基于風光互補發電技術的移動通信基站電源解決方案

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.中國科學院上海高等研究院 上海201210）

1 引言

隨著我國社會經濟和城鎮化建設的飛速發展，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絡覆蓋，成為各運營商提升服務能力的主要手段，特別是加強海域和山區等邊遠地區的通信網絡覆蓋已被納入各運營商的規劃中。但是很多海島、山區遠離電網，要保證基站穩定的電力供應是巨大的挑戰。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，則系統維護成本較高、可靠性較低。風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。風光互補發電技術是海島移動通信基站電源經濟可靠的解決方案。對供電可靠性要求較高的系統須配置后備柴油發電機組，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，獨立風光互補發電系統可配置更大容量的儲能電池以提高供電系統可靠性。

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

2 風光互補發電技術原理

風光互補發電技術集成了風能、太陽能、蓄電池及系統智能控制技術，系統功能的主要組成有風力發電、光伏發電、控制器、蓄電池組等部分。系統及結構設備如圖1所示。

風力發電、光伏發電經過控制器直接接入直流電源系統母線，通信設備和后備蓄電池組也直接接在直流母線上。對充放式應用的直流電源系統而言，蓄電池的充放電控制管理是系統的核心，可以采用集中控制器執行，一方面可以從風力發電和光伏發電中跟蹤最大功率，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，當蓄電池充滿電后，控制器停止向蓄電池充電。

3 風光互補通信基站電源技術方案

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121.77°～122.25°，東西長46.3 km，南北寬25.9 km。根據參考資料，該地區的風力和光伏資源情況如表1所示。

由表1可知，該基站風力的年可利用能量和可利用小時數遠大于光伏，因此，該基站重點以風力發電為主。風力發電可運行時間長，配合移動通信基站應用，可以做到即發即用，無需蓄電池存儲，發電系統利用率高。光伏系統發電時間短，但比較穩定，配合蓄電池組應用充放電模式為通信設備供電。另外，蓄電池放電后的補充電容量也采用光伏發電。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，風機安裝于鐵塔上。光伏發電系統的占地面積約為300 m2。

3.2 基站負荷情況

基站設計負荷值如表2所示。

表1 上海某海島基站風力和光伏資源情況

表2 基站直流負荷

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

根據前述分析，本方案基站設備以其典型負荷值為基礎依據，其他設備以參考負荷為依據，綜合考慮后，基站設計負荷為1 635 W。另外，風光互補系統的運行周期較長，通信設備可能調換或者擴容，風光互補系統可根據實際情況進行擴容。

3.3 蓄電池容量計算

根據基站業務需求、地理條件，結合風光互補發電系統造價以及維護等方面的情況，確定基站設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和價格問題而尚未普及，成熟的光伏控制器和風機控制器都是基于鉛酸電池充放電模式開發，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多、使用壽命長、高溫適應能力好等特點。

系統總負荷所需蓄電池容量為：

其中，Q為蓄電池的容量；I為負荷電流（A）；T為放電小時數（h）；K為安全系數，K=1.25；η為放電量系數，η=1；α為電池溫度系數（1/℃），取0.006；t為電池實際所在地最低溫度，按15℃考慮。

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

3.4 風力發電機、光伏電池板容量配置

本方案風光互補系統設計容量分兩部分，一部分為基站設備用電，按風光系統日平均發電水平分比例配置，風力供電60%，光伏供電40%；另一部分為蓄電池補充電部分，全部由光伏發電系統提供，補充電容量按光伏發電系統從電池容量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。根據當地氣象部門提供的月平均風速、月平均日照小時數以及平均風速修正系數等，經計算分析，若要維持基站24 h全天候運行，風力發電機和光伏電池板容量配置應如表3所示。

