基于双向变流器的风光互补系统在通信电源中的应用研究

朱耿峰，宋庆华

（华能青海发电有限公司新能源分公司，青海 西宁 810000）

0 引 言

随着信息通信技术的快速发展和普及应用，通信基础设施的可靠供电变得越来越重要。传统的通信电源解决方案主要依赖于独立的风能发电系统、光伏发电系统或蓄电池供电系统。然而，这些传统方案存在着一些局限性，如风能发电系统和光伏发电系统的不稳定性和不可控性，蓄电池供电系统的容量限制和寿命问题。为解决这些问题并提高通信电源的可靠性和可持续性，近年来研究人员开始关注基于双向变流器的风光互补系统的应用。

1 风光互补系统概述

1.1 风能发电系统

风能发电系统原理是通过风轮转动驱动发电机产生电能。风轮通常由多个叶片组成，当风吹过时，风轮转动并带动发电机转子旋转。发电机通过磁场和线圈的相互作用产生电能。

风能发电系统的组件如图1所示，主要包括风轮、发电机、塔架、控制器以及逆变器等。

图1 风能发电系统的组成

1.2 光伏发电系统

光伏发电原理如图2 所示，利用光伏效应，在光照作用下，光伏电池将光能直接转化为电能。光伏电池通常由多个光伏电池片组成，光照射到电池片上时，光能激发电子，使其跃迁产生电流，从而将太阳能转化为直流电。

图2 光伏发电原理

1.3 风光互补系统

风光互补系统是将风能发电系统和光伏发电系统结合起来，通过双向变流器实现2 者的互补利用。其基本原理是将风能和光伏能源同时接入系统，通过双向变流器将它们转换为交流电，并供给通信电源系统使用。在充足的太阳辐射和风能条件下，该系统可以同时利用风能发电和光伏发电，并将多余的电能储存起来[1]。而在太阳辐射不足或风力不够时，系统可以从储能装置中释放电能，以满足通信设备的需求。风光互补系统的组成如图3 所示。

图3 风光互补系统的组成

2 通信电源需求分析

通信设备在各种应用场景中的广泛应用导致对可靠且持续的电源供应的需求不断增加，而通信电源需求能够帮助技术人员了解现有电源系统的局限性。以某远程地区的通信基站为例，其通信电源需求主要包含以下几方面：功耗需求为20 ～30 W；一般而言，通信设备的工作电压范围较为广泛，常见的工作电压为48 V 或24 V。因此，在工作电压为48V 的情况下，输出电压的变化范围为45.6 ～50.4 V；而在工作电压为24 V 的情况下，输出电压的变化范围为22.8 ～25.2 V。

3 基于双向变流器的风光互补系统

3.1 双向变流器原理和工作方式

双向变流器是风光互补系统的关键组件，用于实现风能和光伏能源之间的互补利用。它可以实现能量的双向转换和功率的控制，使风能和光伏能源可以灵活地供给通信电源系统或储能装置。双向变流器具有2 个主要工作模式，分别是逆变模式（Inverter Mode）和整流模式（Rectifier Mode），具体内容如下。

（1）逆变模式。在逆变模式下，双向变流器将直流电能转换为交流电能，并将其供给通信电源系统。风能和光伏能源产生的直流电能超过通信电源系统的需求时，双向变流器将多余的电能转换为交流电并注入电网或其他负载中。

（2）整流模式。在整流模式下，双向变流器将电网或其他电源的交流能转换为直流电，并将其存储到储能装置。当风能和光伏能源无法满足通信电源系统的需求时，双向变流器可以从储能装置中释放电能，以补充能量供给通信电源系统。

双向变流器通过控制开关器件的开关状态和调节其工作频率来实现能量的双向转换和功率的控制。控制策略可以根据系统需求和运行状态进行设计，以实现稳定的能量互补和优化的功率控制。

