王亞會(huì) 周振宇 賈云健

摘要：提出基于可再生能源與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)的混合供電系統(tǒng)。通過深入分析多種混合供電系統(tǒng)的性能，給出了適用于坦桑尼亞邊遠(yuǎn)地區(qū)基站供電的解決方案，緩解了邊遠(yuǎn)地區(qū)電力基礎(chǔ)薄弱、基站供電穩(wěn)定性差等問題。同時(shí)，混合供電系統(tǒng)的建設(shè)降低了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的發(fā)電成本以及溫室氣體的排放量。

關(guān)鍵詞：可再生能源；混合供電系統(tǒng)；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商；溫室氣體排放量

近年來，隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展以及移動(dòng)用戶數(shù)量的不斷增加，移動(dòng)通信在農(nóng)業(yè)、教育和礦業(yè)等諸多社會(huì)經(jīng)濟(jì)部門發(fā)揮著重要的作用[1-2]。然而，亞太、非洲等地區(qū)的發(fā)展中國(guó)家以及邊遠(yuǎn)地區(qū)，由于電力基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、穩(wěn)定性差，基站供電的相關(guān)問題限制了移動(dòng)通信的進(jìn)一步發(fā)展。

以非洲的坦桑尼亞為例，到2014年，坦桑尼亞的電氣化率僅為36%，其中僅有11%的農(nóng)村地區(qū)接入到配電網(wǎng)。由于電力供應(yīng)不足，坦桑尼亞農(nóng)村地區(qū)的移動(dòng)基站主要采用柴油發(fā)電機(jī)供電，不僅能源效率低、運(yùn)行成本高，而且溫室氣體排放量大，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了惡劣的影響。此外，一些并網(wǎng)基站也會(huì)受到甩負(fù)荷和頻繁斷電的影響，電力供應(yīng)極不穩(wěn)定，通信服務(wù)質(zhì)量難以得到保障。如果能為移動(dòng)基站配備新能源發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以解決通信系統(tǒng)的供電問題，還可以有效降低溫室氣體排放以及供電成本[3]。

新能源種類繁多，主要包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮芎蜌淠艿瓤稍偕茉碵4]，其供電系統(tǒng)主要為太陽能和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)利用光伏效應(yīng)將太陽能光電板收集的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能[5]，具有能源利用率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，太陽能發(fā)電易受到天氣影響，不能連續(xù)為用戶負(fù)荷供電，因此作為獨(dú)立供電系統(tǒng)時(shí)面臨巨大的挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片將風(fēng)的動(dòng)能間接轉(zhuǎn)化為電能，其建設(shè)周期短、環(huán)境要求低、儲(chǔ)能豐富[6]。但是，風(fēng)電場(chǎng)只能建立在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)在雷暴中容易受損，還需要不斷完善風(fēng)力供電系統(tǒng)。因此，在基站供電規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮新能源與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)的混合供電系統(tǒng)[7]。

近年來，印度、南非、尼日利亞、土耳其和澳大利亞等國(guó)家對(duì)混合供電系統(tǒng)展開了廣泛研究。研究?jī)?nèi)容大多涉及獨(dú)立發(fā)電機(jī)與太陽能和風(fēng)能等可再生能源結(jié)合的混合供電系統(tǒng)[8-9]。研究表明：可再生能源發(fā)電，尤其是太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)結(jié)合，可以顯著降低柴油燃料消耗、系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本以及溫室氣體的排放量[10]。

盡管坦桑尼亞可再生資源豐富且潛力巨大，但是面向通信基站的混合供電系統(tǒng)尚未廣泛部署。因此，文中我們針對(duì)坦桑尼亞邊遠(yuǎn)地區(qū)新能源基站建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)開展分析，研究新能源基站的架構(gòu)及評(píng)估原理，并通過HOMER軟件對(duì)多種混合供電系統(tǒng)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證和結(jié)果分析，以提供經(jīng)濟(jì)可行和環(huán)境友好的解決方案。

