于大功率風光互補系統。它包括2 個直流母線、2 個全橋變流器和1 個功率平衡控制器。其中，1 個全橋變流器連接風能發電系統，另1 個全橋變流器連接光伏發電系統。功率平衡控制器用于控制2 個全橋變流器的工作，實現功率的平衡和雙向能量轉換。這種拓撲結構具有較高的功率密度和效率，并能更好地適應大功率的風光互補系統。

（3）多級拓撲。多級拓撲是一種針對大規模風光互補系統的高效拓撲結構。它將多個單相全橋或雙直流母線拓撲連接在一起，形成多級變流器系統。每個級聯的變流器負責處理特定功率范圍內的電能轉換，從而實現整個系統的高效運行。多級拓撲能夠提高系統的容錯能力、穩定性和效率，并降低單個變流器功率損耗。

4 通信電源需求與風光互補系統的匹配性分析

（1）穩定可靠供電需求。通信系統對穩定、可靠的供電至關重要的，風光互補系統通過利用風能和光伏能源的互補性，能夠提供持續穩定的電力支持，減少對單一能源的依賴，降低供電中斷的風險。

（2）可再生能源利用。風光互補系統利用風能和光伏能源，屬于可再生能源的范疇。通信系統使用風光互補系統作為電源，能夠降低對傳統化石能源的依賴，減少環境污染和碳排放，符合可持續發展的要求。

（3）多能源協同利用。風光互補系統具備多能源協同利用的能力。通過雙向變流器的控制策略，風能和光伏能源可以進行靈活的調度和管理，實現能源的高效利用，滿足通信設備的不同負載需求[5]。

（4）適應多種環境。風光互補系統適應性強，可根據不同地區的自然資源條件進行靈活配置和布局。無論是在風能資源豐富的地區還是在光伏能源潛力大的地區，風光互補系統都能夠根據實際情況進行調整，提供適宜的電力供應方案。

4.2 風光互補系統在通信電源中的優勢和潛在應用

（1）可持續供電。風能和光伏能源是可再生能源，具有持續性和可再生性。風光互補系統可以充分利用這2 種能源的穩定性和可再生性，為通信電源提供可持續供電，減少對傳統能源的依賴。

（2）靈活性和可靠性。風光互補系統可以根據實際情況和能源供給情況進行靈活調節和控制，確保通信電源的穩定運行。同時，由于風能和光伏能源具有互補性，系統在某種能源不足或故障情況下仍能提供可靠的電能供應。

（3）節能減排。相比傳統的燃油發電等方式，風能和光伏能源具有低碳、清潔的特點。風光互補系統的應用可以減少溫室氣體的排放，降低能源消耗，對環境更加友好。

（4）成本效益。雖然風光互補系統的初始投資較高，但是隨著技術的發展和規模效應的提升，其成本逐漸降低。長期運行下來，風光互補系統可以帶來較低的運營成本和更好的經濟效益。

潛在的應用領域包括遠程通信基站、無線傳感器網絡、物聯網設備等需要長時間穩定供電的場景。

5 結 論

風光互補系統作為一種綜合利用風能和光伏能源的解決方案，具有在通信電源領域應用的潛力。與傳統通信電源解決方案相比，風光互補系統能夠滿足通信電源的可持續供電需求，具有靈活性、可靠性、節能減排和成本效益等優勢。它能夠充分利用風能和光伏能源的穩定性和可再生性，提供穩定、環保的電能供應。風光互補系統作為一種可持續、高效的通信電源解決方案，具有廣闊的應用前景。通過不斷的研究和創新，進一步推動風光互補系統在通信領域的應用，為通信設備提供可靠、清潔的電能供應，促進通信行業的可持續發展。