3.2 风光互补系统的双向变流器拓扑

风光互补系统中常用的双向变流器拓扑如表1所示。

表1 风光互补系统中的双向变流器拓扑

（1）单相全桥拓扑。单相全桥拓扑是一种常用的双向变流器拓扑，适用于单相风能和光伏发电系统。它由4 个功率开关组成，通过控制开关的导通与断开，实现电能的双向流动。具体而言，当风能发电系统产生的电能超过通信设备的需求时，变流器将多余的电能反向输送到光伏发电系统或电网；当通信设备需求超过风能发电系统供应时，变流器则从光伏发电系统或电网中获取所需的电能。该拓扑结构简单、可靠性高[3]。

（2）双直流母线拓扑。双直流母线拓扑是一种更复杂的双向变流器拓扑，适用于大功率风光互补系统。它包括2 个直流母线、2 个全桥变流器和1 个功率平衡控制器。其中，1 个全桥变流器连接风能发电系统，另1 个全桥变流器连接光伏发电系统。功率平衡控制器用于控制2 个全桥变流器的工作，实现功率的平衡和双向能量转换。这种拓扑结构具有较高的功率密度和效率，并能更好地适应大功率的风光互补系统。

（3）多级拓扑。多级拓扑是一种针对大规模风光互补系统的高效拓扑结构。它将多个单相全桥或双直流母线拓扑连接在一起，形成多级变流器系统。每个级联的变流器负责处理特定功率范围内的电能转换，从而实现整个系统的高效运行。多级拓扑能够提高系统的容错能力、稳定性和效率，并降低单个变流器功率损耗。

4 通信电源需求与风光互补系统的匹配性分析

（1）稳定可靠供电需求。通信系统对稳定、可靠的供电至关重要的，风光互补系统通过利用风能和光伏能源的互补性，能够提供持续稳定的电力支持，减少对单一能源的依赖，降低供电中断的风险。

（2）可再生能源利用。风光互补系统利用风能和光伏能源，属于可再生能源的范畴。通信系统使用风光互补系统作为电源，能够降低对传统化石能源的依赖，减少环境污染和碳排放，符合可持续发展的要求。

（3）多能源协同利用。风光互补系统具备多能源协同利用的能力。通过双向变流器的控制策略，风能和光伏能源可以进行灵活的调度和管理，实现能源的高效利用，满足通信设备的不同负载需求[5]。

（4）适应多种环境。风光互补系统适应性强，可根据不同地区的自然资源条件进行灵活配置和布局。无论是在风能资源丰富的地区还是在光伏能源潜力大的地区，风光互补系统都能够根据实际情况进行调整，提供适宜的电力供应方案。

4.2 风光互补系统在通信电源中的优势和潜在应用

（1）可持续供电。风能和光伏能源是可再生能源，具有持续性和可再生性。风光互补系统可以充分利用这2 种能源的稳定性和可再生性，为通信电源提供可持续供电，减少对传统能源的依赖。

（2）灵活性和可靠性。风光互补系统可以根据实际情况和能源供给情况进行灵活调节和控制，确保通信电源的稳定运行。同时，由于风能和光伏能源具有互补性，系统在某种能源不足或故障情况下仍能提供可靠的电能供应。

（3）节能减排。相比传统的燃油发电等方式，风能和光伏能源具有低碳、清洁的特点。风光互补系统的应用可以减少温室气体的排放，降低能源消耗，对环境更加友好。

（4）成本效益。虽然风光互补系统的初始投资较高，但是随着技术的发展和规模效应的提升，其成本逐渐降低。长期运行下来，风光互补系统可以带来较低的运营成本和更好的经济效益。

潜在的应用领域包括远程通信基站、无线传感器网络、物联网设备等需要长时间稳定供电的场景。

5 结 论

风光互补系统作为一种综合利用风能和光伏能源的解决方案，具有在通信电源领域应用的潜力。与传统通信电源解决方案相比，风光互补系统能够满足通信电源的可持续供电需求，具有灵活性、可靠性、节能减排和成本效益等优势。它能够充分利用风能和光伏能源的稳定性和可再生性，提供稳定、环保的电能供应。风光互补系统作为一种可持续、高效的通信电源解决方案，具有广阔的应用前景。通过不断的研究和创新，进一步推动风光互补系统在通信领域的应用，为通信设备提供可靠、清洁的电能供应，促进通信行业的可持续发展。