章建萍，韦覃程

（江西泰豪动漫职业学院，江西 南昌 330200）

0 引 言

在电网供电不能达到或电力保障能力不足的区域，由于通信设施需要长期不间断地进行48 V 供电，这就要求通信用发电设备集成交流发电、直流供电、蓄电池充放电以及监控等多种功能。交直流一体化电源项目改变了传统柴油发电机组只有一种输出电压的供电模式，整合了发电技术、交直流转换技术、数据监控技术，综合考虑环保要求和项目产品运行的经济可靠性，提出了一种针对通信基站供电电源产品的设计思路。

1 设计背景分析

通信设施需要长期48 V 直流供电，在没有电网的情况下，通信电源需要集成交流发电、直流供电以及多种监控模式。为改变传统柴油发电机组只有一种输出电压的模式，同时集成直流供电技术（直流/交流转换、滤波整流）、蓄电池充放电技术、综合控制技术等，研制一种交直流一体化通信静音电源产品，在没有电网供电的情况下，为通信设施提供长期不间断的电能。对于有电网覆盖的地区，也可作为通信应急电源提供应急供电[1]。通过市场调研，为满足通信行业的使用需求和国家的环保要求，交直流一体化电源需要具备智能控制、远程监控、环境适应能力强、噪声低、排放小、低耗能、可靠性高以及维护简单等特点。

项目产品对环境的影响主要为噪声和废气排放。如果优化柴油发电机组给蓄电池充电的运行模式，即柴油发电机组采用间歇工作制，这样就能减小能耗，减少废气排放。同时，机组采用静音设计，1 m 处的噪声为75 dB（A），节能环保。

随着通信网络的飞速发展，为通信设施供电电源的市场带来了较大的机遇。该项目在技术上具有较强的可实施性，能广泛应用于电信通信行业，满足偏远地区通信设施长期供电的需求，市场潜力巨大[2-4]。

2 交直流一体化电源系统技术方案

2.1 系统组成

交直流一体化电源产品主要由发动机、发电机、机组自动控制系统、油箱、消声器系统、交直流一体（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）转换系统、监控系统、蓄电池组、空调以及静音箱等组成。当蓄电池电能充足时，发电机组处于停机状态，蓄电池向通信设备提供电能；当蓄电池临近放电终了时，监控系统发出指令，柴油发电机组开机进入工作状态，向通信设备供电或者向蓄电池充电。发电机组可能处于恒定负荷工作状态或停机状态，因此可通过系统设计和运行模式的优化，大大减少发电机组的油耗和污染排放，同时延长蓄电池的工作寿命[5]。交直流一体化电源系统原理框架如图1 所示。

图1 系统原理框架

2.2 柴油发电机组技术方案

发电机组由发动机、发电机、机组自动控制系统、油箱以及消声器系统等组成。发电机机组有两组交流电压输出，一组（三相365 V/50 Hz）向1# AC/DC 转换系统供电，另一组（三相42 V/50 Hz）向2# AC/DC转换系统供电。其中，发电机采用独立双绕组（三相365 V/50 Hz、三相42 V/50 Hz）输出。

2.3 发电机组控制系统技术方案

发电机机组控制系统由机组专用控制模块和控制屏体组成，可以实现机组的手动、自动开机以及停机功能，同时可以对机组的相关参数进行测量和保护。根据项目需求，接收无源节点的信号或自行检测市网电源信号，自动开启机组运行。当市网电源恢复或者接到停机指令后，停止机组运行。发电机组专用控制模块会在液晶显示器上显示发电机组的实际工作电压、实际工作电流、发电机频率或发动机转速、功率因数、有功功率、无功功率、机油压力、燃油油位、转速、累计运行时间以及蓄电池的工作电压等。运行过程中全程监控机组运行状态，出现二类故障时启动报警功能，出现一类故障则启动直接停机功能。其中，二类故障信号包括高水温、低油位、过欠压、过欠频以及蓄电池电压过高或过低等[6-10]。

2.4 AC/DC 转换系统技术方案

发电机组运行时，发电机组的2 套三相绕组分别经1# AC/DC、2# AC/DC 转换系统转变成48 V 直流给通信设备供电和蓄电池充电。发电机组停止运行时，由蓄电池对通信设备供电。AC/DC 转换系统构成如图2 所示。

图2 AC/DC 转换系统图

AC/DC 转换系统由整流电路、滤波电路、控制电路、保护电路以及辅助电源等组成。主电路包含交流滤波电路、桥式整流滤波电路、软启动电路、功率变换电路以及整流输出滤波电路，能够完成AC/DC变换。控制电路包含实际测量采样电路、基准设定电源电路、电压/电流比较放大、输入输出隔离、脉宽调制电路、脉冲信号源电路、驱动电路以及直流输出电路。除此之外，AC/DC 转换系统有一些辅助电路，如故障保护电路及其他可以提高运行可靠性的保护电路。

