石力博，羅藝霞

(1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙410014;2.湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙410007)

隨著我國社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化建設的飛速發(fā)展，移動通信已經(jīng)成為人們最主要的通信方式，我國已成為全球使用移動通信服務人數(shù)最多的國家。增加通信基站以求擴大通信網(wǎng)絡覆蓋，提高服務質(zhì)量，成為各運營商提升競爭力的主要硬件手段。隨著通信網(wǎng)絡覆蓋的不斷延伸，很多為加強山區(qū)的通信網(wǎng)絡覆蓋所建的基站遠離電網(wǎng)，由于接入市電的成本很高，因此規(guī)劃好的基站甚至不得不取消。部分邊遠基站雖然有電源接入，但由于處于電網(wǎng)的末端，供電質(zhì)量非常差，經(jīng)常出現(xiàn)停電、電壓不穩(wěn)定、缺相等電源故障，造成基站退服，降低了通信可靠性。同時從整個移動網(wǎng)絡設備的能源消耗分布來看，在整個移動網(wǎng)絡中，基站設備的能源消耗占到90%，而其他設備包括核心網(wǎng)和網(wǎng)管所占比例不足10%。因此，基站的節(jié)能降耗和供電保障成為人們關(guān)注的重點。

風能、太陽能等新能源都是無污染、取之不盡、用之不竭的可再生能源。近年來，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟和應用經(jīng)驗的不斷積累，風能、太陽能等新能源供電系統(tǒng)在通信基站中的應用越來越廣泛。新能源獨立供電系統(tǒng)為偏遠地區(qū)通信基站提供了經(jīng)濟可行而且可靠的供電解決方案。在電網(wǎng)供電質(zhì)量較差的地區(qū)，新能源備用供電系統(tǒng)為通信基站提供了有效的電源備用方式，大大提高了通信可靠性。在電網(wǎng)供電質(zhì)量較好的地區(qū)，新能源補充供電系統(tǒng)將為通信基站提供更加清潔有效的能源解決方案，減少基站對常規(guī)能源的消耗。

文中針對湖南某一山區(qū)基站的實例，通過對其用電負荷情況和資源條件進行分析，提出了可靠的、合理的、實用的風光互補節(jié)能供電系統(tǒng)設計方案，并對其應用特點進行了分析。

1 風光互補供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

典型的通信基站供電系統(tǒng)如圖1所示，主要由交流配電、整流器、蓄電池、直流配電等設備組成。市電正常情況下，市電直接給交流負載供電，通過整流器給直流負載供電和蓄電池充電。市電異常情況下，通過蓄電池給直流負載供電，或通過手動或自動切換由燃油發(fā)電機供電。綜合通信基站供電系統(tǒng)的應用特點，主要包括3個方面: (1)負載24 h連續(xù)運行，負荷平穩(wěn);(2)配置一定容量的蓄電池組;(3)整流器的輸出特性滿足蓄電池充電要求，輸出電流與蓄電池充電狀態(tài)相關(guān)。

圖1 通信基站供電系統(tǒng)原理框圖

圖2 通信基站風光互補節(jié)能供電系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)采用經(jīng)實踐確認可行的直流接入模式。風力發(fā)電機組、太陽能光伏電池組通過控制器直接給基站蓄電池組充電和負載供電。直流接入所需設備較少，除風力發(fā)電機和控制器外，無需增加額外設備，不足之處是直流接入無法直接為交流負載供電。直流接入充分利用基站供電系統(tǒng)的現(xiàn)有設備，比較符合基站供電的特點，系統(tǒng)簡潔可靠，能量轉(zhuǎn)換效率較高，比傳統(tǒng)經(jīng)逆變器供電的方式提高效率20%左右。

2 通信基站風光互補供電系統(tǒng)設計

2.1 通信基站情況

通信基站位于湖南中部某鄉(xiāng)一個山頭上，海撥高約1 092 m，且南北走向地勢開闊，太陽能和風能資源較為豐富，年平均日照時數(shù)約為2 000 h，年平均有效風時數(shù)為2 500～3 000 h，全年平均風力3～8級。該移動通信基站為1層樓房，含有柴油發(fā)電機房，基站載頻數(shù)量為6個，2組500 Ah蓄電池，設備總功耗大約為1 kW，無空調(diào)。

