一种适用于5G基站的直流供电系统

一种适用于5g基站的直流供电系统
技术领域
1.本发明涉及一种直流供电系统，具体涉及一种适用于5g基站的直流供电系统。


背景技术：

2.5g基站按照覆盖范围和功耗大小可分为：宏基站、微基站和皮基站。宏基站覆盖范围为200~300m，单站满载功耗为3~4kw，主要应用于室外大片区域覆盖的场景；微基站覆盖范围为50~200m，单站满载功耗为1.5~2kw，主要应用于室外局部区域覆盖的场景。
3.目前，5g基站采用的供电模式主要包括：市电削峰填谷、转供电、路灯电源供电、电力铁塔供电、分布式电源供电。其中，前四种供电方式主要的电能来源是电网。毫无疑问，随着5g技术的普及，5g负荷将会越来越大，给电网带来巨大的压力。分布式电源是指利用太阳能、风能等作为电能来源为系统供电。太阳能、风能等新能源具有绿色、环保、可再生等传统发电方式无可比拟的优势。
4.由上面的分析，对于5g基站，功耗高、辅助设备多、体积大，相比于4g网络供电系统，功耗大幅提升。若直接在4g供电系统的基础上进行扩容，工程量大且较为复杂，系统的可靠性无法得到有效的保证；另外，对于新建5g基站，需设计一套系统供电的方案。


