顧佳易

（上海恒能泰企業(yè)管理有限公司，上海 200135）

1 概 述

隨著社會(huì)的發(fā)展和通信技術(shù)的日益普及，通信設(shè)備成為現(xiàn)代生活不可或缺的一部分。然而，通信設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行需要穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。傳統(tǒng)的電力供應(yīng)方式通常依賴化石燃料等非可再生能源，不僅存在資源有限和排放污染等問(wèn)題，而且在偏遠(yuǎn)地區(qū)或?yàn)?zāi)難發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)供電不穩(wěn)定和易中斷問(wèn)題[1]。在這種背景下，可再生能源成為一種備受關(guān)注的替代選擇。太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等可再生能源具有分布廣泛和持續(xù)的特點(diǎn)，可以為通信電源系統(tǒng)提供可靠的能源來(lái)源[2]。利用可再生能源建立通信電源系統(tǒng)，不僅可以降低對(duì)傳統(tǒng)電力網(wǎng)的依賴，還可以降低對(duì)環(huán)境的影響，推動(dòng)綠色低碳發(fā)展[3]。

2 基于可再生能源通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于可再生能源通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

基于可再生能源通信電源系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏發(fā)電單元和風(fēng)力發(fā)電單元構(gòu)成的互補(bǔ)發(fā)電單元、智能管理單元、充放電單元、儲(chǔ)能單元、逆變單元、通信交流負(fù)載、通信直流負(fù)載以及系統(tǒng)監(jiān)控保護(hù)與其他附屬設(shè)施等單元組成?；诳稍偕茉赐ㄐ烹娫聪到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于可再生能源通信電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一，太陽(yáng)能光伏發(fā)電單元利用光電效應(yīng)將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，而風(fēng)力發(fā)電單元利用風(fēng)能轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[4]。兩者相互補(bǔ)充，形成互補(bǔ)發(fā)電單元，以確保在不同的天氣條件下都能夠持續(xù)地為系統(tǒng)供電。

第二，智能管理單元是系統(tǒng)的核心控制部分，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)太陽(yáng)能光伏發(fā)電單元和風(fēng)力發(fā)電單元的工作狀態(tài)。其通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能和風(fēng)能的收集情況，并根據(jù)系統(tǒng)的能量需求和實(shí)際情況，智能控制和管理充放電單元和儲(chǔ)能單元，以最大化系統(tǒng)的能源利用效率。

第三，儲(chǔ)能單元不僅可以存儲(chǔ)過(guò)剩的電能，而且可以在可再生能源供給不足時(shí)提供備用電力。通常采用電池組或超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備，以確保系統(tǒng)能夠在不穩(wěn)定的能源供給情況下保持穩(wěn)定的運(yùn)行。

第四，充放電單元負(fù)責(zé)控制電池組的充放電過(guò)程。其根據(jù)系統(tǒng)的能源需求和電池狀態(tài)，并利用智能管理單元進(jìn)行充放電控制，以確保電池組的充電過(guò)程高效和安全，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。

第五，逆變單元負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以供給系統(tǒng)的通信負(fù)載使用。逆變單元需要具備穩(wěn)定、高效的電能轉(zhuǎn)換能力，以確保系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。

第六，通信系統(tǒng)負(fù)載包括基站和通信終端等通信設(shè)備，其能耗需求是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考慮因素。系統(tǒng)需要根據(jù)通信設(shè)備的能耗特點(diǎn)和工作需求，合理安排能源供給方案，以確保通信系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

第七，系統(tǒng)監(jiān)控保護(hù)設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)，并在檢測(cè)到異常情況時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 核心單元設(shè)計(jì)

2.2.1 逆變單元設(shè)計(jì)

逆變單元由多個(gè)組件組成，包括模擬數(shù)字（Analog to Digital，AD）轉(zhuǎn)換器、硬件保護(hù)電路、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）驅(qū)動(dòng)模塊、二極管保護(hù)電路、抗干擾濾波器以及Boost電路。其功能是將蓄電池組的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以供交流負(fù)載使用。逆變單元具體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 逆變單元

第一，AD 轉(zhuǎn)換器將系統(tǒng)中的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便智能管理單元監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)狀態(tài)。它將各個(gè)傳感器收集到的電壓和電流等參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行數(shù)字化處理。

第二，硬件保護(hù)電路負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和保護(hù)逆變系統(tǒng)的各個(gè)部件，防止過(guò)電流、過(guò)壓及短路等異常情況對(duì)系統(tǒng)造成破壞。它通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電壓和電流狀態(tài)，并在檢測(cè)到異常情況時(shí)立即采取保護(hù)措施，以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

第三，IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊是逆變系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)控制和驅(qū)動(dòng)IGBT 開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)直流與交流電能的轉(zhuǎn)換。它根據(jù)智能管理單元的控制信號(hào)，控制IGBT的導(dǎo)通和斷開(kāi)，以調(diào)節(jié)輸出電壓和頻率，滿足交流負(fù)載的需求。

第四，二極管保護(hù)電路用于保護(hù)逆變系統(tǒng)中的二極管組件，防止過(guò)電流和反向電壓對(duì)二極管的損壞。它通過(guò)監(jiān)測(cè)二極管的工作狀態(tài)，并在檢測(cè)到異常情況時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，確保二極管能夠穩(wěn)定可靠地工作。

第五，抗干擾濾波器用于濾除系統(tǒng)中的電磁干擾和諧波，保障逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和輸出電流的純凈度。它通過(guò)濾波和去除系統(tǒng)中的噪聲信號(hào)，提高系統(tǒng)的工作效率，提升輸出質(zhì)量。

