胡 燕，張子浩，馬 丹

（1.中國電信股份有限公司上海分公司 上海200120；2.中國科學(xué)院上海高等研究院 上海201210）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，人們對移動通信的需求日益增長。通過增加通信基站以擴大通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，成為各運營商提升服務(wù)能力的主要手段，特別是加強海域和山區(qū)等邊遠(yuǎn)地區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋已被納入各運營商的規(guī)劃中。但是很多海島、山區(qū)遠(yuǎn)離電網(wǎng)，要保證基站穩(wěn)定的電力供應(yīng)是巨大的挑戰(zhàn)。一方面市電接入成本較高，另一方面若單獨采用柴油機供電，則系統(tǒng)維護成本較高、可靠性較低。風(fēng)能和太陽能都屬于可再生能源，且在時空變化上具有很好的互補性，因此組合使用可獲得良好的效果。風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)是海島移動通信基站電源經(jīng)濟可靠的解決方案。對供電可靠性要求較高的系統(tǒng)須配置后備柴油發(fā)電機組，但這會帶來更多的維護需求和資金投入。對供電等級要求不高、交通不方便的地區(qū)，獨立風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)可配置更大容量的儲能電池以提高供電系統(tǒng)可靠性。

本文通過對上海某一海島基站的用電負(fù)荷情況和資源條件實例進行分析，提出了可靠、合理、實用的獨立風(fēng)光互補基站電源技術(shù)方案并分析了其應(yīng)用特點。

2 風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)原理

風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)集成了風(fēng)能、太陽能、蓄電池及系統(tǒng)智能控制技術(shù)，系統(tǒng)功能的主要組成有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、控制器、蓄電池組等部分。系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)備如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電經(jīng)過控制器直接接入直流電源系統(tǒng)母線，通信設(shè)備和后備蓄電池組也直接接在直流母線上。對充放式應(yīng)用的直流電源系統(tǒng)而言，蓄電池的充放電控制管理是系統(tǒng)的核心，可以采用集中控制器執(zhí)行，一方面可以從風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電中跟蹤最大功率，另一方面通過控制器到直流母線的輸出電壓的變化控制充入蓄電池的電量，當(dāng)蓄電池充滿電后，控制器停止向蓄電池充電。

3 風(fēng)光互補通信基站電源技術(shù)方案

3.1 通信基站情況

通信基站位于上海長江口外某海島，北緯31.05°～31.29° N，東經(jīng)121.77°～122.25°，東西長46.3 km，南北寬25.9 km。根據(jù)參考資料，該地區(qū)的風(fēng)力和光伏資源情況如表1所示。

由表1可知，該基站風(fēng)力的年可利用能量和可利用小時數(shù)遠(yuǎn)大于光伏，因此，該基站重點以風(fēng)力發(fā)電為主。風(fēng)力發(fā)電可運行時間長，配合移動通信基站應(yīng)用，可以做到即發(fā)即用，無需蓄電池存儲，發(fā)電系統(tǒng)利用率高。光伏系統(tǒng)發(fā)電時間短，但比較穩(wěn)定，配合蓄電池組應(yīng)用充放電模式為通信設(shè)備供電。另外，蓄電池放電后的補充電容量也采用光伏發(fā)電。該移動通信基站包括一層機房和室外鐵塔，太陽能電池板安裝于機房屋頂平臺，風(fēng)機安裝于鐵塔上。光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積約為300 m2。

3.2 基站負(fù)荷情況

基站設(shè)計負(fù)荷值如表2所示。

表1 上海某海島基站風(fēng)力和光伏資源情況

表2 基站直流負(fù)荷

因基站設(shè)備實際運行負(fù)荷值與設(shè)計負(fù)荷值可能存在差異，建議新能源系統(tǒng)配置設(shè)計時，應(yīng)對同類型場景在用基站負(fù)荷進行實測，以基站典型負(fù)荷作為設(shè)計基礎(chǔ)。智能通風(fēng)設(shè)備共配置2臺，考慮到其間歇工作狀態(tài)，因此暫按1臺設(shè)備估算。傳輸設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備均為基站正常配置。新增風(fēng)光互補系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備，參考基站監(jiān)控設(shè)備進行估算。

根據(jù)前述分析，本方案基站設(shè)備以其典型負(fù)荷值為基礎(chǔ)依據(jù)，其他設(shè)備以參考負(fù)荷為依據(jù)，綜合考慮后，基站設(shè)計負(fù)荷為1 635 W。另外，風(fēng)光互補系統(tǒng)的運行周期較長，通信設(shè)備可能調(diào)換或者擴容，風(fēng)光互補系統(tǒng)可根據(jù)實際情況進行擴容。

