離網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)在高寒地區(qū)5G基站中的應(yīng)用

郭彥申，李進壯，張 遷，陳美伊，李琳駿（.中國人民解放軍6095部隊，遼寧沈陽 0005；.中國電子科技集團公司第8研究所，江蘇南京 0005）

0 前言

5G 技術(shù)在增強移動寬帶、海量機器通信及超可靠低時延維度具有優(yōu)異性能，大量面向未來新業(yè)務(wù)正在被業(yè)界關(guān)注，如邊緣計算、4K 超高清實時視頻、遠程醫(yī)療等，為此，5G 部署在全國區(qū)域加速推進。5G 時代的新頻新技術(shù)、站點新增和服務(wù)器從數(shù)據(jù)中心下沉基站等新科技將對通信電源產(chǎn)生影響，5G 新增功耗對站點整個供電系統(tǒng)提出新挑戰(zhàn)。而藏北、疆南等廣大區(qū)域許多地方?jīng)]有市電機房等基礎(chǔ)設(shè)施比較落后，因此，如何在邊疆地區(qū)建設(shè)安全、可靠的電源系統(tǒng)是5G建設(shè)面臨的一個重要考驗。筆者根據(jù)前期高原地區(qū)相關(guān)經(jīng)驗，討論在高寒無市電地區(qū)建設(shè)5G 基站的供電問題，并就其關(guān)鍵技術(shù)進行論證。

1 供電需求及存在的主要問題

1.1 5G基站的供電需求

由于需求變化，5G 基站耗電量與之前比呈數(shù)倍增長，已遠遠超出預(yù)期。根據(jù)中國電信及中國移動實測，一頻5G 設(shè)備功耗為同配置4G 設(shè)備的300%～500%。其中5G BBU功耗約為300 W，AAU在30%帶載率下功耗約900 W（峰值功耗為1 200～1 400 W）。各頻功耗如圖1所示，從中可得5G基站實際負荷情況。

圖1 5G基站設(shè)備功耗測算

目前典型功率為5.9 kW、峰值功耗為7.3 kW，未來3 年當(dāng)5G FR1 部署完成后基站典型功率為10.4 kW、峰值功耗為13.7 kW，未來5 年隨毫米波及新技術(shù)在現(xiàn)有頻段的應(yīng)用，基站典型功率為13.4 kW、峰值功耗為18.9 kW。

1.2 高寒地區(qū)供電等基礎(chǔ)條件狀況

我國疆南、藏北等地區(qū)地域廣漠，基礎(chǔ)設(shè)施落后，很多地方至今沒有市電，不具備市電引接條件或引入市電成本巨大。同時當(dāng)?shù)靥柲苜Y源豐富，年平均日照時數(shù)都在3 200 h以上，當(dāng)?shù)氐木用裰饕遣捎锰柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)解決日常的照明、生活用電。同時由于受高海拔影響，空氣稀薄導(dǎo)致氣壓低，常年溫差大、冬季寒冷。毫無疑問在此地區(qū)建如此大功耗5G 基站的供電系統(tǒng)確實面臨挑戰(zhàn)。

2 高寒地區(qū)5G基站的供電模型

2.1 供電系統(tǒng)方案

根據(jù)現(xiàn)行通信行業(yè)通信局（站）電源系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范要求，5G 基站的供電系統(tǒng)要滿足基站設(shè)備、傳輸設(shè)備的不間斷供電，同時還要提供一定的可短暫斷電的建筑負荷，保證機房溫濕度等基礎(chǔ)條件。根據(jù)上述要求，5G 基站的通信負荷近期在8 kW，遠期達到20 kW，這已遠遠超過了傳統(tǒng)基站的容量。同時還應(yīng)解決冬季機房寒冷問題。

針對高寒地區(qū)基礎(chǔ)條件，考慮建設(shè)離網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，靠太陽能發(fā)電解決5G 基站的供電問題，同時考慮邊境地區(qū)的特殊狀況及太陽能供電的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)具備油機電輸入接口。系統(tǒng)由太陽能方陣、太陽能控制單元、AC/DA 變換單元、控制單元、儲能單元、逆變單元、配電單元和輔助加熱幾部分組成，標(biāo)稱直流輸出電壓優(yōu)先選用-48 V系統(tǒng)，整體構(gòu)架如圖2所示。

圖2 離網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)架

太陽能方陣是系統(tǒng)的發(fā)電單元，主要功能是把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，其核心部件是太陽能電池組件，同時配置支架、直流匯流箱等裝置。目前太陽能電池組應(yīng)優(yōu)先選用轉(zhuǎn)換效率高的單晶硅太陽能電池組件。

