風光互補供電系統(tǒng)在通信基站中的應用

賈林杰

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引 言

一些偏僻地區(qū)的通信基站，當供電不穩(wěn)定時需依靠柴油發(fā)電機發(fā)電作為應急供電，會導致用電成本更高。為了提供科學的基站供電方案，可以選擇太陽能和風能為基站提供穩(wěn)定的電源。太陽能和風能在具體的發(fā)電使用中具有互補性，偏遠地區(qū)基站的地理條件有利于這2種自然資源的結合使用[1]。

1 風光互補發(fā)電技術概述

通信基站應用風光互補發(fā)電，能有效提升風能和太陽能綜合利用，可以實現(xiàn)通信基站的全天候發(fā)電，提高了供電設施的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。在太陽能和風能豐富的地區(qū)，系統(tǒng)負荷可以依靠額外的光伏和風能完成有效運行，確保供電穩(wěn)定性，發(fā)電過程無需開啟備用柴油發(fā)電機，發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)低成本發(fā)電。

通信設備對供電系統(tǒng)的運行提出了很高的要求，風光互補在運行中需要配備電池管理系統(tǒng)，供電系統(tǒng)免受壓降和過載的影響。風光發(fā)電實現(xiàn)了基站的穩(wěn)定用電，無需承擔長距離輸電，減少了基站基建投資和對環(huán)境的破壞，又節(jié)省了后期的運行和維護資金，實現(xiàn)了供電的靈活性。

2 風光互補供電系統(tǒng)組成及工作原理

風光互補發(fā)電主要由發(fā)電機組、控制器、逆變器、光伏陣列、蓄電池組、直流負載以及交流負載等組成，如圖1所示。風力發(fā)電機將動能轉化為電能，光伏陣列組件利用光電原理將太陽能轉化為電能。供電系統(tǒng)的蓄電池組在系統(tǒng)運行中起到儲存電能的重要作用，當陽光充足時將生產(chǎn)剩余的電能轉化儲存。當光伏組件發(fā)電量不足時，則由蓄電池為用電設備提供電能?？刂破鞲鶕?jù)陽光強度和負載變化不斷調(diào)整，當電量充足時，控制器將產(chǎn)生的電能輸往負載，剩余的電量給電池充電。當發(fā)電量不能滿足基站用電需要時，控制器可以有效控制蓄電池為負載供電[2，3]。

圖1 風光互補供電系統(tǒng)

3 風光互補供電技術在通信基站中的應用

3.1 通信基站應用風光互補供電技術的要求

（1）供電穩(wěn)定性的要求。通信基站和相關設備要求其24 h不間斷運行，只有系統(tǒng)供電的持續(xù)穩(wěn)定，才能保證廣大手機用戶的正常使用。在風光混合供電系統(tǒng)中，風電機組發(fā)電效果對風能的利用率非常敏感，有時會存在發(fā)電量不穩(wěn)定的問題。因此，技術人員在進行系統(tǒng)穩(wěn)定性評估時，要以風電機組的發(fā)電量作為參考點。在風光互補供電系統(tǒng)中，盡量提高儲能設備的容量，以全面保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（2）設備運行功率的要求。隨著通信設備的數(shù)量和容量不斷提升，整個供電系統(tǒng)功率也向高功率運行發(fā)展和轉變。但個別偏遠地區(qū)在建立基站時會存在諸多困難，在供電系統(tǒng)安裝施工場地、選址以及安裝設備等方面還存在限制，這使基站附近安裝比較大型渦輪機變得非常困難。因此，技術人員必須全面研究，并有效提升光電互補系統(tǒng)單位面積的發(fā)電工作效率，以滿足通信基站運行的能源需求。

（3）發(fā)電系統(tǒng)控制器的使用要求。風光互補供電系統(tǒng)的控制器是發(fā)電系統(tǒng)的核心，決定了系統(tǒng)的運行狀態(tài)，能提高風力發(fā)電機組的效率。控制器的功能是保護整個電力系統(tǒng)的安全。當風電供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，控制器就會及時響應，有效保護發(fā)電機組高速運行。同時，控制器還能調(diào)整發(fā)電機及太陽能設置的供電運行范圍，能應用互補電源，提升通信基站和相關設備工作的穩(wěn)定性。

3.2 基站供電系統(tǒng)設計

基站負載包括信號處理和接收設備以及控制和調(diào)節(jié)溫度的溫控設備。信號處理設備約占總用電量的50%，機房空調(diào)占總用電量的40%。大多數(shù)基站都依賴不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）電力系統(tǒng)配置，供電系統(tǒng)與電池并聯(lián)，持續(xù)為設備供電，使系統(tǒng)的電力容量超過基站的運行容量，在這個過程中不僅消耗了能源，而且還增加了能源使用成本。