3.3 蓄電池容量計算

根據(jù)基站業(yè)務(wù)需求、地理條件，結(jié)合風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)造價以及維護等方面的情況，確定基站設(shè)備的后備蓄電池組保障時間為48 h。由于目前磷酸鐵鋰電池存在技術(shù)和價格問題而尚未普及，成熟的光伏控制器和風(fēng)機控制器都是基于鉛酸電池充放電模式開發(fā)，專門用于磷酸鐵鋰電池的控制器比較少，也不夠成熟。因此本方案選用膠體類型鉛酸電池，該電池具有充放電次數(shù)多、使用壽命長、高溫適應(yīng)能力好等特點。

系統(tǒng)總負(fù)荷所需蓄電池容量為：

其中，Q為蓄電池的容量；I為負(fù)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/℃），取0.006；t為電池實際所在地最低溫度，按15℃考慮。

據(jù)此計算式核算，基站所需的電池容量約為48V/2174 Ah，因此本設(shè)計中選擇配置3組48 V/800 Ah蓄電池組。

3.4 風(fēng)力發(fā)電機、光伏電池板容量配置

本方案風(fēng)光互補系統(tǒng)設(shè)計容量分兩部分，一部分為基站設(shè)備用電，按風(fēng)光系統(tǒng)日平均發(fā)電水平分比例配置，風(fēng)力供電60%，光伏供電40%；另一部分為蓄電池補充電部分，全部由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，補充電容量按光伏發(fā)電系統(tǒng)從電池容量20%充至80%核算，為避免光伏充電容量配置過大，本方案中補充電容量按6天充滿核算。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的月平均風(fēng)速、月平均日照小時數(shù)以及平均風(fēng)速修正系數(shù)等，經(jīng)計算分析，若要維持基站24 h全天候運行，風(fēng)力發(fā)電機和光伏電池板容量配置應(yīng)如表3所示。

表3 風(fēng)力發(fā)電機和光伏電池板容量配置

3.5 風(fēng)光互補系統(tǒng)控制策略

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制策略主要基于蓄電池管理，以蓄電池電壓為控制核心，根據(jù)蓄電池的狀態(tài)電壓對各個控制器輸出功率進行調(diào)節(jié)，詳細(xì)如圖2所示。

通信設(shè)備需要連續(xù)穩(wěn)定的電源供應(yīng)，而風(fēng)光互補系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性，因此需要依賴電池才能提供系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，所以電池狀態(tài)是系統(tǒng)控制的核心。

電池容量的估算有多種方法，與電壓及電流都相關(guān)，控制系統(tǒng)中通過算法推算出電池的容量及狀態(tài)。系統(tǒng)運行過程中，除蓄電池放電過低，發(fā)電系統(tǒng)的供電對于通信設(shè)備的用電均優(yōu)于蓄電池的充電。系統(tǒng)控制器通過監(jiān)測電池容量控制風(fēng)光互補控制器的電力輸出，如果蓄電池處于滿容量狀態(tài)，除設(shè)備用電外，需將多余的風(fēng)力和光伏發(fā)電量卸除；如電池容量不足，除設(shè)備用電外，其余的風(fēng)力和光伏發(fā)電量進入充電模式；如連續(xù)數(shù)日風(fēng)力和陽光資源不佳，在蓄電池放電至容量過低時，為保護電池系統(tǒng)將發(fā)出停機告警信號，并切斷用電設(shè)備。當(dāng)資源恢復(fù)，系統(tǒng)監(jiān)測到風(fēng)光系統(tǒng)有發(fā)電量輸出時，即為電池充電，當(dāng)充電至電池容量可用時，開始啟動通信設(shè)備供電。

3 基站監(jiān)控系統(tǒng)

一般基站均配置動力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)以方便維護人員進行遠(yuǎn)程監(jiān)控維護。海島基站由于新增風(fēng)光互補系統(tǒng)及人員現(xiàn)場維護難度大的特點，監(jiān)控系統(tǒng)需根據(jù)基站特點補充對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)各控制器的監(jiān)控，包括風(fēng)力、光伏、氣候監(jiān)測設(shè)備，用于記錄相關(guān)信息等。此外，由于圖像監(jiān)控的優(yōu)勢，機房內(nèi)、外安裝視頻監(jiān)控設(shè)備分別對通信設(shè)備和風(fēng)光互補系統(tǒng)設(shè)備進行圖像監(jiān)控。

所有機房環(huán)境監(jiān)控和風(fēng)光互補系統(tǒng)運行實時信息經(jīng)基站集中監(jiān)控系統(tǒng)傳送至監(jiān)控中心，供監(jiān)控中心遠(yuǎn)程查看及控制。機房環(huán)境監(jiān)控和風(fēng)光互補系統(tǒng)運行及監(jiān)測信息由于信息量大，監(jiān)控中心存儲不方便，所有原始?xì)v史數(shù)據(jù)均在現(xiàn)場存儲，然后通過無線方式進行遠(yuǎn)程查詢、下載。

