隨著通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，通信產(chǎn)業(yè)能源消耗與日俱增，通信業(yè)已站在了節(jié)能減排的風(fēng)口浪尖，新建基站如果采用高效率電源系統(tǒng)取代目前效率僅為90%的電源系統(tǒng)，可極大降低運(yùn)營(yíng)商們的運(yùn)營(yíng)成本。本文著重就通信用高效模塊的節(jié)能效果進(jìn)行探討。
根據(jù)國(guó)家"十一五"規(guī)劃《綱要》中提出的要求，到2010年單位GDP能耗要比2005年下降20%，平均每年要下降4%才能達(dá)到規(guī)劃要求，落實(shí)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境基本國(guó)策，建設(shè)低投入、高產(chǎn)出，低消耗、少排放，能循環(huán)、可持續(xù)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系和資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。隨著信息化的日益推廣普及，促使通信產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，信息通信產(chǎn)業(yè)能源消耗也與日俱增。我國(guó)的通信網(wǎng)絡(luò)中有上萬(wàn)臺(tái)交換機(jī)、幾十萬(wàn)個(gè)移動(dòng)基站，隨著通信業(yè)的不斷發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量不斷增長(zhǎng)，所需的電力等能源需求也日益增長(zhǎng)。在通信機(jī)房中，通信設(shè)備用電量最大，其次是空調(diào)用電，作為直流通信電源用電量約占10%。對(duì)通信機(jī)房來(lái)講要進(jìn)行節(jié)能減排，最核心部分是通信主設(shè)備，通信主設(shè)備能耗降低，則直流供電系統(tǒng)的供電量也隨之降低，空調(diào)的用電量隨著機(jī)房整體發(fā)熱量下降而隨之降低。通信電源雖然只占近10%的用電量，但也是一個(gè)不可忽視部分，下面著重就通信用高效模塊的節(jié)能效果進(jìn)行探討。
一、高效率電源系統(tǒng)介紹
1.高效率電源的特點(diǎn)：
臺(tái)達(dá)電子秉持"節(jié)能、環(huán)保、愛(ài)地球"之經(jīng)營(yíng)理念，憑籍強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力，集多年設(shè)計(jì)、制造的經(jīng)驗(yàn)，不斷地提供高能源效率的創(chuàng)新產(chǎn)品，現(xiàn)全新推出新一代通信用高效整流模塊，具有高效率、高可靠性及綠色節(jié)能等顯著特性，新一代通信用高效電源系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
A.全數(shù)字化DSP控制，高可靠設(shè)計(jì)；
B.采用先進(jìn)的拓樸電路，寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率高，在20%～100%負(fù)載率范圍模塊效率高達(dá)95%以上；
C.采用智能數(shù)字化電路控制的PFC技術(shù)，功率因數(shù)大于0.99，交流輸入電流諧波失真低小于5%；
D.高功率密度：功率密度大于2W/cm3(34W/inch3)；高環(huán)境適應(yīng)能力：輸入電壓范圍85～300V，工作溫度范圍 -40～75℃；
2.高效率電源的實(shí)現(xiàn)：
隨著新型器件和新材料不斷地涌現(xiàn)并被應(yīng)用到通信電源系統(tǒng)中，先進(jìn)的拓樸電路運(yùn)用到通信電源整流模塊系統(tǒng)中。如：碳化硅(SiC)器件和新型磁性材料(如非晶材料)等已逐步應(yīng)用到整流模塊中；如：交流輸入側(cè)AC/DC轉(zhuǎn)換電路中的PFC電路可以采用無(wú)整流橋的拓樸電路結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)采用全橋整流橋的電路相比，主電路回路中減少了通過(guò)功率器件的數(shù)量，從而減少了功率器件的損耗，提高了電路的工作效率；采用新的DC/DC拓樸電路，在輸出寬負(fù)載率范圍內(nèi)DC/DC電路中的開(kāi)關(guān)器件以及輸出側(cè)整流電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗很小，效率提高，從而開(kāi)關(guān)頻率也可以得到提高，體積減少，功率密度提高；從上世紀(jì)90年代誕生了同步整流技術(shù)，之前主要應(yīng)用在低電壓輸出的開(kāi)關(guān)電源中，現(xiàn)在可以把這一技術(shù)應(yīng)用到-48V通信用電源系統(tǒng)中，即在DC/DC轉(zhuǎn)換電路中的二次側(cè)整流電路采用同步整流技術(shù)，則整流模塊的效率在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上可以提高1～2%。
