基于通信汇聚机房站点铁锂电池节能应急供电

2021-03-16 08:40陈镇波
通信电源技术 2021年19期
关键词:机房锂电池供电

陈镇波

(中国移动通信集团广东有限公司 揭阳分公司,广东 揭阳 522000)

0 引 言

随着5G的建设大潮,基站机房需求大增,为了节能减排,规划基带处理单元(Building Base band Unit,BBU)设备集中部署,可以减少基站机房数量所带来的大量配套耗能。取而代之建设业务汇聚机房,存放安装BBU、切片分组网(Slicing Packet Network,SPN)接入设备以及家集客光缆终端设备(Optical Line Terminal,OLT)等。一个普通地市部署300~400多个业务汇聚机房,其中租赁机房占多数,一旦停电,为保证业务的不间断,就需使用汽油发电机组进行发电。在碳中和的背景下,储能设备是一个趋势,将一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来,基于未来应用需要以特定能量形式释放出来。在通信业务汇聚机房,可利用铁锂电池储能设备在机房停电时应急供电,减少油机的使用频次,减少碳排放,降低噪声污染,又可以充分利用电价低谷时段充电。

业务汇聚机房用于单个或多个微网格内业务收敛的汇聚节点,作为无线C-RAN BBU的集中部署节点,家集客OLT的部署节点。市电供电方式要求不得低于3类市电供电,容量不低于25 kW[1]。业务汇聚机房一般部署3~4个机架,负载约55 A,停电后用10 kW发电机发电,为节省油费,不带空调负载,降低油机负载率。随着储能设备的运用,特别是铁锂电池,性能越来越稳定,电池的密度也越来越高。通信铁锂电池,一般使用48 V/50 AH或者48 V/100 AH,每个电池组内部由16只3.2 V电池单体串联组成,并配置电池管理系统(Battery Management System,BMS)进行电池充放电管理。铁锂电池在不同放电电流和温度下放电,放电容量变化不大,前期电压稳定在49 V以上,对供电回路产生电压降影响不明显,且循环寿命较长。根据行业标准,电池组的循环寿命不少于1 000次[2]。

利用铁锂电池替代汽油发电机,电能输送给交流配电箱,再到组合式开关电源,从而为机房业务设备提供可靠电源,铁锂电池应急供电方式如图1所示。

图1 铁锂电池应急供电方式

1 铁锂电池供电原理

组合式开关电源有稳定的48 V电源输出,就可以保证OLT等设备的不间断供电。开关电源的主要器件为整流模块,如艾默生开关电源系列PS48600的整流模块型号为RU2900。

整流模块主要由交流输入滤波器、输出整流滤波器、功率变换电路、保护电路以及辅助电源等几部分组成。主要电路拓扑如图2所示,交流输入电压经电网滤波、桥式整流得到直流电压,通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压,再经高频变压器隔离变换,输出高频交流电压,最后经过输出整流滤波电路,得到需要的直流电压。

图2 电源模块主电路拓扑

主电路的3个主要组成部分为EMI滤波器、桥式整流滤波以及功率变换电路。EMI滤波器一方面可以抑制电网上的电磁干扰,另一方面也可抑制本身产生的电磁干扰。桥式整流滤波市电经滤波后,再经全桥整流滤波,可得到300 V左右的高压直流。功率变换电路中,300 V高压直流电送入功率变换器,将高压直流电转变为高频交流脉冲电压或脉动直流电,再经变压器降压,最后经输出整流滤波得到所需的低压直流电[3]。

将整流模块的交流输入改变成直流输入,不必对开关电源进行改造,电源模块仍可正常工作。输入电路如图3(a)所示,交流电的正负半周分别在两个相对的二极管导通,并在电容上形成脉冲直流电。不同类型电源输入的电容电压波形如图3(b)所示,电压波形更加平稳,不存在无功部分,降低功率因数[4]。以直流的铁锂电池替代交流发电机组,组合式开关电源同样能正常工作。

