一种光伏电源的稳定性分析

杨楠， 孙梦雨， 阮黎君

(西安铁路职业技术学院 电子信息学院， 陕西 西安 710014)

0 引言

随着我国通信产业的快速发展,通信局(站)大量增加,通信设备的种类也越来越丰富,可以满足不同层次业务的需要。同时,通信设备对电源稳定性要求也越来越高,其主要要求包括供电的不间断性、供电的稳定性、更高的效率要求、小型化要求、安装和维护要求等[1]。

常见电源系统供电示意图，如图1所示。

图1 电源系统供电方式示意图

一般引入两路10 KV的高压市电，经转换为220/380 V的低压，再经低压配电后为相应的直流设备和UPS提供电源。供电系统不但应保证通信设备用电，还需要为机房空调、保障建筑负载(保证照明及消防电梯等)和一般建筑负载(一般照明等)供电，因此会有相应的交流引出[2]。

1 一般通信电源要求

通信设备的主要供电形式为交流电和直流电。很多通信设备对于电源质量有着非常严格的要求,瞬间的中断也是不允许的,若电源中断,存储器中的信息将会丢失,在电源恢复正常后,信息将从存储设备中重新导人,有些导入时间非常长,从而导致长时间的通信中断,因此要求提供供电设备的通信电源必须能够不间断运行[3]。在我国,当通信设备采用交流220/380 V的供电时,当通信设备采用直流供电时,主要有两种供电电压:-48 V和±24 V。其中,-48 V属于首选标称值,而+24 V为过渡时期暂留标称值。也就是说,原有局(站)通信设备使用的±24 V直流基础电源仍可继续使用,但不再扩容,直到这些通信设备停用为止,新建局(站)应统一采用-48 V直流基础电源供电[4]。

交流供电系统主要包括变配电系统、备用电源系统(发电系统),不间断电源(UPS)系统等,其主供电电源为市电[5]。其中,变配电系统包括高、低压配电设备变压器,操作电源;不间断电源系统包括UPS,输入/输出配电柜和蓄电池组。

直流供电系统包括交流配电屏等设备，而蓄电池组采用并联浮充的方式接入到系统中,当交流输入电压故障时,由蓄电池组放电为负载供电[6]。单个-48 V直流系统最大容量一般不超过3 000 A。

2 带光伏的通信电源系统架构

通信电源系统的可靠性极大地影响着通信的可靠性,电源系统故障经常导致通信中断或瘫痪[7]。现有电源优化方案一般倾向于引入第三路市电，以提高电源的稳定性，但在一些偏远山区引入多一路电源施工难度较高，因此设计了带光伏的电源架构，在原有蓄电池储能基础上，结合分布式微电网，将光伏引入通信电源用以提高电源可靠性，如图2所示。

图2 带光伏的通信电源系统

3 稳定性分析

电源的可靠性是指在规定的环境条件下和规定的时间区间内完成规定功能的能力。可靠性的三要素为环境条件、时间区间和规定功能[8]。产品可靠性是通过可靠度、故障率(或失效率)、平均无故障工作时间、可用度和不可用度等来表征的。

3.1 稳定性指标[9]

(1) 可靠度R(t)：是指产品在规定的环境条件下和规定的时间区间内完成规定功能的概率。可靠度的函数形态可以是指数分布、正态分布和威布尔分布等。可靠度和不可靠度之和为1。其中,不可靠度用Q(t)表示。

(2) 故障率λ(t)：是指已工作到时刻t的产品,在该时刻后的单位时间内发生故障的概率。

(3) 平均无故障时间MTBF(Mean Time Between Failure)：是指可维修的设备或系统，在发生故障经修复后继续工作，从本次故障到下一次故障所经历的平均时间。在电源系统中这是一个非常重要的指标。

3.2 数学模型[10]

(1) 单设备电源系统可靠性数学模型,如式(1)。

(1)

(2) 多个设备级联时，根据乘法原理，级联系统的可靠度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)为第i(1≤i≤n)个设备的可靠度，λi为第i(1≤i≤n)个设备的故障率，λs为系统故障率。

根据式(1)可得系统平均无故障工作时间,如式(3)。

(3)

(3) 并联系统的可靠性：并联系统的不可靠度Qs(t)为各不可靠度的乘积，因此并联系统的可靠度Rs(t),如式(4)。

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

1-[1-R1(t)][1-R2(t)]……[1-Rn(t)]

(4)

对于由两个设备并联组成的系统，其可靠度Rs(t),如式(5)。

(5)

根据式(1),如式(6)。

(6)

3.3 稳定性计算[11]

根据《YD/T 1051—2010通信局(站)电源系统总技术要求》中规定，各设备在使用寿命期间内的可靠性指标,如表1所示。

表1 各设备可靠性指标

传统开关电源简化模型，如图3所示。

图3 传统开关电源简化模型

根据式(3)，交流配电和整流器串联的MTBFab,如式(7)。

(7)

同理可得式(8)。

MTBFef≈1.14×104(h)

(8)

同理，可得与光伏并联后MTBFa-f≈7.33×104(h)

根据式(3)再与之流配电串联的MTBF,如式(9)。

(9)

4 总结

市电有时会出现供电中断或相关的供电质量问题，如在供电质量方面，可能出现瞬态尖峰、频率突变、带有振铃式瞬态干扰波换相失真干扰、浪涌等。为了能够为通信设备提供持续、稳定且洁净的交流正弦电压，交流负载需采用UPS作为电源输入。UPS由整流器、蓄电池组、逆变器和转换开关等部分组成，其输入、输出均为交流电。我国通信系统所采用的UPS无论市电是否正常，均由UPS中的逆变器输出。当市电正常时，UPS跟踪市电并输出稳定的交流电；当市电停电时，由蓄电池组放电经逆变器提供稳定交流电；当UPS出现故障时，自动转备份旁路，由市电或备用UPS直接供电。而引入光伏后不仅系统的稳定性得到提升，加之光伏设备的寿命较之其他电源设备寿命较长，结合上述模型可以得出，引入光伏电源能有效的提高通信电源的稳定性，且与引入第三路市电相比在偏远地区具有施工简单，节能环保等优点，因此带光伏的通信电源架构具有一定的实际意义。