中興通訊股份有限公司 | 劉小光

在一個能量供應(yīng)系統(tǒng)中，由于輸入能量和負(fù)載需要的能量特性不同，輸入能量需要經(jīng)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(guān)鍵指標(biāo)。

同時，該系統(tǒng)也可能存在多種能量來源，各自經(jīng)過變換器向輸出部件供應(yīng)能量。這些不同支路、多級變換的過程，構(gòu)成了整個系統(tǒng)的“能效矩陣”（Efficiency Matrix）。在可再生能源方案應(yīng)用規(guī)模日益增大的情況下，運(yùn)營商構(gòu)建“能效矩陣”提高其能源效率，對節(jié)省成本、優(yōu)化系統(tǒng)、實現(xiàn)節(jié)能減排有重要作用。

典型可再生能源方案能量流

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

圖1 太陽能、風(fēng)能和柴油混合方案

太陽能支路的效率優(yōu)化

在光、風(fēng)和油混合供電系統(tǒng)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(yōu)化效果最為明顯。太陽能支路中，太陽能經(jīng)光伏組件變換成直流電源，再經(jīng)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(jī)整流器負(fù)載率與功率特性曲線

太陽能光伏組件是將太陽能轉(zhuǎn)化成直流電能的器件，它的效率評價指標(biāo)是變換效率。通信用太陽能站點(diǎn)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(jīng)達(dá)到16.1%，同樣規(guī)格的光伏組件（長1580mm，寬808mm）輸出峰值功率可以達(dá)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(shè)備是太陽能控制器。傳統(tǒng)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(fā)出的功率無法全部轉(zhuǎn)換并儲存在蓄電池中。而基于MPPT（Maximum Power Point Tracking， 最大功率點(diǎn)跟蹤）技術(shù)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(fā)出最大功率并輸出到電池和負(fù)載系統(tǒng)。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(shù)量減少10%以上，從而有效得降低了系統(tǒng)成本。

風(fēng)能支路的效率優(yōu)化

對于風(fēng)能支路，風(fēng)能經(jīng)過風(fēng)機(jī)變換成交流電能，并經(jīng)過風(fēng)能控制器將交流電能變換成直流電能儲存在蓄電池中。風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)控制器是這個支路上的兩個重要設(shè)備。

通信用的小型風(fēng)機(jī)內(nèi)部的發(fā)電裝置通常較為成熟，變化較小。風(fēng)機(jī)的掃風(fēng)面積和風(fēng)翼形狀影響了到達(dá)額定功率的風(fēng)速。比如1kW的風(fēng)機(jī)，通常11m/s的風(fēng)速下可以到達(dá)額定輸出，但是具有較好翼型設(shè)計的風(fēng)機(jī)在9m/s的風(fēng)速下就可達(dá)到額定輸出功率。較低風(fēng)速下達(dá)到輸出功率可以有效提高低風(fēng)速下風(fēng)能的利用，雖然這樣的風(fēng)機(jī)價格會高些。

風(fēng)機(jī)控制器用于將風(fēng)機(jī)發(fā)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(dāng)風(fēng)速較低時，風(fēng)機(jī)發(fā)出的電壓較低，無法給蓄電池充電，當(dāng)風(fēng)速過高時，輸出電壓超出限定值，風(fēng)機(jī)通過折尾來降低輸出功率。因此，這樣的風(fēng)機(jī)控制器對風(fēng)能的利用率較低。對于這個問題，同樣應(yīng)用MPPT技術(shù)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，將風(fēng)機(jī)輸出電壓和電池電壓之間用直流變換器進(jìn)行隔離。這樣風(fēng)機(jī)輸出電壓就不用受限于蓄電池電壓，從而提高風(fēng)能的利用率。

柴油機(jī)支路的效率優(yōu)化

對于柴油機(jī)支路，柴油的化石能源變換成交流電能，并經(jīng)直流電源系統(tǒng)將交流電能變換成直流電能儲存在蓄電池中。柴油機(jī)和直流電源系統(tǒng)是這個支路上的兩個重要能量變換設(shè)備。

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

柴油機(jī)發(fā)出的是交流電，需要使用整流器將交流轉(zhuǎn)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(dá)到提高系統(tǒng)的效率，目前商用的整流器最高效率達(dá)到96%以上。另一方面，通過優(yōu)化整流器的工作狀態(tài)來提高系統(tǒng)效率。整流器具有負(fù)載率低、效率低的特性曲線（如圖3），根據(jù)這個曲線，當(dāng)系統(tǒng)輕載的時候，讓部分整流器休眠，由少數(shù)整流器承擔(dān)全部輸出功率。這樣以來，工作整流器的負(fù)載率提高，工作在更高的效率點(diǎn)上，從而提高了系統(tǒng)效率。