图3 整流模块全桥整流输入电路

2 铁锂电池供电性能

下面对铁锂电池供电的整流模块限功率、电压降、发电机供电对比进行阐述。根据《PS48400-3/2900& PS48600-3/2900电源系统技术手册》,开关电源的交流输入参数如表1所示,只要输入电压在85 V以上,整流模块就可以工作[5]。通信用每块铁锂电池电压约为50 V,因此可串联成100 V、150 V、200 V以及250 V,另外因为交流输入等效电压为220 V,所以此处暂不考虑250 V直流输入情况。但当电压小于176 V时,电源模块将限制输出。

表1 开关电源交流输入参数

整流模块输出功率与输入电压关系如图4所示,输入电压为100 V时,输出功率达到额定功率的32.15%,输入电压为150 V时,输出功率达到额定功率的76.81%,输入电压为200 V时,输出功率达到额定功率的100%。考虑电压等级及模块功率输出,建议使用3只50 V铁锂电池串联成150 V,实际电压为162 V,输出功率为额定功率的87.49%。如过组合式开关电源的负载电流为55 A,那么现场启用两个50 A的整流模块,则负载可以正常工作。3只50 AH的铁锂电池应急供电,考虑15%损耗,放电时长约2.5 h。如用6只并联成两组,放电时长为5 h,可满足应急场景需求。

图4 整流模块输出功率与电源输入电压关系

电压降的公式为:

式中,L为电缆长度,ρ为电阻率,A为电缆截面积,I为电流。电缆长度约取30 m,参照发电机供电,布放4×6(截面积A为6 mm2)的铜线电缆,使用其中两芯,开关电源的负载电流为50 A,电缆输入电流I约为18 A,铜电阻率取0.0185Ω·mm2/m计算。当电池电压为149 V时,电源端输入电压为145.67 V,仍在开关电源的输入电压工作范围内,整流模块输出限功率在70%以上,可正常工作。

铁锂电池在25 ℃下的放电曲线如图5所示,在0.1C到1C的放电电流下,电池容量下降80%后,电池电压仍在48 V以上,电池具有良好的放电平台。如0.5C的放电电流,电池容量下降80%,单只电池电压约为49 V,3只串联的电压为147 V。若长度达到60 m,压降约为6 V,仍在141 V左右,整流模块的限流输出约70%,此时开启两个额定电流为50 A的模块仍可满足负载需求。

图5 铁锂电池在25 ℃下的放电曲线

发电机发电及铁锂供电对比,汽油燃油消耗约200 g/(kW·h),发电费用约1.4元/(kW·h),而业务汇聚机房属于商业用电,电价为0.7元(kW·h),可节省一半费用。另外,发电机发电噪声较大,风冷式一般在100多分贝,在居民区、夜间发电,存在扰民的现象,而铁锂供电则无此现象。再者,发电机的尾气排放存在一定的中毒安全隐患,在密闭空间发电可能会产生CO气体,而铁锂供电也无此问题。

3 铁锂电池供电实践

按照上面图1所示的供电方式,选取一个业务汇聚机房,电源为中兴开关电源,直流设备的电流为71.3 A。选用3只50 A的雄韬铁锂电池,如图6(a)所示进行串联,电压为152.63 V,正极连接AC相输入B相,负极连接零线,把机房内除开关电源外空调负载、照明负载的空气开关均分闸,合上电池开关,开启开关电源B相对应的3个模块,浮充电压停电后由49 V上升到51.5 V,如图6(b)所示,电池放电电流为零,说明铁锂电池可通过此方式应急供电。

图6 现场铁锂供电照片

4 结 语

随着储能设备的应用不断的深入,特别是铁锂电池,具备绿色、环保、低碳等优势。在技术与市场的协同发展中,铁锂电池的密度已达到200 W/kg,密度越来越大,单位储能也在不断增大,便携性则越来越好。5G快速发展,站点功耗倍增,因此需要能量密度更高的储能系统,铁锂电池正当其时。充分利用分时峰谷电价错峰降低电费,应急供电便利性快速应急供电,铁锂电池成本持续下降,通信汇聚机房节能应急供电方式前景更适用时代的发展。

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