高效電源系統(tǒng)節(jié)能探討

魏和順

（中國電信泉州分公司，福建 泉州362000）

根據(jù)國家“十二五”節(jié)能減排戰(zhàn)略規(guī)劃要求，到2015年，單位工業(yè)增加值（規(guī)模以上）能耗比2010年下降21%左右，平均每年要下降4%才能達到規(guī)劃要求。目前福建電信在網(wǎng)通信基站已達上萬個，其中部分基站電源從20世紀90年代延用至今，由于當時的技術比較落后，整流模塊的效率偏低（通常在85%以下）；還有大部分的基站電源采用比較新的移相軟開關技術，系統(tǒng)效率最高在91%左右。近年來廠家采用新工藝、新材料、新技術開發(fā)出效率高達96%的新一代高效通信電源。相比在網(wǎng)的85%和91%效率的舊通信電源，若采用96%高效率電源，則對基站電源的能耗減少有5%～10%的提升空間。為響應國家節(jié)能減排的號召，力爭實現(xiàn)年均4%的節(jié)能減排戰(zhàn)略目標，擬在部分基站試用新一代96%高效率電源，通過對基站實際能耗情況進行對比測試，以確定高效率基站電源對節(jié)能減排的貢獻。

隨著新型器件和新材料（如：碳化硅器件和非晶磁性材料）不斷地涌現(xiàn)，先進的拓撲電路結構運用到通信電源整流模塊系統(tǒng)中，主電路回路中減少了功率器件的數(shù)量，從而減少了功率器件的損耗；采用新的DC／DC拓撲電路，在寬負載率范圍內DC／DC電路中的開關器件以及輸出側整流電路實現(xiàn)軟開關，開關損耗減小，效率提升1%～2%。通過采用新器件、新材料及新技術，且經優(yōu)化電路設計，新一代高效整流模塊在20%～80%的負載率區(qū)間時效率最高，可達96%以上，在100%負載率時效率也達95%以上，結合基站通信電源常規(guī)使用時大都在中高負載率階段，這樣的效率曲線設計更加合理，更加節(jié)能。

1 高效電源系統(tǒng)節(jié)能測試

為驗證高效電源系統(tǒng)的節(jié)能情況，在泉州電信豐澤院前IDC大樓機房做測試。該基站通信電源為中達電通MCS3000D系統(tǒng)，目前配置3塊48 V／50 A整流模塊，系統(tǒng)容量48 V／150 A。日常負荷比較穩(wěn)定（約48 V／30 A），而且市電也比較穩(wěn)定，可確保測試數(shù)據(jù)相對準確。

1.1 測試方案一

此方案采用關閉模塊調整負載率的方式測試系統(tǒng)效率。

（1）測試儀器、儀表：功率測試儀（及配套取樣線材）1臺、數(shù)字電壓表FLUKE187 1臺、數(shù)字電流鉗表FLUKE337 1臺、普通整流模塊2塊、高效整流模塊5塊。

（2）測試步驟：原系統(tǒng)容量48 V／150 A，測試前在原系統(tǒng)中增加2塊48 V／50 A普通整流模塊，組成一套系統(tǒng)容量48 V／250 A的普通電源系統(tǒng)，系統(tǒng)帶載48 V／30 A。

a.5塊普通整流模塊全部開啟，記錄Pλ、Udc、Idc，計算負載率和效率；

b.關閉1塊普通整流模塊，剩余4塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計算并記錄負載率和效率；

c.關閉2塊普通整流模塊，剩余3塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計算并記錄負載率和效率；

d.關閉3塊普通整流模塊，剩余2塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計算并記錄負載率和效率；

e.關閉4塊普通整流模塊，剩余1塊整流模塊在用，記錄Pλ、Udc、Idc，計算并記錄負載率和效率；

然后將5塊普通整流模塊全部更換成高效率整流模塊，再進行測試。

1.2 測試方案二

此方案采用實際負載＋假負載調整負載率的方式測試系統(tǒng)效率。

（1）測試儀器、儀表：功率測試儀（及配套取樣線材）1臺、48 V／100 A純阻性可調負載1臺、數(shù)字電壓表FLUKE187 1臺、數(shù)字電流鉗表FLUKE337 1臺、普通整流模塊2塊、高效整流模塊5塊。

