新能源中的應(yīng)用及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

朱耿峰，宋慶華

（華能青海發(fā)電有限公司新能源分公司，青海 西寧 810000）

0 引 言

新能源發(fā)電技術(shù)的日益成熟，為通信電源的應(yīng)用提供了全新的解決方案。并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)作為新型通信電源系統(tǒng)，具有快速搭建、方便靈活、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信基站電源供應(yīng)、無(wú)線電通信系統(tǒng)電源供應(yīng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備電源供應(yīng)等方面。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)是一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載以及控制裝置構(gòu)成。

1.1 分布式電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)

分布式電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)由光伏并網(wǎng)逆變器、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能變流器以及電池管理系統(tǒng)組成。具體內(nèi)容如下。

光伏并網(wǎng)逆變器可以將光伏電池板所產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并輸出到微網(wǎng)系統(tǒng)。

柴油發(fā)電機(jī)是分布式電源系統(tǒng)中常用的備用發(fā)電機(jī)組，主要作用是在光伏和風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電不足時(shí)，提供穩(wěn)定的備用電力。

儲(chǔ)能變流器（Power Conversion System，PCS）是分布式電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心控制裝置，主要用于控制各種能量存儲(chǔ)設(shè)備的充放電及電能質(zhì)量管理。其主要技術(shù)包括電能質(zhì)量控制、能量存儲(chǔ)控制、并網(wǎng)控制以及安全控制等方面。

分布式電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電池組的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）是一個(gè)智能化的電池管理系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)和控制電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)，確保電池組工作在安全和高效的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電控制、電池的均衡管理、溫度保護(hù)等功能，并可以通過(guò)通信接口將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，便于系統(tǒng)運(yùn)行管理和監(jiān)測(cè)。

1.2 負(fù) 載

并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)載指接受電力供應(yīng)的設(shè)備或設(shè)施。設(shè)計(jì)并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載的功率需求、工作時(shí)間及電流特性等因素進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，需要考慮負(fù)載的時(shí)序性，對(duì)不同時(shí)間段的負(fù)載需求進(jìn)行分類和優(yōu)化，以提高能源利用效率，節(jié)約成本。

1.3 控制裝置

控制裝置由監(jiān)控中心、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。監(jiān)控中心通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；控制器負(fù)責(zé)分析和處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，制定合理的運(yùn)行策略；執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體的控制操作。

2 新能源發(fā)電機(jī)組在通信電源中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 通信電源的需求特點(diǎn)

通信設(shè)備作為關(guān)鍵設(shè)施，對(duì)電源的要求往往比一般設(shè)備更加嚴(yán)格。因此，通信電源需要具有高可靠性、高效率、高功率因數(shù)、高穩(wěn)定性以及高可靠性等特點(diǎn)。通信設(shè)備的電源會(huì)受到交流電源供電中斷和電壓波動(dòng)等影響，因此需要使用直流電源備用供電。同時(shí)，通信電源需要滿足快速響應(yīng)的特點(diǎn)，即電網(wǎng)電壓異常時(shí)能夠迅速切換到備用電源，以確保通信設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。新能源發(fā)電機(jī)組在通信電源中的應(yīng)用，能夠充分滿足這些需求，為通信設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電源保障。

2.2 搭建速度快且建設(shè)成本低

傳統(tǒng)的電力設(shè)施建設(shè)中，需要投入大量的人力物力，并且建設(shè)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。利用新能源發(fā)電機(jī)組進(jìn)行通信電源供應(yīng)，可以快速搭建并節(jié)省建設(shè)成本，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)、逆變器、PCS、BMS 以及負(fù)載組成。其中，光伏發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)可以預(yù)先搭建，其余設(shè)備可以根據(jù)具體需求進(jìn)行快速搭建和調(diào)整，進(jìn)而縮短建設(shè)時(shí)間，節(jié)省建設(shè)成本。以設(shè)立一個(gè)通信基站為例，其總功率需求為100 kW，基站負(fù)荷情況如表1 所示。

表1 該基站負(fù)荷情況

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以看出該基站的負(fù)荷需求在每周的變化比較穩(wěn)定，每天的峰值負(fù)荷需求不超過(guò)25 kW，最小值不低于19 kW。該基站連續(xù)8 周的周負(fù)荷曲線如圖1 所示，通過(guò)分析該基站的周負(fù)荷曲線，發(fā)現(xiàn)其峰值功率需求為160 kW，且峰谷差為60 kW。假設(shè)使用40 kW 的光伏發(fā)電機(jī)組和50 kW 的儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)峰谷差原則，還需要10 kW 的備用發(fā)電機(jī)組。利用并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該基站的電力供應(yīng)，并且可以實(shí)現(xiàn)峰谷調(diào)節(jié)和電網(wǎng)恢復(fù)功能。傳統(tǒng)的電力設(shè)施建設(shè)需要耗時(shí)數(shù)月甚至數(shù)年，而新能源發(fā)電機(jī)組的建設(shè)可以在數(shù)周內(nèi)完成。此外，新能源發(fā)電機(jī)組的建設(shè)成本相對(duì)較低。例如，以光伏發(fā)電機(jī)組為例，其建設(shè)成本約為1.2 萬(wàn)元/kW，而柴油發(fā)電機(jī)組的建設(shè)成本則約為2 萬(wàn)元/kW。因此，新能源發(fā)電機(jī)組的快速搭建和低建設(shè)成本是其在通信電源中應(yīng)用的重要優(yōu)勢(shì)。

