李燕春，謝家林，樊成軍

（1.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310013；2.上海復(fù)旦大學(xué)航空航天系電子信息系，上海 200433；3.寧夏回族自治區(qū)無線電管理委員會辦公室，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

QTX訓(xùn)練場地處荒漠，屬于戈壁地貌，太陽能資源豐富，年日照小時數(shù)介于2 250～3 100 h，是我國光照資源最豐富的區(qū)域之一。同時訓(xùn)練基地地域開闊，年有效風(fēng)速小時數(shù)為8 128 h，場區(qū)邊緣便是寧夏回族自治區(qū)最大的風(fēng)力發(fā)電場之一，風(fēng)能資源集中。風(fēng)能與太陽能在晝夜能量的互補(bǔ)性給場區(qū)建設(shè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)帶來了天然的優(yōu)異條件，但由于自然條件的不確定性導(dǎo)致了發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡，因此必須對其進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化、存儲與控制才能實際使用。兩者相互配合利用、因地制宜，充分利用它們在發(fā)電效率上的時間差，從而建立起更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。隨著風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)日趨成熟以及行業(yè)政策的積極引導(dǎo)，建設(shè)成本快速下降，使得新能源的應(yīng)用更加廣泛。

從施工難度上考慮，訓(xùn)練場區(qū)地處荒漠地帶，遠(yuǎn)離國家電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，戈壁荒漠區(qū)域建設(shè)成本和維護(hù)成本高，同時市電引入工程為直埋或架空線纜對作戰(zhàn)演練帶來了隱患。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)充分發(fā)揮場區(qū)自然資源，擺脫了對傳統(tǒng)資源的依賴，提升了基站通信的節(jié)能環(huán)保性能[1]。

1 場區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，風(fēng)力系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能量經(jīng)過各自的控制器變壓和整流后，將風(fēng)能和太陽能以交直流電的形式輸送到匯流箱，并由瞬間能耗大小決定匯流箱上的電流方向。當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電量大于負(fù)載所需的電量時，則通過匯流箱將多余的能量送到蓄電池中儲存，當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電量小于負(fù)載所需電量時，蓄電池將能量轉(zhuǎn)換為直流電，從而為各負(fù)荷提供電能。

同時，蓄電池的充放特性還具有穩(wěn)定匯流箱電壓的作用。蓄電池作為系統(tǒng)的儲能裝置，合理的控制其充放電深度，可極大提高使用壽命。因此對風(fēng)能和太陽能發(fā)電容量估計及發(fā)電控制、蓄電池容量配置等幾方面進(jìn)行研究，使容量配置相適[2]。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的核心組件為電流控制器，它能自動控制光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能，將調(diào)整后的能量輸往直流或交流負(fù)載，如有多余的能量則按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時，控制器將蓄電池儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能為負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池充滿后，控制器要及時泄能，防止蓄電池被過充。當(dāng)蓄電池所儲存的放電深度達(dá)到閥值時，控制器要保護(hù)蓄電池不被過度放電，保護(hù)蓄電池。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量超過蓄電池存儲容量時，控制器必須將多余的能量消耗掉。

傳統(tǒng)的控制方式是簡單地將假負(fù)載接到控制單元上，或?qū)⒉糠止夥l(fā)電板直接物理斷開，從而減少發(fā)電量。這種粗略的控制方式對蓄電池的充放沒有精確管控，多數(shù)情況下蓄電池還沒有充滿，能量卻消耗在假負(fù)載上，從而造成能量的浪費(fèi)。相對好點的做法是分層接上假負(fù)載，層次越多，步長越精細(xì)，控制效果越好，但受制于物理空間約束，一般只能做到有限的五六級，效果仍不理想。最好的控制方式是采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）進(jìn)行柔性控制，通過微處理器不斷變換充電間隔，充電電壓始終穩(wěn)定在蓄電池的浮充電壓范圍內(nèi)，只是將多余的電能釋放到假負(fù)載上，從而保證最佳的蓄電池充電特性[3]。一款優(yōu)秀的風(fēng)光互補(bǔ)控制器的核心器件采用微處理器實時檢測蓄電池的儲能狀態(tài)，精確控制蓄電池的充電電壓和電流，使得外圍結(jié)構(gòu)簡單，且控制方式和控制策略靈活強(qiáng)大，從而延長蓄電池的壽命。