2.2 系統(tǒng)設計優(yōu)化方案

2.2.1 蓄電池容量計算

由于蓄電池是整個系統(tǒng)的后備電源，蓄電池的性能優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，故選用的閥控式密封鉛酸蓄電池要符合YD/T799—2002的要求，閥控式密封膠體蓄電池要符合YD/TI 360—2005的要求?；驹O備為直流-48V供電，故需采用48V蓄電池或蓄電池組。按基站的重要程度，一般來說整個系統(tǒng)的后備工作時間要能達到3天的時間。但根據(jù)當?shù)貧庀笄闆r分析，早晚風力較大，中午陽光較強，無風無光日較少，且有市電接入，蓄電池容量配置為滿足基站內(nèi)所有用電設備1天需求即可。

系統(tǒng)總負載所需的蓄電池容量為:

式中 Cb為蓄電池的容量;I為負荷電流 (A);T為放電小時數(shù) (h);K為安全系數(shù)，K=1.25;η為放電量系數(shù)，η=1;α為電池溫度系數(shù) (1/℃)，α=0.006;t為電池實際所在地最低溫度，按0℃考慮〔1〕。

經(jīng)過取整后，蓄電池的容量應為800 Ah/48V，現(xiàn)有的2組500 Ah/48V蓄電池組可滿足系統(tǒng)要求。

2.2.2 光伏電池板、風機配置

據(jù)當?shù)貧庀蟛块T資料全年風力3～8級，即風速為3～20 m/s，年平均日照時數(shù)約為2 000 h。作為節(jié)能供電系統(tǒng)，光伏電池板和風機的容量配置如表1。

表1 光伏電池板、風力發(fā)電機配置表

風力發(fā)電機組的額定功率與額定風速選擇原則:雖然風能本身并不需要使用費用，但作為實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程的發(fā)電設備卻需要成本，在節(jié)能減排風光互補供電系統(tǒng)中，風力發(fā)電機組的效率直接關(guān)系減排的效果，也直接關(guān)系投資的回報。相同額定功率的風力發(fā)電機組，額定風速不同時，發(fā)電量差別非常大。風力發(fā)電機組的額定功率必須與額定風速聯(lián)系起來才有意義。以9 m/s額定風速與11 m/s額定風速的2臺1 kW額定功率風力發(fā)電機組相互比較，在5 m/s的年平均風速和瑞利分布風速條件下，9 m/s額定風速機組年發(fā)電量約2628 kWh，而11 m/s額定風速僅為1 825 kWh，低額定風速機組比高額定風速機組多發(fā)了44%的電能。圖3給出了2 kW風力發(fā)電機功率曲線。圖4給出了年平均風速分別為4 m/s，5 m/s，6 m/s，7 m/s時，低額定風速機型與高風速機型的年發(fā)電量差別。

圖3 風力發(fā)電機功率曲線

圖4 不同額定風速風力發(fā)電機組年發(fā)電量比較

當以節(jié)能減排為目的新能源供電系統(tǒng)大規(guī)模推廣時，安裝地點的風速資源參差不齊，但通常低風速資源較多，風速資源豐富區(qū)少，因此，選擇低風速機型尤顯重要。

2.2.3 風光互補控制系統(tǒng)

風光互補控制系統(tǒng)是風光互補供電系統(tǒng)的控制管理部分，系統(tǒng)具有可同時管理風力發(fā)電機和太陽能光伏電池;蓄電池充放電智能管理;具有RS485通信接口，可配置GSM/GPRS模塊，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2.2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

實際方案系統(tǒng)框圖見圖5。按照以上設計方案進行了具體實施，實際使用完全達到預期效果。在市電斷電4天的極端情況下，系統(tǒng)仍保障了基站的正常運行。圖6為基站風光互補發(fā)電系統(tǒng)實施實景。