目前，太陽能風力發(fā)電在遠離電網(wǎng)不能滿足用電需求的地區(qū)進行了應用。風光互補供電系統(tǒng)發(fā)電基于太陽能和風能資源，因此獲取氣象資源數(shù)據(jù)，確定風力發(fā)電機和光伏陣列發(fā)電量。風力渦輪機和太陽能將相關能源轉化為電能，當風速變化時，渦輪機的功率也隨之變化。光伏組件的功率也隨著輻射而變化。由風力渦輪機和電池板組成的聯(lián)合供電系統(tǒng)，通過滿足供電系統(tǒng)的需求來降低成本[4]。

在風光互補供電系統(tǒng)應用中，需要完成太陽能數(shù)據(jù)、風力資源數(shù)據(jù)、系統(tǒng)設計和供電系統(tǒng)電池設計等，還需要進行系統(tǒng)的仿真分析，得出系統(tǒng)建模以滿足要求。白天太陽能發(fā)電，可以減少蓄電池的充放電次數(shù)，延長了使用壽命，風力發(fā)電系統(tǒng)可在晚上或陰雨天進行運行，有效彌補了太陽能發(fā)電條件受限的不足。

某通信基站地處附近海拔最高點，風能和太陽能資源相對豐富。此基站最大峰值功耗不超過3 kW，設計供電系統(tǒng)總功率需求為6 kW，利用風光互補方式建設6 kW風光互補供電系統(tǒng)。建立此基站要配備柴油發(fā)電機房、柴油發(fā)電機、傳輸通信設備、蓄電池組和柜式空調(diào)。

3.2.1 太陽能容量計算

經(jīng)查詢氣象軟件Meteonorm7 的太陽能輻射數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 Meteonorm7 太陽能輻射量

根據(jù)上述權威Meteonorm7 氣象軟件上查詢到的太陽能輻射量可知，在本地區(qū)年平均日照小時數(shù)為1 908 h，平均日照達到5.23 h，因此核算供電系統(tǒng)配置時有效日照小時數(shù)則確定為5.23 h。該值是在太陽能方陣仰角為40°時的有效值。

風光互補一體化供電系統(tǒng)中太陽能發(fā)電功率為

式中：S光為太陽能組件核算功率；J為冗余系數(shù)，本次取值為1.1，約有10%的冗余；P為單塊組件發(fā)電量，本次取值為440 W；t為當?shù)赜行照諘r間，通過查詢得知為5.23 h；?為太陽能組件部分工作效率，太陽能組件冗余系數(shù)為0.85。

代入數(shù)據(jù)，計算得到太陽能組件核算功率約為71.1 kW。

3.2.2 風機發(fā)電量計算

基站所處區(qū)域風力最大可達7～8級，最大風速可達30 m/s，區(qū)內(nèi)無臺風，最大風速小于對風力發(fā)電機葉片生產(chǎn)破壞的風速。根據(jù)氣象部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)及《風電場風能資源評估辦法》判定該風電場風功率密度等級為3級，適合采用風力發(fā)電。

風光互補一體化供電系統(tǒng)中風力發(fā)電功率為

式中：S風為風機核算功率；?為風機啟動效率，氣象條件評估為70%；t為當?shù)啬昶骄行r數(shù)，本地取8 128 h；P為風力發(fā)電機的額定功率，kW。

代入數(shù)據(jù)，計算得到風機核算功率約為71.1 kW。

全天可提供總容量為S光+S風的容量總和，即規(guī)劃總容量為149 kW，滿足場區(qū)站點144 kW供電需求。

3.2.3 蓄電池容量計算

根據(jù)蓄電池組容量計算公式：

式中：Q為蓄電池容量；K為保險系數(shù)，本次取值為1.0；I為負載電流；T為蓄電池最大持續(xù)供電時間，本次設定為8 h后備，取值8；η為蓄電池放電深度系數(shù)，取值為0.5；t為環(huán)境溫度，故本次取蓄電池工作溫度-15 ℃。代入數(shù)據(jù)，計算得到蓄電池容量約為 1 072.34 Ah。

根據(jù)該基站未來用電需求分析，通信設備和照明及其他儀器功耗在 3 000 W左右。此外，通過進行光互補供電與柴油發(fā)電機整合，并由電源系統(tǒng)進行監(jiān)管。電源控制系統(tǒng)配置要1臺逆變器，為空調(diào)和照明設備、其他設備供電服務，同時還要設置管理機柜系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)。管理機柜設備包括交流和直流配電柜、風能和太陽能控制模塊。遠程監(jiān)控電源系統(tǒng)與監(jiān)控中心的通信，利用運營商4G網(wǎng)絡實現(xiàn)[5]。