表3 風力發電機和光伏電池板容量配置

3.5 風光互補系統控制策略

風光互補發電系統控制策略主要基于蓄電池管理，以蓄電池電壓為控制核心，根據蓄電池的狀態電壓對各個控制器輸出功率進行調節，詳細如圖2所示。

通信設備需要連續穩定的電源供應，而風光互補系統具有不穩定性，因此需要依賴電池才能提供系統的穩定輸出，所以電池狀態是系統控制的核心。

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

3 基站監控系統

一般基站均配置動力環境集中監控系統以方便維護人員進行遠程監控維護。海島基站由于新增風光互補系統及人員現場維護難度大的特點，監控系統需根據基站特點補充對風光互補發電系統各控制器的監控，包括風力、光伏、氣候監測設備，用于記錄相關信息等。此外，由于圖像監控的優勢，機房內、外安裝視頻監控設備分別對通信設備和風光互補系統設備進行圖像監控。

所有機房環境監控和風光互補系統運行實時信息經基站集中監控系統傳送至監控中心，供監控中心遠程查看及控制。機房環境監控和風光互補系統運行及監測信息由于信息量大，監控中心存儲不方便，所有原始歷史數據均在現場存儲，然后通過無線方式進行遠程查詢、下載。

（1）機房環境監控

機房環境監控包括對機房內部及外部環境狀況的監控，機房內部環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系統運行狀態。機房外部環境狀況主要包括室外溫度、濕度等。通信設備安裝在室內，風力發電機組和光伏電池板均安裝在室外，室內、外設備的現場情況可以通過實時圖像進行遠程監控。

（2）風光互補系統監控

風光互補系統監控主要對發電運行情況進行監控，主要內容包括風光互補發電系統狀態信息和現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、電壓、剩余容量、溫度等，風力方面主要包括風力發電機組運行狀態，風機控制器輸出電壓、輸出電流、發電功率、發電量等信息。光伏方面主要包括光伏發電模塊運行狀態，光伏控制器輸出電壓、輸出電流、發電功率、發電量等信息。現場可利用新能源監測信息包括現場光輻射量傳感器、塔上風速儀的現場實時數據信息。

本方案利用集中控制器的無線通信模塊實現電源系統和監控中心之間的無線通信和遠程監控。遠程監控中心能獲得電源系統的工作情況和歷史數據，如風力發電量、太陽能發電量、蓄電池充放電歷史、系統故障歷史等。積累的歷史數據同時存儲于本地并上傳于監控中心，便于數據分析，為以后其他站點應用做基礎。

（3）其他

基站配置小型逆變器，用于通信系統調試、搶修等臨時用電。

4 技術應用特點

風光互補發電技術應用特點如下。

·風光互補發電技術充分利用海島地區豐富的自然資源以滿足通信基站的電力需求，相比單獨風力發電或光伏發電能獲得更穩定的輸出，可配備更少的儲能蓄電池。如需達到更高的供電可靠性，可配置柴油發電機，在風光互補系統無發電量時對基站供電。但柴油發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。

·通信基站負荷連續平穩，風光互補發電技術應用在各級控制器調節下保證風能和太陽能優先滿足負荷需求，若電能有富余則為蓄電池充電，電能不足則由蓄電池補充。

·風光互補發電系統控制器采用專業工業控制器進行深度開發，能保證電源系統穩定、可靠運行。整個系統的軟件控制充分考慮多種工作情況，采用閉環控制方式，故障情況下可以自動停止運行。控制器已經通過了實用化驗證，能保證系統正常運行。

·風光互補發電技術充分利用可再生能源，該基站日耗電量為40 kWh，年節約市電量14 600 kWh，在節能的同時也實現零排放。同時，該電源系統也為運營商節約了引入市電的投資和系統維護成本，運營商可以很快收回初期投資。

5 結束語

在電網無法到達的海島或山區等邊遠地區，風光互補發電技術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控制就可滿足基站負荷的需求，并大大減少投資成本和維護成本。風光互補電源系統在海島通信基站具有廣泛的應用前景，也符合國家實施節能減排、低碳經濟的發展戰略需求。

1 中華人民共和國信息產業部.YD/T 5040-2005通信電源設備安裝工程設計規范，2005

2 中華人民共和國信息產業部.YD/T 1669-2007離網型通信用風/光互補供電系統，2007

3 朱世雄.通信電源設計及應用.北京：中國電力出版社，2006