第六，Boost 電路負(fù)責(zé)將蓄電池組的輸出電壓升壓至適合的電壓水平，以滿足交流負(fù)載的工作需求。Boost 電路通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和斷開(kāi)，調(diào)節(jié)電壓，以確保輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。

2.2.2 智能管理單元設(shè)計(jì)

智能管理單元由微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）模塊、液晶顯示模塊（Liquid Crystal display Module，LCM）以及鍵盤等組成，是系統(tǒng)的核心控制部分，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的各個(gè)部件。

MCU 模塊選用德州儀器（TI）公司的MSP430單片機(jī)。MSP430 單片機(jī)具有豐富的片上資源和高性能，可以實(shí)現(xiàn)智能控制和管理系統(tǒng)。它通過(guò)接收傳感器數(shù)據(jù)和用戶輸入，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作參數(shù)，以最大限度地提高系統(tǒng)的能量利用效率和穩(wěn)定性。LCM 液晶顯示模塊用于顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，為操作人員提供直觀的界面和信息。它通過(guò)顯示文字、圖標(biāo)、數(shù)字等方式，實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)的工作情況，幫助操作人員進(jìn)行監(jiān)控和管理。鍵盤便于操作人員控制和設(shè)置系統(tǒng)，包括參數(shù)調(diào)節(jié)、模式選擇、故障排除等功能。

2.2.3 儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能單元主要由蓄電池組組成。蓄電池組選用2套獨(dú)立的鉛酸蓄電池組并接，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。2 套鉛酸蓄電池組分別與充放電模塊、逆變系統(tǒng)及直流負(fù)載電路相連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的充放電控制和電力輸出。

通過(guò)智能管理單元控制采用雙標(biāo)三階段充電模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充電控制。同時(shí)，充放電模塊采用金屬氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET） 模塊，由智能管理單元驅(qū)動(dòng)和控制輸出狀態(tài)。需注意，要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選取不同電壓等級(jí)的MOSFET 模塊。蓄電池組具有安全保護(hù)功能，包括過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)及短路保護(hù)等，以防止蓄電池在充放電過(guò)程中發(fā)生異常情況而損壞電池或其他系統(tǒng)部件。系統(tǒng)通過(guò)智能管理單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池組的電壓狀態(tài)和溫度情況，一旦檢測(cè)到異常，會(huì)立即采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

3 性能分析

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在頻域分析中，可以仿真模擬基于可再生能源通信電源系統(tǒng)對(duì)不同頻率輸入信號(hào)的響應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，施加不同頻率的輸入信號(hào)（文章使用正弦波信號(hào)作為輸入信號(hào)），觀察系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，并記錄幅頻特性曲線以評(píng)估系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 幅頻特性曲線

圖3 中曲線表示不同頻率輸入信號(hào)的響應(yīng)情況。幅度響應(yīng)中，負(fù)數(shù)表示系統(tǒng)將信號(hào)削弱，而正數(shù)表示信號(hào)被放大。在1 Hz 時(shí)，系統(tǒng)將輸入信號(hào)削弱3.2 dB。頻域穩(wěn)定性意味著系統(tǒng)能夠在不同頻率下保持一致的響應(yīng)，而不會(huì)引入不穩(wěn)定或失真。在圖3 數(shù)據(jù)中，幅度和相位響應(yīng)的變化相對(duì)平緩，沒(méi)有出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)或不連續(xù)的變化。這表明系統(tǒng)在頻域上具有較好的穩(wěn)定性，能夠有效地處理不同頻率的信號(hào)。

3.2 能源利用效率

分析系統(tǒng)的能源輸入與輸出，可以評(píng)估基于可再生能源通信電源系統(tǒng)的能源利用效率。能源輸入指可再生能源的采集情況，如太陽(yáng)能電池板的輸入功率、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入功率等；而能源輸出則是系統(tǒng)提供給通信設(shè)備的電力[5]。通過(guò)比較能源輸入輸出功率，可以計(jì)算系統(tǒng)的能源利用效率，以評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。系統(tǒng)能源輸入輸出功率的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 輸入輸出功率

表1 數(shù)據(jù)顯示，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，太陽(yáng)能和風(fēng)能輸入功率都在變化。例如，太陽(yáng)能輸入功率從100 W 逐漸降低至70 W，風(fēng)能輸入功率從50 W 逐漸降低至35 W。這種變化反映自然能源的不穩(wěn)定性，可能由天氣變化而引起。盡管太陽(yáng)能和風(fēng)能輸入功率在變化，但系統(tǒng)的輸出功率變化相對(duì)較小。系統(tǒng)的輸出功率在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)變化幅度不大，維持在90 ～120 W。由此表明，基于可再生能源通信電源系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽(yáng)能和風(fēng)能輸入功率的變化，調(diào)整輸出功率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能源輸出。

4 結(jié) 論

通過(guò)利用可再生能源，設(shè)計(jì)一種基于可再生能源通信電源系統(tǒng)架構(gòu)。結(jié)合太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電2 種可再生能源，利用智能管理單元優(yōu)化調(diào)度和控制能源，從而提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過(guò)分析系統(tǒng)的性能，發(fā)現(xiàn)采用可再生能源的通信電源系統(tǒng)在穩(wěn)定性和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)可再生能源波動(dòng)性帶來(lái)的挑戰(zhàn)，為通信設(shè)備提供穩(wěn)定和持續(xù)的電源供應(yīng)。