技术实现要素：

5.针对上述现有的技术不足，本发明重点解决扩容原4g基站供电方式复杂、成本高、效率低、现场布置复杂等问题，而提出了一种适用于5g基站的直流供电系统，该供电系统以光伏等新能源作为电能的主要来源，利用具有最大功率追踪功能的dc/dc变换器，配合储能电池，有效缓解由于5g基站建设给电网带来的负荷压力。具备损耗低、供电稳定、可靠性高的优点。
6.本发明采取的技术方案为：一种适用于5g基站的直流供电系统，该系统包括：配电箱、数据处理及控制模组、直流母线l、太阳能光伏板、蓄电池、蓄电池电源管理模块、环境因素监测模块；电网grid连接配电箱，配电箱连接双向ac/dc变换器，双向ac/dc变换器通过第一断路器连接直流母线l，双向ac/dc变换器、第一断路器分别通过第一通信模块、第二通信模块连接至数据处理及控制模组；配电箱用于交流侧以及直流侧的配电管理；双向ac/dc变换器连接于直流母线l和电网grid之间，用于直流母线l和电网grid之间进行双向能量交换。
7.太阳能光伏板连接具有mppt功能的第一dc/dc变换器，所述第一dc/dc变换器通过第二断路器连接直流母线l，是本发明系统的重要电能来源。第一dc/dc变换器、第二断路器分别通过第三通信模块、第四通信模块连接至数据处理及控制模组，用于上传电流、电压等采样信息。具有mppt功能的第一dc/dc变换器是一种升压的dc/dc变换器，可以准确追踪光伏板的最大功率点，提高光能的转化率。
8.蓄电池连接双向dc/dc变换器，双向dc/dc变换器通过第三断路器连接直流母线l，
第三断路器通过第五通信模块连接至数据处理及控制模组，蓄电池连接蓄电池电源管理模块；蓄电池电源管理模块通过第六通信模块连接数据处理及控制模组；用于蓄电池的状态监测、soc/soh的估算，上传到数据处理及控制模组，为数据处理及控制模组提供控制依据。
9.环境因素监测模块通过第七通信模块连接数据处理及控制模组，其功能是检测系统内外部温度等环境因素，保证系统正常运行的工作条件。
10.5g负荷连接第二dc/dc变换器，第二dc/dc变换器通过第四断路器连接直流母线l，第四断路器通过第八通信模块连接至数据处理及控制模组；所述预留接口通过第五断路器连接直流母线l，第五断路器通过第九通信模块连接至数据处理及控制模组，用于可能增加的直流负载。
11.所述直流母线l为400v直流母线，用于电能的传输。
12.所述数据处理及控制模组，用于接收下位机上传的运行数据，控制直流母线l上挂载的各个功能模块。
13.所述蓄电池采用铅酸蓄电池或者锂电池，经双向dc/dc变换器和第三断路器连接到直流母线l。
14.本发明一种适用于5g基站的直流供电系统，技术效果如下：1）本发明以光伏等新能源作为电能的主要来源，配合蓄电池，有效缓解由于5g基站建设给电网带来的负荷压力。
15.2）本发明中，光伏输入经400v直流母线向5g负荷供电，无需并入电网，降低了系统的损耗，提高了电能的利用率。
16.3）本发明中直流母线电压可实现自动调整，提高系统的供电稳定性。
17.4）本发明具备微电网的关键单元，如：储能单元、分布式发电单元、通信单元等，供电可靠性高。
附图说明
18.图1为本发明直流供电系统连接示意图。
19.图2是传统方式下光伏为5g负荷供电示意图。
20.图3是本发明系统中数据处理及控制模组与各支路变换器信息交互框图。
21.图4是本发明系统中pwm控制信号形成过程图。
22.图5是本发明具有最大功率追踪功能的dc/dc变换器系统框图。
23.图6是本发明通信示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施的方式对本发明作进一步详细说明。
25.如图1所示，一种适应于5g基站高效率直流供电系统，包括：一个配电箱1；一个数据处理及控制模组2；一条直流母线l；
至少五个断路器：第一断路器8、第二断路器12、第三断路器16、第四断路器22，第五断路器25；本发明中所采用的断路器型号均为dz47-60a c25。
26.至少一块太阳能光伏板3；本发明中太阳能光伏板所用型号为lr5-72hph；一个双向ac/dc变换器7，本发明中所采用的双向ac/dc变换器型号为yxpcs-tds；至少一个具有mppt功能的第一dc/dc变换器11，第一dc/dc变换器11为自主设计；至少一个第二dc/dc变换器21，第二dc/dc变换器21所采用型号为：bcm4414xd1e5135yzz；至少一个双向dc/dc变换器11；本发明中采用清驰科技研发的储能双向dc/dc变换器。
27.至少九个通信模块：第一通信模块9、第二通信模块10、第三通信模块13、第四通信模块14、第五通信模块17、第六通信模块18、第七通信模块19、第八通信模块23、第九通信模块26。本发明中所采用的通信模块信号均为nxp semiconductors sln-iot-gpi；至少一块蓄电池4；至少一个蓄电池电源管理模块5，本发明所采用的蓄电池电源管理模块型号为evbmm-1622；至少一个环境因素监测模块6，本发明中所采用的环境因素监测模块型号为te connectivity ambimate ms4。