（2）測試步驟：先測試全部為5塊普通整流模塊時各負載率的效率。

a.5塊普通整流模塊全部開啟運行，先將假負載關閉，記錄Pλ、Udc、Idc，計算負載率和效率；

b.開啟假負載，并逐步增加負載大小，調整系統(tǒng)5塊整流模塊帶載率增加10%，記錄Pλ、Udc、Idc，計算并記錄負載率和效率；

c.調整假負載，使系統(tǒng)5塊整流模塊帶載率再增加10%，記錄Pλ、Udc、Idc，計算并記錄負載率和效率；

d.重復以上動作，直到系統(tǒng)5塊整流模塊帶載率達到90%，記錄Pλ、Udc、Idc，計算并記錄負載率和效率；

然后將5塊普通整流模塊全部更換成高效率整流模塊，再進行測試。

1.3 測試方案三

掛電度表測試（縱向測試）。

（1）測試儀器、儀表：功率電度表（及配套取樣線材）1臺、交流互感器3個、高效整流模塊3塊。

（2）測試步驟：測試儀器安裝接線完畢后，檢查接線正常。先確定待測基站電源內所有模塊均為普通模塊。

a.讀取功率電度表的初始讀數(shù)P1；

b.保持普通模塊正常工作1周，讀取1周后電度表耗電P2；

c.檢查監(jiān)控單元歷史告警記錄，確認測試普通模塊期間有無停電記錄，記錄下停電時長T1。

d.將基站電源內所有模塊全部更換為高效模塊進行測試。

2 測試數(shù)據(jù)分析

2.1 測試方案一節(jié)能數(shù)據(jù)分析

通過對測試方案一的測試數(shù)據(jù)進行分析，可得普通模塊和高效模塊電源系統(tǒng)在不同負載率時的效率數(shù)據(jù)，見表1。高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線如圖1。

投資回報率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，負載率為30%時（即帶載45 A時），若將MCS3000D普通模塊全部更換成DPS3000G高效模塊，此時節(jié)電率最高可達8%。投資成本：新采購3塊DPS3 0 0 0G高效模塊，設備采購成本近6 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價格500元／臺計算，折合1 500元。

表1 測試方案一的測試數(shù)據(jù)

圖1 高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線（方案一）

實際投資成本：6 000元－1 500元 ＝4 500元

節(jié)省電費：MCS3000D系統(tǒng)48 V／150 A電源帶載45 A時，年耗電量：［（54×45／88.2%）／1000］×365×24＝24 133 kWh（度）。

按節(jié)電率8%計算，年節(jié)省電量：24 133×8% ＝1 930.7度，按1元／度計算，年節(jié)省電費1 930.7元；投資回收期：4 500／1 930.7＝2.3年

2.2 測試方案二節(jié)能數(shù)據(jù)分析

通過對測試方案二的測試數(shù)據(jù)進行分析，可得普通模塊和高效模塊電源系統(tǒng)在不同負載率時的效率數(shù)據(jù)，見表2。

表2 測試方案二的測試數(shù)據(jù)

高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線如圖2。

圖2 高效電源與普通電源系統(tǒng)效率曲線（方案二）

投資回報率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，負載率為50%時（即帶載75 A時），若將MCS3000D普通模塊全部更換成DPS3000G高效模塊，此時節(jié)電率最高可達7.5%。

投資成本：新采購3塊DPS3000G高效模塊，設備采購成本近6 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價格500元／臺計算，折合1 500元。

實際投資成本：6 000元－1 500元 ＝4 500元

節(jié)省電費：MCS3000D系統(tǒng)48 V／150 A電源帶載45 A 時，年耗電量：［（54×75／90.9%）／1 000］×365＊24＝39 025 kWh（度）。

