風光能源系統在西藏通信基站的應用

王繼現，夏保通，柳曉瑤，江 磊

（1.河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450000；2.華夏郵電咨詢監理有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

西藏自治區是我國太陽能資源最豐富的省區，年日照時間大部分地區在2 000 h以上，年輻射量可達6 000～8 000 MJ/m2。由于地廣人稀，很多地區尤其是道路沿線無市電可用，因此采用離網型風光供電系統為通信基站提供能源是最合理的解決方案。但是，這種風光能源不穩定，如何更好地收集與處理風光能源，保證基站設備穩定供電是各運營商重點關注的問題。

1 風光互補供電系統的構成和工作原理

通信用風光互補供電系統是將獨立的太陽能和風能電源結合設計的離網型供電設施。系統由能量采集設備（太陽能光伏電池板，簡稱PV；風力發電機，簡稱風機）、控制設備（太陽能控制器、風能控制器等）及能量存儲設備（蓄電池組）3部分組成，結構原理如圖1所示。

圖1 風光互補供電系統原理框圖

系統工作原理為風機先將風能轉換為交流電能，再通過整流（穩壓）轉換成直流電能，PV則將光能轉化為不穩定的直流電能。經能量控制系統整定后，將電能輸送至蓄電池組和負載。蓄電池組用以存貯電能，在無風無光時為負載供電。

系統工作模式包括以下4種。一是有光無風時由PV供電（相當于太陽能供電系統）；二是無光有風時由風機供電（相當于風能供電系統）；三是有光有風時PV和風機同時供電。蓄電池充足后，一般以PV優先為負載供電，在太陽能電力不足時投入風機，最大限度地減少風機磨損，提高供電可靠性；四是無光無風時由蓄電池供電，直至陽光或風力出現，補充蓄電池放電損失的能量。

電量充足的蓄電池持續放電的最長時間也就是系統持續供電的極限時間，此時所對應蓄電池的放電量是蓄電池的極限能耗[1]。蓄電池組最大持續供電時間（T）和系統補足蓄電池組最大能耗所用時間（N）是設計風光互補電源的兩個關鍵指標。離網型風光供電系統首要關注的性能為系統對蓄電池充放電的管理能力和系統的工作效率。

2 太陽能發電系統特性及優缺點

太陽能發電系統由PV、太陽能控制器以及蓄電池組構成，各部件特點如下。

2.1 通信用PV種類及特點

2.1.1 PV種類

PV依組成材料的不同可分成單晶、多晶以及非晶3種類型，目前通信常用PV主要是單晶硅太陽能組件和多晶硅太陽能組件。由于單晶硅在多晶硅的基礎上加工而成，因此單晶硅電池較多晶硅電池造價高。早期的單晶硅PV比多晶硅PV的光電轉換率高5%～8%，但近年硅電池工藝有很大改進，多晶硅PV的電氣性能已與單晶硅基本相同，光電轉換效率都已達到15%，功率衰減率也都滿足20年內小于10%的指標。兩者差異僅在于將單晶硅電池分割成小片時，由于單晶硅晶體排列一致，因此切割成的等面積小片電池電氣性能具有很高的一致性，而多晶硅晶體排列混亂，切割的等面積小片電氣一致性差，這對廠家生產小功率PV有較大影響，但對通信用戶幾乎沒有任何影響。綜上所述，硅材料PV基本能夠達到等同的高效率、長壽命以及高可靠等性能指標。

PV是組成太陽能電源的主要部件，其建成后幾十年內幾乎不會發生故障，因此構建太陽能電源的關注重點并非PV板。

2.1.2 PV輸出特性曲線

單晶硅PV和多晶硅PV有相同的輸出特性曲線。PV的輸出功率是隨光照強度尤其是紫外光強度、溫度以及負載類型而變化的。當光照強度和環境溫度一定時，PV輸出功率曲線是一個類拋物線,如圖2所示。為了計量PV的工作功率，國標規定了統一的測試光照標準，即在25 ℃、1.5個大氣壓以及1 kW/m2光照強度時，將PV的最大輸出功率定義為PV的計量功率（亦即峰值功率），單位為Wp。