28.如图2所示，在传统5g负荷的供电方式下，太阳能光伏板所发电能经dc/ac逆变过程变为交流电，再经一级升压过程，并入电网；电能自电网经ac/dc整流过程变为直流电，再经一级dc/dc降压变为48v，为5g负荷供电。光伏输入本发明中，直流母线电压等级为400v，太阳能光伏板所发电能经具有mppt功能的dc/dc变换器直接汇入直流母线，再经一级dc/dc变换器为5g负荷供电。相较于传统的5g基站供电方式，太阳能光伏板所发电能不再并入电网，省去一级逆变和一级整流，既避免电能并网时对电网产生的影响，又减少了逆变和整流过程中的损耗，提高了电能的利用率。
29.如图3所示，数据处理及控制模组2与各支路变换器信息交互框图，数据处理及控制模组2使用stm32f103c8t6微处理器作为控制核心，对各个功能模块上传的数据进行汇总和处理，确定各个功能模块节点处电压电流等信息，进而对各个功能模块进行控制，来确保整个系统的平稳运行。
30.具体的实现方式：各支路功能模块将采集到的电压信息上传至数据处理及控制模组2，自动调压功能块首先对接收到的数据进行滤波处理，后经内部逻辑判断电路，确定直流母线l电压。当直流母线l电压过高时，此时得到的控制信号为负向，当直流母线l过低时，此时得到的控制信号为正向。该控制信号经补偿后，传递给单片机内部的pwm模块，形成最终pwm控制信号，再下发到各个功能模块，调整各个功能模块具体的工作状态，达到自动稳定直流母线电压的目的。最终pwm控制信号形成流程如图4所示。
31.本发明中，采用太阳能等新能源作为电能的主要来源，太阳能光伏板3的实际布置数量取决于系统中负荷的大小。由于太阳能光伏板3的输出功率受环境因素的影响，在5g负荷20一定的情况下，为了在电源侧获得最大的输入功率，本发明中太阳能光伏板3与直流母线l间采用具有最大功率追踪功能的第一dc/dc变换器11。该第一dc/dc变换器11采用数字控制的方式，获取当前环境条件下太阳能光伏板可输出的最大功率，保持较高的能量转化
率。具有最大功率追踪功能的第一dc/dc变换器11系统框图如图5所示。
32.由于太阳能具有随机性和不确定性，为了提高系统的供电可靠性，本发明采用锂电池或铅蓄电池作为储能电池。蓄电池4经双向dc/dc变换器15和第三断路器16连接到直流母线l。当外界环境因素较好，太阳能光伏板3同时为5g负荷20和蓄电池4供电；当外界环境因素较差，太阳能光伏板3输出功率较低，由蓄电池4补充系统的功率缺额，蓄电池4经双向dc/dc变换器15、直流母线l、第二dc/dc变换器21为5g负荷20供电。同时，为了准确监测蓄电池的状态，为蓄电池4配备蓄电池电源管理模块5，并经第六通信模块18将电池信息上传到数据处理及控制模组2，为系统状态识别提供依据。
33.本发明中，电网grid经配电箱1、双向ac/dc变换器7、第一断路器8连接到直流母线l。一方面，在环境因素良好的情况下，太阳能的发电量大于系统的实际所需容量，多余部分电能将通过双向ac/dc变换器7并入电网grid；另一方面，当遭遇恶劣天气，系统内电能产生严重缺额，电网grid经双向ac/dc变换器7为系统供电，稳定直流母线l电压，为5g负荷20供电，作为系统的后备能源。
34.本发明中所有断路器均经由数据处理及控制模组2控制其是否合闸。蓄电池电源管理模块5和具有最大功率追踪功能的第一dc/dc变换器11连接至数据处理及控制模组2，上传电池的运行状态以及直流母线l的电压电流信息，便于数据处理及控制模组2对整个系统的运行状态监测和运行控制。
35.本发明中包含环境因素监测模块6，可对系统内外的温度、湿度等环境因素进行实时监测，并通过第七通信模块19上传数据处理及控制模组2，确保整个系统稳定的运行环境。
36.如图6所示，本发明中，通信方式采用的形式为有线和无线组合的方式：第一通信模块9与双向ac/dc变换器7、第二通信模块10与第一断路器8、第一dc/dc变换器11与第三通信模块13、第四断路器12与第四通信模块14、第三断路器16与第五通信模块17、蓄电池电源管理模块5与第六通信模块18、环境因素监测模块6与第七通信模块19、第四断路器22与第八通信模块23、第五断路器25与第九通信模块26间采用有线连接的方式；第一通信模块9、第二通信模块10、第三通信模块13、第四通信模块14、第五通信模块17、第六通信模块18、第七通信模块19、第八通信模块23、第九通信模块26、数据处理及控制模组2之间采用无线组网的方式。
37.综上所述，本发明所提的一种适应于5g基站高效率直流供电系统设计，以太阳能等新能源作为电能的主要来源，配合储能蓄电，可有效缓解因5g基站建设对电网带来的冲击。光伏输入经直流母线向5g负荷供电，无需并入电网，降低了系统的损耗，提高了电能的利用率。直流母线电压可实现自动调整，提高系统的供电稳定性。同时，以电网作为后备，本发明具备微电网的关键单元，如储能单元、分布式发电单元、通信单元等，供电可靠性高，极大地提高了系统供电的可靠性。