1 邊遠(yuǎn)地區(qū)通信基站供電

現(xiàn)狀分析及挑戰(zhàn)

本文采用調(diào)查問卷的方法，分析坦桑尼亞邊遠(yuǎn)地區(qū)通信基站供電現(xiàn)狀以及新能源基站建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn)。問卷對(duì)象為坦桑尼亞多個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商（包括Tigo Tanzania、Airtel Tanzania、Vodacom Tanzania和TTCL Public Company Limited）的電信工程師，合計(jì)21人。

針對(duì)坦桑尼亞通信基站供電來源的調(diào)查結(jié)果如圖1所示，主要結(jié)論如下：首先，通信基礎(chǔ)設(shè)施的主要電力來源仍然是電網(wǎng)和柴油發(fā)電機(jī)（95%），僅有19%的受訪者指出一些運(yùn)營(yíng)商利用太陽能發(fā)電為基礎(chǔ)設(shè)施供電；其次，對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)的基站，由于電網(wǎng)穩(wěn)定性差，主要采用柴油發(fā)電機(jī)作為電力來源（62%），而太陽能發(fā)電所占的比例很少（19%）；最后，無論是基礎(chǔ)設(shè)施還是邊遠(yuǎn)地區(qū)基站供電，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用均非常少。由此可見：可再生能源不是坦桑尼亞通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的主要電力來源，其原因如表1所示。結(jié)果顯示：高昂的安裝成本（95%）、不可預(yù)測(cè)的天氣情況（95%）、技術(shù)人員（57%）的缺乏和可再生能源設(shè)備不足（76%）等因素是目前新能源基站建設(shè)所面臨的主要挑戰(zhàn)。綜上所述，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商未廣泛利用可再生能源為其基礎(chǔ)設(shè)施供電。

2 新能源基站架構(gòu)及評(píng)估原理

對(duì)于基站供電困難的邊遠(yuǎn)地區(qū)而言，新能源與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)的混合供電系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。通信基站的混合供電系統(tǒng)一般由太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池組成。文中，我們主要考慮以下4種供電方式：

（1）柴油發(fā)電機(jī)獨(dú)立供電系統(tǒng)，用符號(hào)S0表示；

（2）風(fēng)力發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)供電系統(tǒng)，用符號(hào)S1表示；

（3）太陽能發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)供電系統(tǒng)，用符號(hào)S2表示；

（4）風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)的供電系統(tǒng)，用符號(hào)S3表示。

圖2介紹了風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電與柴油發(fā)電機(jī)互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（S3），包括基站、發(fā)電機(jī)、控制器和儲(chǔ)能裝置4部分。在該系統(tǒng)中，將太陽能和風(fēng)能作為主要能源，柴油發(fā)電機(jī)作為備用能源。當(dāng)發(fā)電量超過負(fù)荷需求時(shí)，過剩電能被存儲(chǔ)在電池組中；當(dāng)發(fā)電量不能滿足基站負(fù)荷需求時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)和電池組將為基站供電。

為了定量地分析混合供電系統(tǒng)的環(huán)境友好性、經(jīng)濟(jì)可行性和發(fā)電穩(wěn)定性，我們考慮了凈現(xiàn)值（NPC）、能源成本（COE）、可再生能源發(fā)電量比例（RGR）、溫室氣體排放量等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)不同系統(tǒng)配置的性能指標(biāo)進(jìn)行比較分析。

（1）NPC

系統(tǒng)的NPC指一個(gè)生命周期內(nèi)所有成本減去該期間收益的值。成本包括投資成本、重置成本、運(yùn)行和維護(hù)成本、燃料成本。如果產(chǎn)生溫室氣體，成本中還包括氣體排放處罰。凈現(xiàn)值如式（1）：