太陽能控制單元主要是把太陽能方陣發(fā)的電變換為直流電源，當(dāng)前太陽能控制單元主要有逐級投入型、脈寬調(diào)制型和變換穩(wěn)壓型，其中變換穩(wěn)壓型應(yīng)用較多。AC/DA 變換單元主要是把普通交流電整流變換為-48 V 直流電源，以備連續(xù)陰雨天數(shù)超出常規(guī)時間或特殊情況下引接備用油機等。監(jiān)控單元是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要是對太陽能、交流電源輸入進行綜合管理，對儲能單元進行充電、對設(shè)備進行供電；實現(xiàn)輸出負荷與輔助加熱設(shè)備通信聯(lián)動，確保實際負荷與設(shè)計負荷出現(xiàn)誤差時機房的溫度滿足要求；實現(xiàn)太陽能控制器及逆變器的通信聯(lián)絡(luò)，確保在兩者同時工作時不對儲能單元過充電。太陽能控制單元、AC/DA 變換單元和控制單元應(yīng)采取一體化、模塊化冗余結(jié)構(gòu)。

儲能單元是整個系統(tǒng)的能量貯存站，在晚上及連續(xù)陰雨天等無足夠太陽光情況下放電確保為負載供電。儲能設(shè)備目前可選的主要有鉛酸蓄電池組及磷酸鐵鋰電池組，鉛酸蓄電池組優(yōu)點是技術(shù)比較成熟、可靠性比較高，缺點是有污染、功率密度低、高溫時壽命低及低溫時容量變小，磷酸鐵鋰電池優(yōu)點是功率密度高、壽命長、適合充放電工作方式，缺點是初期成本高，同時在過低環(huán)境工作控制電路容易受到保護而直接停止工作，為此，高寒地區(qū)的儲能單元應(yīng)優(yōu)先選用鉛酸蓄電池組，特別是近年新推的閥控式密封鉛碳蓄電池組，以其充放電次數(shù)壽命長而廣泛適用。

輔助加熱單元設(shè)置主要考慮利用5G 基站設(shè)備正常工作散發(fā)的熱量并增加輔助加熱設(shè)備，解決室內(nèi)取暖問題。輔助加熱單元以阻性為主，通過控制裝置實現(xiàn)設(shè)備功耗的變化及輔助加熱的平衡實現(xiàn)機房溫度調(diào)節(jié)。

2.2 供電系統(tǒng)配置模型

5G 基站用離網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)配置模型主要解決設(shè)計負荷容量、供電系統(tǒng)配置。

設(shè)計負荷容量的確定：5G 基站目前峰值功耗為7.3 kW，遠期功耗為18.9 kW?？紤]到機房照明、插座及保持基礎(chǔ)環(huán)境需要的能量問題，根據(jù)現(xiàn)行國家設(shè)計規(guī)范測算，其設(shè)計負荷容量取基站功耗的1.5～1.8倍為宜，按1.6倍計取，則5G基站的設(shè)計功耗近期按不小于11.68 kW，遠期功耗不小于30.24 kW設(shè)計。

發(fā)電系統(tǒng)配置：主要是太陽能方陣、控制單元、整流變換單元及備用蓄電池組配置。太陽能方陣串并聯(lián)問題、控制器及逆變器配置目前技術(shù)成熟，這里主要討論太陽能方陣、后備電池組配置問題。

太陽能方陣及備用電池組的配置主要與負荷容量、當(dāng)?shù)厝掌骄照諘r數(shù)、最長連續(xù)陰雨天數(shù)及太陽能控制單元的直流允許輸入電壓等因素有關(guān)?，F(xiàn)行國標(biāo)GB 51194-2016 附錄A 給出了太陽能方陣的容量計算方法，但該方法主要是考慮全年太陽能發(fā)電量及全年的需求，沒有考慮日平均日照時數(shù)在不同月份的差異性，沒有考慮全年的連續(xù)陰雨天數(shù)情況，按該模型配置可能導(dǎo)致日平均日照時數(shù)長的月份負荷容量過剩，日平均日照時數(shù)小的月份及連續(xù)陰雨天時負荷容量不能滿足要求，為此，筆者考慮太陽能容量方陣以日平均日照時數(shù)為基準(zhǔn)進行設(shè)計，提高發(fā)電系統(tǒng)準(zhǔn)確度。