3.3 風光互補系統(tǒng)的安裝

某工程光伏電池板方陣采用地面安裝式，朝向正南方，加注水泥地基作為支撐。考慮到系統(tǒng)的安裝位置，采用防蝕性能的支架。為了保證抗風性能，各個支柱應該成一個互相連接的網(wǎng)狀結構，水泥地基和支架采用螺栓固定的方式。蓄電池采用室內(nèi)安裝在蓄電池架上。分析現(xiàn)場安裝環(huán)境條件，以斜拉索的方式固定風機頭塔架。采用塔架來固定風機頭，使風機避開山頭影響，獲得更大的采風效果。太陽能控制箱機架采用地面放置固定方式，風能控制器由于體積較小，可采用掛墻固定方式，實現(xiàn)節(jié)省空間的效果。由于系統(tǒng)的直流電壓較低，需要采用變壓器實現(xiàn)低電壓高電流的作用。

3.4 風光互補發(fā)電系統(tǒng)運行控制

風光互補發(fā)電系統(tǒng)中為了保證發(fā)電系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性，需配置蓄電池作為儲能裝置，如果對運行中的蓄電池充放電的控制和保護方法不得當，極易造成蓄電池的損壞。蓄電池使用壽命的長短直接影響發(fā)電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性、系統(tǒng)維護經(jīng)費的再投入和整個系統(tǒng)的發(fā)電成本。蓄電池充放電控制與過充電和過放電保護是風光互補發(fā)電系統(tǒng)運行控制的主要部分，整個風光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行控制應圍繞蓄電池的有效充放電控制與保護進行。

3.5 系統(tǒng)運行控制參數(shù)的選擇

在風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，應當關注蓄電池在任意時刻的容量，即蓄電池的蓄電狀態(tài)。對運行中的蓄電池進行有效的充放電控制與保護，通過正確的蓄電池荷電狀態(tài)容量測定，確定蓄電池當時的工作狀態(tài)，然后采取有效的方法對蓄電池進行充放電控制，達到保護蓄電池和系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的目的。蓄電池運行過程中，影響其荷電狀態(tài)的因素主要是蓄電池的充電程度、放電程度、放電率的大小以及電池內(nèi)部的電解液的比重和溫度。

鉛蓄電池荷電狀態(tài)的測定，一般是通過間接測定的技術數(shù)據(jù)，推算蓄電池當時的荷電狀態(tài)。非常有效的傳統(tǒng)方法是測量蓄電池中電解液的比重，確定當時的荷電狀態(tài)。由鉛蓄電池充放電原理可知，隨著蓄電池放電的進行，硫酸不斷減少，與此同時電池中有水生成，這樣電池中的電解液比重降低；反之在充電時，由于硫酸不斷生成，因此電解液濃度比重不斷增加。這樣就可以用比重計測量蓄電池中硫酸的比重，從而估計出鉛蓄電池的荷電狀態(tài)，決定對蓄電池充電還是放電保護，保證蓄電池在安全的荷電狀態(tài)下運行。

3.6 控制系統(tǒng)的管理

3.6.1 能量管理

能量管理主要負責處理系統(tǒng)的供電模式切換及負荷控制問題。由于系統(tǒng)電能來源于風電、太陽能及蓄電池，故需要根據(jù)日照狀況、風能密度、蓄電池充電狀況和負荷需求來靈活地調(diào)節(jié)各部分對外供電的比例，同時需要具有一定的保護功能，如在蓄電池過放電和過充電時，需要切除部分負荷或者有選擇地暫停風能或太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運行。

3.6.2 充放電控制

系統(tǒng)運行很大程度上取決于蓄電池的壽命，電池的壽命很大程度上取決于其能否工作在容量狀態(tài)附近，以及在放電后能否快速地恢復到該狀態(tài)，對蓄電池組進行有效的充放電控制會大大減少系統(tǒng)的運行成本。

4 結 論

綜上所述，移動通信技術快速發(fā)展，促進了移動基站遍及各個角落，但由于一些地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟和電力鋪設原因，電力未能覆蓋到偏遠地區(qū)。隨著風光互補供電系統(tǒng)的發(fā)展，對于偏遠地區(qū)的基站需要考慮使用風能或太陽能等自然能源。在風能和太陽能較充足的地區(qū)，利用風光互補供電系統(tǒng)充分保障偏遠基站的供電穩(wěn)定，可以滿足增長的通信業(yè)務使用需求。

未來風光互補系統(tǒng)的實際應用將不再局限于偏遠地區(qū)，對于完成城市基站供電、能源應用也具有重要的意義。