2 太陽能發(fā)電容量計算

場區(qū)建設(shè)通信機(jī)房設(shè)備的典型功耗約為2.4 kW，綜合考慮到現(xiàn)有設(shè)備功耗及預(yù)留未來設(shè)備擴(kuò)容需求，本次建設(shè)供電系統(tǒng)建設(shè)容量為6 kW，不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）和油機(jī)確保在重大活動時，蓄電池耗盡前有足夠的時間去現(xiàn)場啟動油機(jī)應(yīng)急供電。

QTX訓(xùn)練場區(qū)是全國太陽能資源開發(fā)綜合條件優(yōu)勢的地區(qū)之一，年日照時長均大于3 000 h，經(jīng)查詢氣象軟件Meteonorm7的太陽能輻射數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 Meteonorm7太陽能輻射量

根據(jù)上述從權(quán)威Meteonorm7氣象軟件上可以查詢到每個月的太陽能有效輻射量，本地區(qū)的全年有效輻射總量為1 909 kW·h/m2，換算成平均日有效輻射量約為達(dá)到5.23 kW·h/m2。該值是在太陽能方陣仰角為40°時的有效值[4]。

太陽能發(fā)電功率計算公式為：

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；S為單塊組件發(fā)電量，本次取值為440 W；D為平均日有效輻射量，通過查詢得知QTX訓(xùn)練場區(qū)的平均日有效輻射量為5.23 kW·h/m2；η為太陽能組件部分工作效率，太陽能組件冗余系數(shù)取0.85；N為配置光伏組件板數(shù)量，QTX場區(qū)建設(shè)方案擬采用每陣列選配4塊功率為440 W/36 V的單塊組件串聯(lián)后組成陣列，每10個陣列并聯(lián)組成一個系統(tǒng)。

3 風(fēng)機(jī)發(fā)電容量計算

QTX訓(xùn)練場區(qū)地處西北內(nèi)陸，每年冬春季風(fēng)力最強(qiáng)，場區(qū)處于賀蘭山腳下，屬于寧夏風(fēng)力資源最豐富的3大風(fēng)電場之一，風(fēng)力最大可達(dá)7～8級，最大風(fēng)速可達(dá)30 m/s，場區(qū)內(nèi)無臺風(fēng)，最大風(fēng)速在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可承受的范圍內(nèi)。由賀蘭山風(fēng)塔監(jiān)測情況可知，該區(qū)域主風(fēng)向和主風(fēng)能方向一致，以西北風(fēng)的風(fēng)能最大，頻次最高，風(fēng)向穩(wěn)定，春季大，秋季小。QTX訓(xùn)練場區(qū)實測數(shù)據(jù)表明在10 m和50 m高度處的年有效風(fēng)速時數(shù)分別為 8 128 h 和 8 277 h，風(fēng)速頻次分別為 5.0 ～6.0 m/s和7.0～8.0 m/s，無破壞性風(fēng)速，風(fēng)速年內(nèi)變化小，年平均風(fēng)功率密度為210 W/m2和460 W/m2。根據(jù)表2《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估表》判定該風(fēng)場風(fēng)功率密度等級為4級，適合采用風(fēng)力發(fā)電[5]。

表2 風(fēng)電場風(fēng)能資源評估

風(fēng)力發(fā)電計算公式為：

式中，S風(fēng)為風(fēng)機(jī)核算功率；?為風(fēng)機(jī)啟動效率，氣象條件評估為70%；Y為當(dāng)?shù)啬昶骄行r數(shù)，QTX訓(xùn)練場區(qū)風(fēng)機(jī)掛高約為 10 m，取 8 128 h；P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率，本次建設(shè)采用額定功率為5 kW的風(fēng)機(jī)。

通過上述風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電容量測算，新建風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)全天發(fā)電總?cè)萘繛椋?/p>

為保證機(jī)房24 h不間斷供電，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電總?cè)萘啃璐笥跈C(jī)房設(shè)備總能耗。機(jī)房總能耗為：

式中，E為機(jī)房設(shè)備能耗；S為機(jī)房設(shè)備峰值功率，取值為6 kW；t為工作時長，取值為24 h；μ為負(fù)載系數(shù),取設(shè)備功耗標(biāo)稱值的80%。在具體建設(shè)方案上，可采用4塊功率為440 W/36 V的單塊組件串聯(lián)后組成一組陣列，每10個陣列并聯(lián)在一起組成一個系統(tǒng)，提供71.1 kW的光伏發(fā)電容量。風(fēng)力發(fā)電采用額定功率為5 kW的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，提供的發(fā)電容量為77.9 kW，同時將原有的3 kW光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)后并入新建風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