2.5 监控系统技术方案

监控系统原理框架如图3 所示。

图3 监控系统原理框架

监控系统主要对充电电压实时控制，控制机组启停。当出现过压/欠压、三相电压电流不平衡、直流输出电压异常、过电流、整流器故障、整流器关机以及蓄电池均充/浮充功能受限等问题时，及时报警。

项目产品通电工作时，启动发电机组运行，通过1# AC/DC 转换系统向负载供电，通过2# AC/DC 转换系统向蓄电池充电。当监控系统测量到充电电流为60 A，充电电压达到56.5 V 时，转为浮充电。当充电电压为53.5 V 时，继续充电半小时，然后将负载切换至蓄电池供电，切换成功后停止发电机组工作。当监控系统测量到蓄电池电压低于48 V 时，发出启动指令，发电机机组接收指令后启动运行。监控电路检测各类关键数据合格后，进一步确认1# AC/DC 转换系统工作正常，将负载切换至1# AC/DC转换系统供电，2# AC/DC 转换系统向蓄电池充电。当充电电压达到56.5 V 时，转为浮充。如果充电电压为53.5 V 时，继续充电30 min，然后将负载切换至蓄电池供电，切换成功后停止发电机组工作。

监控系统采集1#AC/DC 转换系统输出电压和电流参数并显示，跟系统设置的限值比较，当出现超限时发出报警信号，将供电切换至2#AC/DC 转换系统。监控系统采集2#AC/DC 转换系统输出电压和电流参数并显示，跟系统设置的限值比较，当出现超限时，发出报警信号。

监控电路通过测量蓄电池充电电压和电流，跟系统设置的限值比较，调整电压调节器改变励磁整定电压，保证均充电流为60 A，浮充电压不大于56.5 V。

通过MODBUS 协议读取发电机组控制器运行参数（三相电压、负载电流、电机频率、功率因数、有功功率、无功功率、润滑油压力、燃油液位、发动转速、工作时间以及蓄电池电压等）、二类报警故障信号以及一类报警停机信号，给柴油发电机组发出启动停机命令。

2.6 蓄电池技术方案

蓄电池在整个电源系统中是保障通信设备不间断供电的核心部件，从产品使用与维护的经济性考虑，电池的使用寿命要和通信设备的维护与更新周期相匹配。一般来说，充放电次数越多，蓄电池使用寿命就越短；放电电流越大，蓄电池的寿命越短；放电深度越深，蓄电池的寿命越短。通过控制系统合理的控制蓄电池的充放电电流、电压及次数有利于延长蓄电池的使用寿命。

蓄电池电解质为硫酸溶液，而硫酸具有很强腐蚀性，硫酸浓度的增大会加速板栅的腐蚀，同时促使二氧化铅松散脱落，从而造成安全隐患。目前，对蓄电池使用安全性影响最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的发生主要与蓄电池的内压、结构、工艺设计（安全阀失效等）及应当禁止的不正确操作有关。对于密封电池，电池的电化学过程会产生气体，增加电池内部压力。当压力超过一定限度时，会造成电池爆裂，释放出有毒、腐蚀性气体、液体。因此，蓄电池需要具备优秀的安全防爆性能，同时具有安装使用方便、免维护、低内阻等特性。考虑环境温度对蓄电池寿命和效率的影响，采取温控措施，利用空调对蓄电池进行冷却。

2.7 静音箱技术方案

为了降低噪声，机组采用静音设计。静音箱箱体采用拼块式圆角结构，连接螺栓内置。箱体内部采用降噪性能优良且具备防火性能的阻燃性吸音棉。该材料为背胶贴膜，加工方便，外形美观，降噪效果好。经过分析，排气噪声是机组噪声中能量最大的部分，其造成的噪声污染远大于进气噪声和机械震动噪声。因此，在设计上对排气部分做了特别的处理，如排气端采用波纹管隔振，将内置式的阻抗性消声器放于箱体内的排风口处。同时，为改善机组的运行环境和降低排气引起的噪声，对排气管进行隔热隔声包扎。经分析计算，这样处理之后可以将噪声指标下降至少35 dB（A）。在尾气处理上增加废气再循环系统，进一步降低排放物对环境的污染，从而满足国家高质量的环保要求。

2.8 一体化供电技术设计方案

为完善发电机组、电池交直流一体化供电技术，对交流发电机的性能进行特别设计。交流电机的节距采用2/3 节距，最大限度地降低了相电压的3 次谐波，确保了较低的电压波形畸变率。采用2 套独立的三相绕组，其中第1 组三相绕组线电压为65 V，总电流为25 A，给蓄电池充电装置供电；第2 组三相绕组线电压为65 V、总电流为4.8 A，向开关电源模块供电，满足直流48 V 的负载要求。

3 结 论

经过市场调研，随着通信的快速普及，电力通信行业对集交流发电、AC/DC 转换、滤波整流、蓄电池充放电以及监控等功能于一体的产品需求量大。从理论上提出交直流一体化通信静音电源，为通信设施提供长期不间断、耗能小、自启动以及噪声低的供电电源。未来，如果可以将其转换为实际产品，则能为拓展电力通信覆盖范围提供供电保障。