圖2 PV輸出特性曲線

從圖2可以看出，PV的輸出電流隨電壓的降低而增大。自PV開路時的22 V起，當工作電壓降到17 V時，PV電流的增加與電壓的降低幾乎是線性關系。但在17 V以后，電流的增量就幾乎不再隨電壓的降低而增大，直至工作電壓降到0 V即PV短路時，其短路電流較17 V處的電流值也相差不到3%。可見對于12 V的PV而言，當工作電壓小于17 V以后，其輸出電流幾乎不變（恒流現象），這個特定電壓值在曲線上對應的點即為PV的峰值工作點。

PV的這一重要特性表明，在標準光強和環溫下，只有將PV的工作電壓維持在17 V左右時才能得到其最大輸出功率。據此可知，若PV工作電壓與蓄電池組工作電壓相綁定，則無法使PV輸出其最大功率。

2.2 太陽能控制器的種類和特點

太陽能控制器是整個太陽能電源系統中最關鍵的部件，它決定了太陽能電源系統的效率和可靠性。太陽能電源從穩壓方式上可分為子陣投切與PWM脈寬調制型（簡稱蓄電池穩壓型）和DC-DC穩壓型（簡稱直流變換穩壓型）兩種類型。這兩類太陽能控制器在工作原理和使用性能上差異很大，各有優劣。

2.2.1 蓄電池穩壓型控制器

蓄電池穩壓型太陽能控制系統是采用投切PV板接入的數量調節太陽能輸入電流的一種太陽能控制設備。其低端產品運行方式為直接投切太陽能子陣調節輸入電流，調節精度粗放；其改良型產品采用調節脈沖占空比的方式投切太陽能子陣，調節較為精細[2]。上述兩種機型都利用蓄電池組作為系統穩壓和儲能器件，因此蓄電池組電位是控制系統最關鍵的控制參量。蓄電池穩壓型太陽能控制器工作原理如圖3所示。

圖3 蓄電池穩壓型太陽能控制器工作原理框圖

蓄電池穩壓型太陽能電源系統的PV輸出端、蓄電池端以及負載的電位被蓄電池綁定并始終保持一致，流出PV的電流與流入蓄電池和負載的電流始終完全相等，這是蓄電池穩壓型太陽能電源系統的重要特征。

PV的輸出功率等于蓄電池電勢差與回路電流乘積，即WO=UO×I。蓄電池電壓越低，內阻消耗電能就越大，PV工作效率也就越低，這是蓄電池穩壓型控制系統的重大缺陷。

由于成批量地投切太陽能子陣，因此這類系統經常出現PV子陣投入越多、甩斷越少的弊病。控制模式過于粗放，實際上只能實現過欠壓保護功能，無法實現對蓄電池組的均浮充管理。其改進型產品通過調控脈沖占空比方式（Pulse Width Modulation，PWM）甩接PV子陣，使PV子陣間歇式接入或切出系統，直至全部接入或甩斷，從而精細蓄電池穩壓型控制器的調節性能，避免了PV容量的大幅浪費[3]。

蓄電池穩壓型太陽能控制系統的優點為結構簡單、造價低廉、控制器體積相對較小以及安裝使用方便。缺點為、以下4點：一是系統工作效率較低，PV輸出電壓與蓄電池電壓綁死，無法跟蹤PV最大功率點；二是系統依賴蓄電池穩壓，其可靠性依賴于蓄電池性能；三是在蓄電池需要大電流充電時，系統工作效率低，而在蓄電池飽滿時工作效率高，但此時蓄電池已不再需要大電流；四是由于控制器本身無穩壓功能，對蓄電池組實際上只能有過欠壓保護，而無法實現均浮充管理，嚴重影響蓄電池的使用性能和循環壽命。蓄電池穩壓型控制器適用于PV功率＜1 000 Wp的系統。