4 蓄電池容量計算

在整個風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)中，蓄電池是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，占整個發(fā)電系統(tǒng)成本的大部分，因此合理設(shè)計蓄電池容量對使用壽命至關(guān)重要。在太陽能風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，一般來說，蓄電池的儲能要大于設(shè)備的功耗，這樣才能保證系統(tǒng)正常工作[6]。蓄電池組容量的計算公式為：式中，Q為蓄電池容量；K為保險系數(shù)，一般取1～1.25，本次取值為1.1；I為負(fù)載電流，取整為50 A；T為蓄電池最大持續(xù)供電時間，本次設(shè)定為8 h備電；φ為蓄電池放電深度系數(shù)，取0.5；t為環(huán)境溫度，因機(jī)房安裝空調(diào)，故本次取蓄電池工作溫度為15 ℃。

5 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)策略

目前，研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的兩個關(guān)鍵問題是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電容量規(guī)劃及小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性問題[7]。

5.1 發(fā)電容量規(guī)劃

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量規(guī)劃應(yīng)考慮負(fù)載用電特征和當(dāng)?shù)靥柲?、風(fēng)能的資源狀況等因素的影響。同時要為負(fù)載提供可靠穩(wěn)定的電力，就必須對機(jī)房內(nèi)設(shè)備功耗特征做完整的統(tǒng)計，計算所有設(shè)備的最大功耗和平均功耗，統(tǒng)計出日平均用電量和最大用電量，最大用電量是選擇逆變器容量的依據(jù)，日平均用電量則是選擇風(fēng)機(jī)功率、光伏組件和蓄電池組容量的依據(jù)[8]。項目實施地的太陽能和風(fēng)能資源狀況是光伏組件和風(fēng)機(jī)功率選擇的重要依據(jù)，一般根據(jù)氣象條件來確定光伏組件數(shù)量和風(fēng)機(jī)類型，再按負(fù)載的日用量考慮安全冗余系數(shù)，最后設(shè)計整體組網(wǎng)方案。

5.2 風(fēng)機(jī)可靠性設(shè)計

小型風(fēng)機(jī)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)上有了長足進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，但可靠性一直沒有得到有效解決。出于成本的考慮，項目建設(shè)中很少采用先進(jìn)的液壓控制技術(shù)，只是根據(jù)空氣動力學(xué)原理，采用簡單的機(jī)械控制方式對小型風(fēng)機(jī)在大風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行限速。機(jī)械限速結(jié)構(gòu)的特點是小型風(fēng)機(jī)的機(jī)頭或某個部件處于動態(tài)支撐狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)洞試驗條件下，可以反映出良好的限速特性，但場區(qū)內(nèi)自然環(huán)境惡劣，風(fēng)速風(fēng)向存在很大的變化性和隨機(jī)性，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向很難適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變化劇烈，使得動態(tài)支撐部件不可避免地會引進(jìn)振動從而造成結(jié)構(gòu)件的損壞[9]。

目前，業(yè)界共識是風(fēng)機(jī)的運(yùn)動部件越少，可靠性越高。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由3個運(yùn)動部件組成，一是驅(qū)動發(fā)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪，二是尾翼驅(qū)動風(fēng)機(jī)的機(jī)頭偏航，三是葉輪側(cè)偏限速部件。風(fēng)輪和尾翼運(yùn)動部件不可缺少，這也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)，實踐中運(yùn)動部件故障率并不高，主要是限速保護(hù)機(jī)構(gòu)損壞的情況多。因此，在風(fēng)速較大時，特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況，應(yīng)采用手動剎車機(jī)構(gòu)或采用側(cè)偏停機(jī)等人工控制風(fēng)力機(jī)停機(jī)[10]。

6 結(jié) 論

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為邊遠(yuǎn)通信基站的獨(dú)立系統(tǒng)，除了需要提供不間斷的電力能源，并對發(fā)電容量和自然資源條件進(jìn)行詳細(xì)的評估外，對蓄電池依賴性也很強(qiáng)，蓄電池是保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定和持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵部件。采用膠體蓄電池可以明顯延長蓄電池的使用壽命，提高蓄電池深度充放電恢復(fù)性和次數(shù)，同時由于風(fēng)光發(fā)電的隨機(jī)性、波動性的特點，需要對電池的充放電進(jìn)行有效的管理，采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制蓄電池充放電對延長蓄電池使用壽命不失為一種有效的管理手段。