按節(jié)電率7.5%計算，年節(jié)省電量：39 025×7.5%＝2 926.9度，按1元／度計算，年節(jié)省電費2 926.9元；投資回收期：4 500／2 926.9＝1.54年；

2.3 測試方案三節(jié)能數(shù)據(jù)分析

（1）通過對測試方案三的全部普通模塊和全部高效模塊測試數(shù)據(jù)進行分析

14天普通模塊的電度數(shù)—14天高效模塊的電度數(shù)＝14天節(jié)省的電度數(shù)。

投資回報率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，若將 MCS3000D普通模塊全部更換成DPS3000G高效模塊，14天節(jié)省電度數(shù)為538－469.6＝68.4度。

投資成本：新采購3塊DPS3000G高效模塊，設備采購成本近6 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價格500元／臺計算，折合1 500元。

實際投資成本：6 000元－1 500元 ＝4 500元

節(jié)省電費：年節(jié)省電量：68.4÷14×365≈1 783.3度，按1元／度計算，年節(jié)省電費1 783.3元；投資回收期：4 500／1 783.3≈2.52年

（2）通過對測試方案三的混插系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進行分析

投資回報率分析：以一套48 V／150 A電源系統(tǒng)為例，若將2個MCS3000D普通模塊更換成2個DPS3000G高效模塊，模塊混插使用，28天8小時供用電為6 509－5 373＝1 136度。

折算到每天耗電：1 136÷（28＋1／3）≈40.094度；

前面測試全為普通模塊時每天耗電：538÷14≈38.429度；

由于全為普通模塊時輸出電流為27 A，電壓54 V；而混插時輸出電流為30 A，電壓54 V，所以需要將混插時輸出電流30 A折算成輸出電流27 A時1天的耗電。

40.094 ×1 000÷24＝1 670.58 W；

54×30÷1 670.58×54×27≈1 413.86 W

1 413.86×24÷1 000≈33.932度

混插比全為普通模塊每天節(jié)省電費：

38.429 －33.932＝4.497度

投資成本：新采購2塊DPS3000G高效模塊，設備采購成本近4 000元；更換下來的MCS3000D整流模塊作為備品備件，按備件回收價格500元／臺計算，折合1 000元。

實際投資成本：4 000元－1 000元 ＝3 000元

節(jié)省電費：年節(jié)省電量：4.497×365≈1 641.4度；按1元／度計算，年節(jié)省電費1 641.4元；投資回收期：3 000／1 641.4≈1.83年。

（3）測試結果見表3。

表3 方案三測試結果

3 結 論

根據(jù)以上測試，得到如下結論：

（1）本次測試僅針對普通模塊與高效模塊的電源架構能實現(xiàn)相互兼容的開關電源系統(tǒng)，即能同系統(tǒng)進行兼容安全工作，而不需對原有電源系統(tǒng)架構進行改造。

（2）受測試儀表精度、測試環(huán)境條件等客觀因素限制，本次測試數(shù)據(jù)具有相對精確性，絕對科學、嚴謹?shù)臏y試只有在實驗室可以做到。

（3）在負載率16%～60%，單個普通模塊效率為84.8%～88.2%，單個高效模塊效率為88.8%～96.6%，單模塊節(jié)能率提高達3.9%～8%；而在負載率20%～90%，系統(tǒng)普通模塊效率為90.4%～92.1%，系統(tǒng)高效模塊效率為95.7%～98.5%，系統(tǒng)節(jié)能率提高達4%～7.5%；單個模塊比較，高效模塊比普通模塊的節(jié)電率高，而工作效率卻比系統(tǒng)模塊低；系統(tǒng)單模塊工作模式存在“大馬拉小車”現(xiàn)象；因此，模塊與電源系統(tǒng)架構需要同時工作在一定負載率區(qū)間，整機系統(tǒng)的節(jié)能效率才會有質的提高。

（4）采用高效模塊與普通模塊混插工作模式比全部采用高效模塊相比，采用混插模式的一次性投資成本可根據(jù)資金寬裕度進行混插比例調整、回收期相對較短，適合分期投入。