（2）COE

COE指每千瓦時(shí)電力的平均成本，通過將年度發(fā)電成本除以總用電量來計(jì)算，即：

（3）RGR

RGR由可再生能源的年度總發(fā)電量除以所有能源的年度總發(fā)電量來計(jì)算，即：

（4）二氧化碳排放量

溫室氣體是化石燃料燃燒的產(chǎn)物。碳排放量（CEQ），如二氧化碳（CO2）排放量計(jì)算如式（4）：

3 系統(tǒng)性能評(píng)估

本研究的可再生能源數(shù)據(jù)取自坦桑尼亞中部辛吉達(dá)地區(qū)，這個(gè)研究區(qū)域?yàn)槲鹘?jīng)4.8118°—5.4684°，北緯34.6976°—34.357°。通過HOMER軟件對(duì)不同的供電系統(tǒng)建模，并對(duì)離網(wǎng)和并網(wǎng)供電系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。在本研究中，HOMER軟件的主要輸入包括柴油發(fā)電機(jī)、太陽能光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、基站負(fù)荷需求、逆變器等系統(tǒng)組件的成本，以及用于模型優(yōu)化的其他相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，HOMER軟件將NPC、COE、溫室氣體排放量和RGR作為輸出，對(duì)一年的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

3.1 參數(shù)設(shè)置

在模型建立中，考慮的負(fù)荷為54千瓦時(shí)/天，峰值負(fù)荷為668 kW·h，發(fā)電機(jī)的額定功率為7.5 kW。將風(fēng)能和太陽能作為主要能源，并從SWAT數(shù)據(jù)庫的全球天氣數(shù)據(jù)[11]獲得研究區(qū)域的風(fēng)速和太陽輻射數(shù)據(jù)。本研究還從不同供應(yīng)商網(wǎng)站獲得基站供電系統(tǒng)各種組件的成本數(shù)據(jù)，如表2所示。

3.2 結(jié)果分析

在環(huán)境方面，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要降低溫室氣體排放量，以減少其對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)全球變暖的影響。各系統(tǒng)具體的溫室氣體排放量如表3所示。

仿真結(jié)果表明：S0系統(tǒng)每年產(chǎn)生約27.227 t二氧化碳，S3系統(tǒng)每年僅排放約3.122 t二氧化碳。在混合供電系統(tǒng)中，通過將太陽能發(fā)電產(chǎn)生的過剩電能儲(chǔ)存在電池組中，降低柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，減少化石燃料的燃燒，降低溫室氣體排放量。因此，混合供電系統(tǒng)更有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

在經(jīng)濟(jì)方面，S2系統(tǒng)更具成本效益。表4給出了不同供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析。結(jié)果顯示：S2系統(tǒng)為凈現(xiàn)值和能源成本提供了更經(jīng)濟(jì)的解決方案。與S0系統(tǒng)相比，S2系統(tǒng)的NPC降低了130 246美元，能源成本降低了0.512美元/千瓦時(shí)。雖然混合供電系統(tǒng)的初始投資成本高，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，太陽能和風(fēng)力發(fā)電成本逐漸降低，這將會(huì)促進(jìn)新能源發(fā)電的廣泛部署。

在供電方面，混合供電系統(tǒng)具有更大的發(fā)電潛力?；旌瞎╇娤到y(tǒng)發(fā)電量如表5所示。與S0系統(tǒng)和S1系統(tǒng)相比，S2系統(tǒng)和S3系統(tǒng)的可再生能源發(fā)電量最大，可再生能源比例約為83%。其中主要為太陽能發(fā)電，其發(fā)電量超過系統(tǒng)總發(fā)電量的80%。與太陽能發(fā)電相比，風(fēng)能的貢獻(xiàn)并不顯著，例如S3系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電量?jī)H占總發(fā)電量的0.6%，而柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電量約為14%。

以上結(jié)果表明：該站址在利用太陽能發(fā)電為邊遠(yuǎn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施供電方面具有更大的潛力，并且發(fā)電量大，能夠滿足負(fù)荷需求。