2.2.2 直流變換穩壓型太陽能控制器

（1）工作原理。太陽能系統的MPPT功能必須在直流變換穩壓工作模式下才能體現。此時，PV的輸入端電壓通過設置在控制器輸入端的功率比較電路，在負載需要大功率輸出的前提下自動跟蹤PV最大工作點，使系統輸出最大功率。太陽能MPPT功能原理如圖4所示。

圖4 太陽能MPPT功能原理圖

在圖4中，PV與蓄電池和負載分別位于兩個回路中，這與以蓄電池穩壓的太陽能電源系統不同。在該系統中，PV與脈沖變壓器初級串聯為一個回路，由最大功率點跟蹤電路（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制，可任意調節，使PV輸出電壓接近PV最大功率工作點電壓，一般48 V系統在66 V左右。蓄電池及負載和脈沖變壓器次級串聯成另一個回路，脈沖變壓器將初級線圈上66 V左右的電壓變換為次級43～56 V的脈沖電壓，經整流濾波后輸送給蓄電池和負載。同時直流變換穩壓型電源輸入電壓在允許范圍內不受串聯組件數量的限制，一般慣例為4塊組件，但也可允許5塊甚至6塊標準PV串聯輸入，或者采用特制的高壓PV，人為提高PV輸入電壓，進一步提升太陽能系統的工作效率。特制的太陽能組件很難被民用PV系統直接使用，因此在一定情況下起到了防盜作用。PV工作電壓的提高大大降低了串聯在初級回路的PV內阻的損耗，提高了PV的輸出效率。

（2）太陽能電源系統中蓄電池的工作狀態和特點。在太陽能電源系統中，蓄電池每天都會充放電，系統輸出電壓的大小是由蓄電池的充足程度決定的。因此，系統輸出電壓會在設定的蓄電池電壓欠壓保護點和均浮充電壓點之間波動[4]。

目前，根據西藏氣候特點，通信設施普遍采用的設計配置是在陰雨天時，蓄電池可連續3天（72 h）為負載供電。在日照正常時，PV在連續3個晴天中（累積15～18 h）充足蓄電池，即相當于每天除保證負載用電外還要給蓄電池補足24 h的負載運行能量。系統持續的供電時間是取決于蓄電池組的，在連續陰雨天時，蓄電池組的供電時間將由當天下午太陽落山時（約17:00）計起，直至第4天的17:00，共計72 h。

蓄電池的工作狀態若是充足，那么17:00—9:00會釋放負載15 h的運行容量，相當于蓄電池可放容量的21%（亦蓄電池標稱容量的15%）。在晴天，這部分釋放能量會在第二天被補足并進入浮充態。若接下來遭遇1個陰天，則將累積放出負載工作39 h的電能，相當于蓄電池可放容量的54%（亦即蓄電池標稱容量的39%）。若次日為晴天，則能夠補回24 h的能量，尚欠15 h充電量。若連續遭遇兩個陰雨天，則將釋放63 h的負載運行電能，相當于蓄電池可放容量的87.5%（亦即蓄電池標稱容量的63%）。若次日為晴天，則可補回24 h的能量，尚欠39 h。但若遭遇3個連續陰雨天，則將釋放72 h的負載工作電能，相當于蓄電池可放容量的100%（亦即蓄電池標稱容量的75%），達到蓄電池組放電下限。在這種情況下，負載將在第三天18:00斷電。

從以上分析可以看出，當太陽能電源處于連續晴天時，蓄電池組每天僅需要放出15 h的負載運行電量，而會在下一個晴天被補足，并使蓄電池組處于浮充狀態。此工作狀態不僅不會傷害蓄電池組，反而會因反復的淺度充放電而對蓄電池組極板活性物質產生積極的激活作用。但只要在運行過程中出現1個陰雨天，蓄電池放出的電能就會超過PV當天補充電能的極限（即負載24 h能耗量），出現兩個以上連續陰雨天時，蓄電池將處在非飽滿放電狀態下。蓄電池在此狀態工作時間越長，對蓄電池使用性能及循環壽命的負面影響也越大。