（1）機房環(huán)境監(jiān)控

機房環(huán)境監(jiān)控包括對機房內(nèi)部及外部環(huán)境狀況的監(jiān)控，機房內(nèi)部環(huán)境狀況包括機房門禁、門磁、機房溫度/濕度、煙霧、水浸等；另外，還包括機房智能通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)。機房外部環(huán)境狀況主要包括室外溫度、濕度等。通信設(shè)備安裝在室內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機組和光伏電池板均安裝在室外，室內(nèi)、外設(shè)備的現(xiàn)場情況可以通過實時圖像進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（2）風(fēng)光互補系統(tǒng)監(jiān)控

風(fēng)光互補系統(tǒng)監(jiān)控主要對發(fā)電運行情況進行監(jiān)控，主要內(nèi)容包括風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)信息和現(xiàn)場可利用新能源信息等。蓄電池組方面主要包括蓄電池組工作狀態(tài)、電壓、剩余容量、溫度等，風(fēng)力方面主要包括風(fēng)力發(fā)電機組運行狀態(tài)，風(fēng)機控制器輸出電壓、輸出電流、發(fā)電功率、發(fā)電量等信息。光伏方面主要包括光伏發(fā)電模塊運行狀態(tài)，光伏控制器輸出電壓、輸出電流、發(fā)電功率、發(fā)電量等信息。現(xiàn)場可利用新能源監(jiān)測信息包括現(xiàn)場光輻射量傳感器、塔上風(fēng)速儀的現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)信息。

本方案利用集中控制器的無線通信模塊實現(xiàn)電源系統(tǒng)和監(jiān)控中心之間的無線通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能獲得電源系統(tǒng)的工作情況和歷史數(shù)據(jù)，如風(fēng)力發(fā)電量、太陽能發(fā)電量、蓄電池充放電歷史、系統(tǒng)故障歷史等。積累的歷史數(shù)據(jù)同時存儲于本地并上傳于監(jiān)控中心，便于數(shù)據(jù)分析，為以后其他站點應(yīng)用做基礎(chǔ)。

（3）其他

基站配置小型逆變器，用于通信系統(tǒng)調(diào)試、搶修等臨時用電。

4 技術(shù)應(yīng)用特點

風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)應(yīng)用特點如下。

·風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)充分利用海島地區(qū)豐富的自然資源以滿足通信基站的電力需求，相比單獨風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電能獲得更穩(wěn)定的輸出，可配備更少的儲能蓄電池。如需達到更高的供電可靠性，可配置柴油發(fā)電機，在風(fēng)光互補系統(tǒng)無發(fā)電量時對基站供電。但柴油發(fā)電機組運行后需要維護和補充柴油，而該海島屬于無人島，維護困難。

·通信基站負(fù)荷連續(xù)平穩(wěn)，風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在各級控制器調(diào)節(jié)下保證風(fēng)能和太陽能優(yōu)先滿足負(fù)荷需求，若電能有富余則為蓄電池充電，電能不足則由蓄電池補充。

·風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)控制器采用專業(yè)工業(yè)控制器進行深度開發(fā)，能保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行。整個系統(tǒng)的軟件控制充分考慮多種工作情況，采用閉環(huán)控制方式，故障情況下可以自動停止運行。控制器已經(jīng)通過了實用化驗證，能保證系統(tǒng)正常運行。

·風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)充分利用可再生能源，該基站日耗電量為40 kWh，年節(jié)約市電量14 600 kWh，在節(jié)能的同時也實現(xiàn)零排放。同時，該電源系統(tǒng)也為運營商節(jié)約了引入市電的投資和系統(tǒng)維護成本，運營商可以很快收回初期投資。

5 結(jié)束語

在電網(wǎng)無法到達的海島或山區(qū)等邊遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)光互補發(fā)電技術(shù)是一種理想的通信基站電源解決方案。合理的容量配置和系統(tǒng)控制就可滿足基站負(fù)荷的需求，并大大減少投資成本和維護成本。風(fēng)光互補電源系統(tǒng)在海島通信基站具有廣泛的應(yīng)用前景，也符合國家實施節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟的發(fā)展戰(zhàn)略需求。

1 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T 5040-2005通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范，2005

2 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T 1669-2007離網(wǎng)型通信用風(fēng)/光互補供電系統(tǒng)，2007

3 朱世雄.通信電源設(shè)計及應(yīng)用.北京：中國電力出版社，2006