通過(guò)采用新器件、新材料及新技術(shù)，使通信電源整流模塊的效率大大地提高，在20%至100%的負(fù)載率范圍內(nèi)其效率達(dá)到95%以上，在寬負(fù)載率范圍內(nèi)做到高效率，在50%負(fù)載率左右時(shí)其效率超過(guò)96%。
二、通信電源節(jié)能減排探討
1.當(dāng)前通信基站電源系統(tǒng)采用的效能管理措施：
為保障通信設(shè)備的不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，通信電源系統(tǒng)中配置有蓄電池，通信設(shè)備中通信電源系統(tǒng)的整流模塊配置需考慮系統(tǒng)的最大負(fù)載和蓄電池允許的最大充電電流及N+1備份等因素。在實(shí)際運(yùn)行中，通信電源系統(tǒng)對(duì)蓄電池的充電電流在絕大部分時(shí)間里是等于零，即實(shí)際使用中整流模塊的輸出負(fù)載率并不是很大。根據(jù)目前整流模塊普遍的效率曲線，整流模塊工作在輕負(fù)載時(shí)，其工作的效率比較低，也就是說(shuō)通信電源系統(tǒng)在絕大部分時(shí)間里的工作效率都比較低。對(duì)于這種情況，通信電源系統(tǒng)采用效能管理功能，可以有效地提高通信電源系統(tǒng)的整體工作效率。
效能管理功能介紹：整流模塊的效率曲線如圖4所示，整流模塊的負(fù)載率在X1點(diǎn)(40%)以下時(shí)，此段整流模塊的工作效率比較低；整流模塊的負(fù)載率工作在X1(40%)和X2(80%)之間時(shí)，此段整流模塊的工作效率比較高；整流模塊的負(fù)載率工作在X2以上時(shí)，此段整流模塊的工作效率要略低一點(diǎn)。整流模塊的負(fù)載率在X1以下時(shí)，通信電源系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)控模塊關(guān)閉部分整流模塊，使這些模塊處于待機(jī)休眠狀態(tài)，此時(shí)整流模塊只有控制電路在工作，功率變換主電路處于關(guān)斷狀態(tài)(DC/DC電路和PFC電路)，整流模塊的待機(jī)功耗很小，系統(tǒng)中工作的整流模塊的負(fù)載率工作中X1與X2之間，此時(shí)通信電源系統(tǒng)的效率有明顯提高；如果整流模塊的負(fù)載率工作在X2以上，系統(tǒng)中若有因效能管理被關(guān)閉的整流模塊，則被關(guān)閉的整流模塊要打開(kāi)，使整流模塊的負(fù)載率在X1與X2之間，使電源系統(tǒng)的效率最大化。當(dāng)然，采用效能管理功能時(shí)需考慮到系統(tǒng)的安全可靠性，要避免因通信電源系統(tǒng)采用效能管理后導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低，系統(tǒng)的安全可靠性應(yīng)不受效能管理影響，在各種異常情況下能夠采取相應(yīng)的保護(hù)措施。
對(duì)常用的48V/200A基站通信電源系統(tǒng)(4臺(tái)48V/50A整流模塊組成)，通過(guò)對(duì)通信電源系統(tǒng)采用效能管理功能，在不同的輸出負(fù)載時(shí)的節(jié)能曲線如圖5所示(橫坐標(biāo)為輸出功率，縱坐標(biāo)為節(jié)能數(shù)，單位為W)：
在輸出負(fù)載為1000W時(shí)，采用效能管理節(jié)能最多，可節(jié)能136W?；倦娫聪到y(tǒng)的負(fù)載通常在2500W左右，采用效能管理后系統(tǒng)的工作效率可達(dá)到90%，比采用效能管理前可節(jié)能約65W，則一年總的節(jié)電量為：65W*24小時(shí)*365/1000=569千瓦時(shí)(度)，即一年可節(jié)能接近600度電費(fèi)，并且可減少二氧化碳排量約500kg，對(duì)于幾十萬(wàn)個(gè)移動(dòng)通信基站來(lái)講，其節(jié)能減排效果是非?？捎^。
2.采用高效率電源系統(tǒng)：