圖3進(jìn)一步顯示了S3系統(tǒng)在10月份的發(fā)電量與負(fù)荷需求。結(jié)果表明：S3系統(tǒng)不僅能夠滿足用戶負(fù)荷需求，并且所產(chǎn)生的過剩電能還可以存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，從而可以在峰值期間使用。

同時(shí)結(jié)果顯示：太陽能發(fā)電幾乎可以滿足白天所有負(fù)荷需求，而柴油發(fā)電機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)則在太陽能發(fā)電量不足時(shí)使用，例如在夜間沒有光照的時(shí)候。

4 結(jié)束語

本研究調(diào)查了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商利用可再生能源為其基礎(chǔ)設(shè)施供電所面臨的挑戰(zhàn)。通過對(duì)不同的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，獲得經(jīng)濟(jì)可行的混合供電系統(tǒng)模型。由于風(fēng)能的發(fā)電量并不顯著，所以S2系統(tǒng)不僅對(duì)環(huán)境友好，而且更加經(jīng)濟(jì)可行，并為坦桑尼亞移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的基站供電問題提供了可持續(xù)的解決方案。研究結(jié)果對(duì)研究人員、政府管理人員、政策制定者、電網(wǎng)公司和環(huán)境部門都有很大的幫助，并且可以為研究可再生能源為坦桑尼亞偏遠(yuǎn)地區(qū)供電所起的作用提供有用的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] WU J， ZHOU S， NIU Z S. Traffic-Aware Base Station Sleeping Control and Power Matching for Energy-Delay Tradeoffs in Green Cellular Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013， 12（8）： 4196-4209. DOI：10.1109/twc.2013.071613.122092

[2] SU L， YANG C， CHIH-LIN I. Energy and Spectral Efficient Frequency Reuse of Ultra Dense Networks [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2016， 15（8）：5384-5398. DOI： 10.1109/TWC.2016.2557790

[3] 孫儼.風(fēng)能、太陽能互補(bǔ)供電型基站的應(yīng)用[J]. 通信電源技術(shù)， 2011， 28（4）： 33-37. DOI：10.19399/j.cnki.tpt.2011.04.010

[4] 馬懷新. 新能源與減碳 [J]. 四川水力發(fā)電， 2010， 29（s2）：286-301

[5] 丁強(qiáng). 太陽能并網(wǎng)發(fā)電在通信基站中的應(yīng)用研究[C]//中國(guó)通信學(xué)會(huì)信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)2011年年會(huì)論文集（下冊(cè)）. 2011

[6] 劉波， 賀志佳， 金昊. 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 36（2）： 7-13. DOI：10.3969/j.issn.1005-2992.2016.02.002

[7] 崔志剛， 呂宇欣， 郝穎， 等. 新能源供電系統(tǒng)在通信基站中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 通信電源技術(shù)， 2011， 28（4）： 5-8， 94. DOI：10.19399/j.cnki.tpt.2011.04.001

[8] ADEFARATI T， BANSAL R C， JOHN JUSTO J. Techno-Economic Analysis of a PV-Wind-Battery-Diesel Standalone Power System in A Remote Area [J]. The Journal of Engineering， 2017（13）： 740-744. DOI：10.1049/joe.2017.0429

[9] BHOWMIK D， SINHA A K. Cost-Based Allocation Model for Hybrid Power System Considering Solar， Wind and Thermal Generations Separately [J]. IET Generation， Transmission & Distribution， 2017， 11（18）： 4576-4587. DOI：10.1049/iet-gtd.2017.0305

[10] GONG J， THOMPSON J S， ZHOU S， et al. Base Station Sleeping and Resource Allocation in Renewable Energy Powered Cellular Networks [J]. IEEE Transactions on Communications， 2014， 62（11）： 3801-3813. DOI：10.1109/tcomm.2014.2359883