圖1 該基站連續(xù)8 周的周負(fù)荷曲線

2.3 方便靈活且可以實(shí)現(xiàn)新能源就地消納

傳統(tǒng)電源建設(shè)需要進(jìn)行大規(guī)模的設(shè)備調(diào)試和施工，因此花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)且成本開銷較大。而新能源發(fā)電機(jī)組作為獨(dú)立的電源設(shè)備，其建設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，可根據(jù)用電需求進(jìn)行靈活配置，同時(shí)可以就地消納新能源。新能源發(fā)電機(jī)組的就地消納能力，主要由其儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和PCS 的控制能力所決定。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量需要根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷需求和新能源的發(fā)電量進(jìn)行確定；PCS 的控制能力需要根據(jù)并網(wǎng)電壓、頻率、無(wú)功功率等特性進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以確保新能源發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性。該基站某日負(fù)荷曲線如圖2 所示。

圖2 該基站某日負(fù)荷曲線

根據(jù)以上負(fù)荷曲線數(shù)據(jù)，可以估算出該基站一天的總電量消耗約為4 464 kW·h?？梢酝ㄟ^(guò)靈活配置新能源發(fā)電機(jī)組滿足該負(fù)荷需求，并實(shí)現(xiàn)就地消納。

2.4 穩(wěn)定性高且全天候提供電力

以一個(gè)投入使用的并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)為例，該并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 某并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

表2 中：故障停機(jī)時(shí)間指設(shè)備發(fā)生故障后停機(jī)的時(shí)間；平均無(wú)故障時(shí)間指設(shè)備平均工作時(shí)間，即沒(méi)有發(fā)生故障的時(shí)間；市電切換時(shí)間指從市電故障到新能源發(fā)電機(jī)組供電的切換時(shí)間；穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間指設(shè)備輸出電壓在變化的情況下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)電壓所需的時(shí)間；穩(wěn)態(tài)電壓偏差指設(shè)備輸出電壓與額定電壓之間的偏差；動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)范圍指設(shè)備輸出電壓在動(dòng)態(tài)變化的情況下，可以調(diào)節(jié)的電壓范圍；輸出電壓波形畸變指設(shè)備輸出電壓的畸變程度；輸出頻率波動(dòng)指設(shè)備輸出頻率的波動(dòng)程度。通過(guò)這些技術(shù)參數(shù)可以看出，并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)[3]。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 通信基站電源供應(yīng)

通信基站是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)施，需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)以保證其正常運(yùn)行。然而，由于基站的分布較為廣泛，不同地區(qū)的供電環(huán)境和條件也不盡相同，主電網(wǎng)接入難度大，同時(shí)，一旦主電網(wǎng)中斷，基站可能就會(huì)受到嚴(yán)重影響。而并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)具有可靠的電源供應(yīng)和靈活的接入方式，因此在通信基站電源供應(yīng)中得到了廣泛應(yīng)用。通信基站的電源需求通常具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、高質(zhì)量、高效率以及低噪聲等特點(diǎn)。同時(shí)，通信基站對(duì)電力質(zhì)量的要求非常高，如對(duì)電壓、電流、頻率以及波形等方面都有著較高的要求。并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)多種新能源發(fā)電機(jī)組的組合，配合儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變器等設(shè)備，可以滿足通信基站的電力需求。此外，通過(guò)智能控制和管理并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)，可以精細(xì)化管理和控制電力質(zhì)量[4,5]。

3.2 無(wú)線電通信系統(tǒng)電源供應(yīng)

無(wú)線電通信系統(tǒng)電源供應(yīng)是并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。無(wú)線電通信系統(tǒng)通常需要長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的電力供應(yīng)，而并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供可靠的電力供應(yīng)，從而滿足無(wú)線電通信系統(tǒng)的需求。由于無(wú)線電通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很高，因此需要選用高質(zhì)量的逆變器和光伏組件。此外，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要配置適當(dāng)?shù)腜CS 和BMS 來(lái)監(jiān)控與管理系統(tǒng)。光伏組件技術(shù)參數(shù)如表3 所示，逆變器技術(shù)參數(shù)如表4 所示，PCS 技術(shù)參數(shù)如表5 所示，BMS 技術(shù)參數(shù)如表6 所示。

表3 光伏組件技術(shù)參數(shù)

表4 逆變器技術(shù)參數(shù)

表5 PCS 技術(shù)參數(shù)

表6 BMS 技術(shù)參數(shù)

通過(guò)并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)的配置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電通信系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的電力供應(yīng)。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)就地消納，降低能源輸送的成本和損耗。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備電源供應(yīng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備電源供應(yīng)是并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備一般安裝在地理位置偏遠(yuǎn)且交通不便的地方，如山區(qū)、沙漠、海上等，需要穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)來(lái)保證設(shè)備的正常運(yùn)行。而并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)利用太陽(yáng)能光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，為遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備提供可靠的電力供應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用中，遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備通常需要長(zhǎng)時(shí)間的電力供應(yīng)，因此需要使用高效的光伏電池板和儲(chǔ)能設(shè)備。光伏電池板的安裝角度和朝向需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖鈼l件與日照時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以最大限度地利用太陽(yáng)能資源。

4 結(jié) 論

并網(wǎng)光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)具有快速搭建、靈活可靠、節(jié)約建設(shè)成本等優(yōu)勢(shì)，特別適用于遠(yuǎn)離主電網(wǎng)和需要長(zhǎng)時(shí)間電力供應(yīng)的場(chǎng)景。未來(lái)，隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，微電網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。同時(shí)，如何提高微電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，以及解決新能源并網(wǎng)的技術(shù)難題，是未來(lái)微電網(wǎng)系統(tǒng)需要解決的重要問(wèn)題。