系統(tǒng)配置應(yīng)同時滿足下列條件。

a）太陽能方陣在1個日平均日照時數(shù)內(nèi)產(chǎn)生電量應(yīng)滿足在連續(xù)陰雨天內(nèi)設(shè)備供電需要，并能實現(xiàn)對電池組正常充電。

b）太陽能方陣功率應(yīng)與負荷功率及備用蓄電池組的充電功率相匹配。蓄電池組10 小時率充電電流遠大于負荷電流時正常按20小時率充電，最大充電電流不大于3倍10小時率充電電流。

c）后備蓄電池組的容量能夠滿足負荷在一個連續(xù)陰雨天內(nèi)負荷供電要求，標(biāo)稱電壓滿足直流輸出要求。

d）太陽能方陣的輸出電壓應(yīng)能與太陽能控制器的輸入電壓要求相匹配。

e）AC/DC 變換器的容量滿足負荷功率及備用電池的最大充電功率。

f）容量考慮一定的安全系數(shù)，模塊化配置要具備冗余功能。

根據(jù)上述原則及現(xiàn)行規(guī)范要求，配置的鉛碳蓄電池組的計算容量模型可簡化為：

式中：

Q10——蓄電池組的計算容量

K——蓄電池組的安全系數(shù)，取1.25

P——基站室外設(shè)計功耗（W）

T——后備時間，按最長連續(xù)陰雨天取值（h）

μ——放電系數(shù)，由于連續(xù)陰雨天數(shù)一般在數(shù)天，放電系數(shù)取1

U——太陽能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池組放電時直流輸出電壓（單體按1.80 V），-48 V系統(tǒng)的U取值43.2 V

α——電池組溫度系數(shù)，取0.006

t——電池機房溫度（℃）

則蓄電池組的配置容量為計算容量取整，并參考蓄電池組的容量系列選取，記作QP10。

根據(jù)上述原則及現(xiàn)行規(guī)范要求，蓄電池組的充電電流按20小時率考慮，則太陽能方陣系統(tǒng)計算容量模型可簡化為：

式中：

Pmax——太陽能方陣的系統(tǒng)計算容量（Wp）

ε——充電安全修正系數(shù)，建議取0.85

Uf——單體電池的浮充電壓，取2.35

Tmax——當(dāng)?shù)氐钠骄照諘r數(shù)，查閱當(dāng)?shù)貧庀髼l件

η——太陽能控制器的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，參見YD/T 3087-2016

δ——太陽能方陣及線路的折損率，一般取0.85～0.95

考慮到通信負荷設(shè)計值往往小于實際值，蓄電池組均衡充電的最大電流不允許大于3倍的10小時率充電電流，為此，蓄電池組容量配置需要校核修正。修正模型Δ為：

式中：

β——負載系數(shù)，考慮通信負荷的設(shè)計負荷與實際負荷差距，一般取0.5～0.9

計算Δ值，當(dāng)Δ大于零時應(yīng)放大蓄電池組的配置容量，直到小于0為止。

2.3 高寒地區(qū)工程實施中的特殊要求

高寒地區(qū)由于條件環(huán)境比較嚴(yán)酷，5G 基站供電系統(tǒng)方案配置實施中還應(yīng)根據(jù)實際情況進行修正。首先，由于高寒地區(qū)寒冷、空氣稀薄，相關(guān)器件、設(shè)備不同與內(nèi)地，為此，應(yīng)選用高原地區(qū)專屬產(chǎn)品或平原地區(qū)產(chǎn)品進行降容處理。其次，應(yīng)考慮太陽能方陣及備用電池組的安裝布置，確保滿足供電效果及機房承重要求。最后還應(yīng)考慮防雷接地及冬季太陽能方陣的自動融雪等問題。

3 典型實例

下面以在前期工程中實施的西藏自治區(qū)阿里地區(qū)某機房工程為例，該機房雖然不是5G 基站，但供電需求相近。

基本條件：常年有斷續(xù)的市電，達不到三類市電標(biāo)準(zhǔn)；機房面積為30 m2；機房溫度按25℃考慮；海拔高度為4 036 m；日照時數(shù)為6.85 h；連續(xù)陰雨天數(shù)為36 h。

安裝傳輸設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)及綜合監(jiān)控供電，總負荷為8 kW，傳輸設(shè)備1 kW 為直流負荷，其他為交流負荷。綜合考慮，直流負荷48 V/2 kW，總設(shè)計負荷為11.2 kW。系統(tǒng)配置如表1所示。

該工程于2017 年年初竣工，實際IT 負荷正常在6 kW 左右，比設(shè)計負荷略小。系統(tǒng)建成后連續(xù)可靠運行，完全滿足設(shè)備需要，冬天設(shè)備運行正常，沒有啟動過備用油機。

表1 發(fā)電系統(tǒng)配置

4 結(jié)束語

高寒地區(qū)5G 基站離網(wǎng)太陽發(fā)電系統(tǒng)可以很好解決基站供電問題，但是受到太陽光強度、連續(xù)陰雨天數(shù)等不確定因素制約，為此，該地區(qū)預(yù)留備用油機電接口也是必須要考慮的因素。同時離網(wǎng)太陽能電站初次投資規(guī)模比較大。