圖5 通信基站風光互補節(jié)能供電系統(tǒng)

圖6 基站風光互補發(fā)電系統(tǒng)實施實景

3 系統(tǒng)特點

(1)通信基站原有供電系統(tǒng)已經(jīng)配置了一定數(shù)量的蓄電池組，新能源供電系統(tǒng)可充分利用原有設備，無需額外增加投資。

(2)通信基站的負荷連續(xù)平穩(wěn)，風光互補供電系統(tǒng)可隨時向負荷提供電能，實時消耗，無需較大容量的電能儲存。

(3)風光互補供電系統(tǒng)通過風機控制器控制開關(guān)電源模塊的輸出電能，實時調(diào)整供電與用電之間的平衡，通過控制開關(guān)電源模塊的輸出特性，使風光互補發(fā)電能夠優(yōu)先被負荷消耗。風光互補控制器實現(xiàn)了風光互補供電與市電供電之間的合理調(diào)度，調(diào)度的目標是新能源發(fā)電量最大化和節(jié)能減排效果最大化。

(4)風光互補供電系統(tǒng)充分利用了負載連續(xù)運行的特點，將基站負載等效為局部小型電網(wǎng)，通過風機控制器實時調(diào)度常規(guī)能源發(fā)電設備 (市電)和風光互補發(fā)電設備 (風力發(fā)電機)在局部小型電網(wǎng)內(nèi)的供電比例，維持整個系統(tǒng)的正常有效運行。其結(jié)果是風光互補幾乎以全部利用的方式給負載供電，很好地解決了離網(wǎng)型風光互補供電系統(tǒng)普遍存在的效率低問題。

(5)按照每節(jié)約1 kWh，相當于節(jié)省0.4 kg標準煤，4 L水，減少0.997 kg二氧化碳排放、0.03 kg二氧化硫和0.015 kg氮氧化物的排放量計算，1個基站在運行期間所節(jié)約的能源數(shù)據(jù)是相當可觀的。對于運營商而言，使用風光互補系統(tǒng)不但可以很快收回初期投資，而且為低碳經(jīng)濟做出巨大的貢獻。

4 結(jié)論

在電網(wǎng)供電質(zhì)量較差的地區(qū)，風光互補供電系統(tǒng)為通信基站提供了有效的電源備用方式，大大提高了通信可靠性。在電網(wǎng)供電質(zhì)量較好的地區(qū)，風光互補供電系統(tǒng)為通信基站提供了更加清潔有效的能源解決方案，減少基站對常規(guī)能源的消耗。該系統(tǒng)通過在貧風區(qū)湖南省的實際應用，打破了通信基站風光互補供電系統(tǒng)只能在風能、太陽能豐富地區(qū)使用的傳統(tǒng)，對通信基站風光互補供電系統(tǒng)在廣大風光資源相對貧乏地區(qū)的推廣有著積極的意義。

〔1〕朱世雄.通信電源設計及應用〔M〕.北京:中國電力出版社，2006:84.

〔2〕YD/T5040—2005通信電源設備安裝工程設計規(guī)范〔S〕.北京:北京郵電大學出版社，2005.

〔3〕葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)〔M〕.機械工業(yè)出版社，2006.

〔4〕李宏毅，金磊.建筑工程太陽能發(fā)電技術(shù)及應用〔M〕.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

〔5〕YD/T1669—2007離網(wǎng)型通信用風、光互補供電系統(tǒng)〔S〕.北京:北京郵電大學出版社，2007.

〔6〕JBT 10396-2004離網(wǎng)型風力發(fā)電機組 可靠性要求〔S〕.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

〔7〕JBT 10397-2004離網(wǎng)型風力發(fā)電機組驗收規(guī)范〔S〕.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

〔8〕JB/T 6939.2-2003離網(wǎng)型風力發(fā)電機組用控制器 第2部分:試驗方法〔S〕.北京:機械工業(yè)出版社，2003.