开关电源节能的冷关断技术解决方案

节能减排是全人类的共同责任, 电信企业作为节能减排的践行者, 减排新技术、新项目的研究, 多措并举全力推进节能减排工作的科学、高效开展。

动力运维人员根据在网运行年限较长开关电源工作效率较低的现状, 提出采用冷关断技术实现开关电源工作效率提升的思路, 由相关公司开发控制器并实际应用, 取得较好的实际效果。

1 前言

通信电源的发展经历了从相控电源到高频开关电源的转变, 系统已实现高可靠性、可维护性、高功率密度及高智能化, “如何降低运营成本”成为当前运维关注重点。

随着国家对节能减排要求提升及运营商运营成本压力, 近年大规模推广开关电源模块软休眠技术, 该方案通过关闭部分模块输出来实现电源效率的提高从而降低系统损耗。依据这几年实际运行数据, 采用模块软休眠技术之后, 每基站开关电源年节电普遍在1000度以上, 企业取得经济效益显著。软休眠方案存在一定局限性, 要求开关电源需具备相关功能, 适用于近年生产的较新开关电源, 而对于在网运行的大量无休眠功能的开关电源, 整流模块采用N+1备份方式, 基本上负载率在20~30%, 模块的空载损耗和低负载率时系统带载损耗较大。

良好的经济效益促使运营商和设备厂家对技术革新, 通过与电源厂家的技术交流共同确认技术细节, 定制通用型节能控制器, 可实现对所有在网老开关电源的节能改造, 节能效果显著、系统可靠性进一步提高。该方案解决了模块软休眠技术运用局限性的问题, 适用所有开关电源、各厂家、各种型号的通信电源产品。

2 解决方案

冷关断技术是整流模块软休眠技术的扩大和补充, 是对不具备休眠功能的开关电源实施节能的一种解决方案, 对模块没有任何要求, 适用于所有厂家的在网中小容量开关电源系统, 有广范的应用前景。

开关电源模块冷关断方案对开关电源本身不进行改造, 只是增加了自动控制部分, 通过控制开关电源整流模块的输入交流电源的通断来控制开关电源模块工作与关闭。即通过外挂硬件控制器的方式, 强制关闭冗余模块来实现节能, 模块仅作为被控制对象。

工作原理:如图1所示, 节能控制器利用交流互感器测得整流模块电流和电压值, 通过相关计算间接判断电源负载率, 控制整流模块交流输入通断, 达到关闭冗余模块的目的, 从而提高其它整流模块带载率, 使系统效率得到提升。图2为正在使用的开关电源冷关断控制器。

图1 冷关断控制器原理示意图

图2 冷关断控制器

几种状态的控制过程:

2.1 整流模块关闭

当整流模块负载率低于60% (可设置) 时, 冷关断控制系统向整流模块的交流输入控制继电器发出控制信号, 使继电器动作断开模块交流输入电源, 从而关闭整流模块。

2.2 整流模块开启

根据负荷情况, 冷关断控制器将主用整流模块的控制继电器处于断电常闭状态, 使主用模块开启;当主用开关电源模块负载率大于80% (可设置) 时, 冷关断控制系统给冗余整流模块的交流输入控制继电器发出控制信号, 使继电器释放接通模块交流输入电源, 从而开启冗余开关电源模块。

2.3 冷关断控制退出

开关电源模块冷关断具有必要的安全措施, 保证特殊情况下系统工作可靠。系统保证至少一个整流模块工作, 当出现整流模块故障、控制器失效、市电异常、电池均充等情况时, 系统自动取消模块休眠功能;当异常情况消失, 系统处于浮充状态时, 再启动模块休眠功能, 从而保证系统安全稳定运行。

2.4 整流模块轮换运行

开关电源模块休眠数量可根据负载变化而动态调整, 当负载增大到设定值时, 自动唤醒休眠模块, 保证开关电源整体输出容量。同时可以通过软件设置整流模块的休眠时间和休眠次序, 使各整流模块轮换休眠, 维持各整流模块工作时长的平均, 提高整流模块使用寿命。

3 主要技术特点

开关电源冷关断技术解决了整流模块软休眠技术运用局限性的问题, 具有以下特点:

节能效率高:控制整流模块交流输入电源的通/断, 休眠模式的整流模块完全处于断电状态, 大幅提高开关电源运行效率。

可靠性高:控制开关采用了常闭型控制器件, 硬件节能系统失效或故障不会影响到开关电源系统的正常电流输出能力。

适用范围广:支持最多12个整流模块, 冷关断休眠节能装置适应性强, 可用于各类单相模块组成的电源系统。

故障或非正常状态自动退出:电源处于故障、电池充放电等非正常状态, 冷关断自动退出, 有效保护电源。

低负载率节能效果明显:适用于系统负载率小于30% (不含电池充电电流) 的电源系统。

该技术节能效果明显, 年节电收益约15%, 预计收回投资为27个月。

4 节能效益分析

开关电源冷关断技术解决了整流模块软休眠技术运用局限性的问题, 可靠性高、适用范围广、实施简单, 能够大幅提高开关电源的效率, 可用于各品牌、型号的通信电源产品。

效益预测:

(1) 冷关断控制器适用于所有采用单相供电且无软休眠功能的整流模块, 此类开关电源目前普遍在网时间4年以上, 按照平均6年计算, 冷关断控制器还可以使用4年 (按开关电源10年寿命计算) 。

(2) 通过现场6个通信站点实测, 用电能质量测试仪测试开关电源冷关断前后输入功率, 在整流模块数量符合规范配置的条件下, 节电约115W, 年节电约115W×24h×365d/1000≈1000度。

节能项目每个局点总实施费用约2000元, 按照工业电费0.88元/度, 预计收回投资时间为2000元/ (0.88元/度×1000每站点估算年节电度数) ≈2.27年≈27个月。

按照平均收益, 冷关断控制器在4年使用期内, 每个局站节约电费3520元, 寿命周期内投入产出比3520元 (年节电度数) /2000 (元/套) =1.76。按照年度平均收益折算, 年收益约15%。

5 结束语

开关电源冷关断技术解决了整流模块软休眠技术运用局限性的问题, 通过关闭冗余模块来实现节能, 对模块没有任何要求, 适用于任何高频通信电源系统, 应用广范, 节电效率更高。该装置安装使用简便, 不需更改系统结构, 整流模块启停通过控制交流输入实现, 可靠性高。该技术节能效果明显, 年节电收益约15%。