與上面舉例的48V/200A基站通信電源系統(tǒng)(4臺(tái)48V/50A整流模塊組成)，負(fù)載功率為2500W進(jìn)行對(duì)比，改用高效率電源系統(tǒng)后其電源系統(tǒng)的工作效率將超過(guò)95%，以95%的工作效率計(jì)算，它的輸入功率為：2500/0.95=2632(W)，對(duì)于近期的通信電源系統(tǒng)，采用效能管理后現(xiàn)有的電源系統(tǒng)的工作效率為90%，其輸入功率為：2500/0.9 = 2778 (W)，若采用高效率電源系統(tǒng)可節(jié)電：2778-2632=146(W)，則一年的節(jié)電量為：146W*24小時(shí)*365天/1000 = 1279千瓦時(shí)(度)，一年可減少二氧化碳的排放量約為：1100kg。
對(duì)于早期的通信電源系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作效率以85%計(jì)算，其輸入功率為：2500/0.85=2941(W)， 若采用高效率電源系統(tǒng)則可節(jié)電：2941-2632=309(W)，則一年的節(jié)電量為：309W*24小時(shí)*365天/1000 = 2707千瓦時(shí)(度)，一年可減少二氧化碳的排放量約為：2300kg。
以上為一個(gè)基站電源系統(tǒng)的節(jié)能減排貢獻(xiàn)，如果乘以幾十萬(wàn)個(gè)通信基站的數(shù)量，則一年可節(jié)省用電量約5億度，減少二氧化碳排放量約為40萬(wàn)噸，節(jié)能減排的貢獻(xiàn)相當(dāng)可觀。另外，由于通信電源系統(tǒng)工作效率提高，電源系統(tǒng)自身的發(fā)熱量降低，整流模塊產(chǎn)生的發(fā)熱量減少了50%，只有原先的一半，則帶來(lái)了機(jī)房?jī)?nèi)空調(diào)耗電量的降低，此部分的節(jié)能減排貢獻(xiàn)也是比較可觀的。
三、目前在網(wǎng)運(yùn)行的基站通信電源系統(tǒng)現(xiàn)況
由于通信用高頻開(kāi)關(guān)電源從上世紀(jì)90代初已開(kāi)始逐步替代之間的相控電源，從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始使用以來(lái)，已將近二十年的時(shí)間。因此現(xiàn)網(wǎng)上運(yùn)行的通信電源系統(tǒng)有一部分使用時(shí)間比較早，目前現(xiàn)網(wǎng)基站通信電源系統(tǒng)大致可分早期的電源系統(tǒng)和近期的電源系統(tǒng)二大類(lèi)。
對(duì)于早期的電源系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)相對(duì)比較落后，整流模塊的工作效率偏低，特別是在低負(fù)載率時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際的工作效率通常在85%以下。這些系統(tǒng)通過(guò)改造成具有效能管理功能以達(dá)到節(jié)能減排目的已比較困難，意義也不是太大，而且有部分原電源供貨商已退出通信電源市場(chǎng)，這部分改造已不可能。
對(duì)于近期的電源系統(tǒng)，前面已有比較詳細(xì)的分析，在用的大部分電源系統(tǒng)通過(guò)效能管理后工作效率可達(dá)到90%。
四、高效率電源系統(tǒng)帶來(lái)的效益
對(duì)于早期的電源系統(tǒng)，由于電源的工作效率相對(duì)較低，可以采用高效率電源系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高電源系統(tǒng)的工作效率。通常改造方案有二種：
方案一： 是用整套新的高效率電源系統(tǒng)直接更換之前早期的電源系統(tǒng)。
方案二： 是保留原電源系統(tǒng)的機(jī)架和配電單元，只對(duì)電源系統(tǒng)內(nèi)的整流模塊、監(jiān)控模塊和相關(guān)的外圍偵測(cè)電路及一些器件做更換。
與方案一相比，方案二節(jié)省了機(jī)架的鋼材用量和交直流配電的鋼材和銅材用量，約可減少400公斤的二氧化碳排放量，投資成本降低30%～40%。采用高效率電源系統(tǒng)更換早期的電源系統(tǒng)后，通過(guò)每年的節(jié)電所節(jié)省的電費(fèi)，如采用方案一，大約5～6年的時(shí)間可收回投資；如采用方案二，則大約3～4年的時(shí)間可收回投資。如果加上二氧化碳排放的費(fèi)用，收回投資的時(shí)間提前。
對(duì)于新建的基站，如果采用高效率電源系統(tǒng)取代目前效率為90%的電源系統(tǒng)，通過(guò)高效率電源系統(tǒng)每年節(jié)電所節(jié)省的費(fèi)用，約2年時(shí)間可收回高效率電源系統(tǒng)所增加的投資成本，同時(shí)也大大地降低了電信運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。
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