太陽能電源系統的本質問題是對晴天的利用率。蓄電池待機的目的是為了使系統具備等到晴天的必要條件，充分利用晴天快速補充蓄電池欠缺電量，不僅是保證蓄電池（亦即負載）使用性能的關鍵，也是延長蓄電池供電時間和循環壽命、提高系統供電可靠性的關鍵[5]。

（3）在現有配置下使用具有MPPT功能的太陽能電源系統具有顯著優勢。

首先，系統工作效率高，較PWM式最大高32%，平均高15%。具有MPPT功能的直流變換穩壓型太陽能控制器，PV的輸出電壓不受蓄電池的牽制，能夠在蓄電池需要電能補充時提供最大的功率輸出，系統的整體工作效率達到95%以上。而蓄電池穩壓型太陽能供電系統的輸出效率隨電池組的電壓降低而降低，顯然不能提供最大的工作效率。具有MPPT功能的太陽能系統整體工作效率比PWM型平均高出約15%。

其次，保護蓄電池的使用性能和壽命，提高供電的可靠性。對蓄電池的第一層保護是指MPPT控制系統具有獨立的可調、穩壓輸出功能，能夠實現對蓄電池組的均浮充管理。第二層保護是指MPPT系統效率高，能夠快速補償蓄電池的電能，減少蓄電池的深度放電概率，從而提高了系統整體的供電可靠性，減低了蓄電池組運維成本。第三層保護是指MPPT控制系統方便實現蓄溫度補償功能。以上3層保護是非獨立穩壓系統無法真正實現的，MPPT太陽能系統對蓄電池組有多重的保護功能，是蓄電池的使用性能和壽命比蓄電池穩壓系統高很多的主要原因。此外，蓄電池使用性能的提高也大大提高了系統的工作可靠性。

最后，穩壓式的模塊化設計使系統工作可靠性提高。MPPT功能的太陽能電源都是采用直流變換穩壓工作模式，具有獨立穩壓功能。太陽能控制系統由多臺具有同等穩壓功能的功率控制模塊并機組合而成，能夠脫離蓄電池組工作，避免因蓄電池組的缺失對負載的影響，大大提高整個系統工作的可靠性[6]。即使突然拆除蓄電池組，也不會對負載供電產生影響。

2019年9月，在拉薩對MPPT太陽能電源和PWM投撤型太陽能電源進行了對比測試。7 200 Wp太陽能電池方陣分為兩個部分，分別接入MPPT太陽能控制器和PWM太陽能控制器，并分別接到兩組48 V/1 000 Ah的同型號同虧電狀態的蓄電池上，用計算機實時記錄工作參數（每10 s記錄1次數據）。某基站太陽能外景如圖5所示。

圖5 拉薩某基站太陽能外景

2019年9月23日，蓄電池組負載全天滿功率輸出對比測試如圖6所示。

圖6 池組負載全天滿功率輸出對比測試圖

蓄電池組均充管理性能比較如圖7所示。2019年10月10日，蓄電池即將充滿時，觀察蓄電池組的均浮充管理性能。

圖7 蓄電池組均充管理性能比較圖

蓄電池剛進入均充控制點是測試控制器均充管理的關鍵點，此時PWM+投撤控制器在進行子陣投撤動作，出現較大的能量脈沖（淺色脈動線）。投入子陣時，蓄電池組充電電流過大，屬于短時過充（見突出的淺色部分）。切出子陣時，蓄電池充電電流減小，見圖中和淺色相鄰的深色凹陷部分。顯然PWM系統沒有實現對蓄電池組真實的均充管理。

MPPT控制系統在設定的均充電壓下輸出平穩（深色水平線），在太陽具有足夠照度時，始終保持對蓄電池組的均充管理，沒有突變的浪涌電流，控制器在檢測充電電流的大小，當達到均浮充轉換值后（5 mA/Ah），將立刻轉入浮充充電。蓄電池組浮充性能比較如圖8所示。

圖8 蓄電池組浮充性能比較圖

在蓄電池組完成均充進入浮充狀態后，應該是有較小的一個穩定電流充入蓄電池組，為蓄電池組補充自身的損耗電能。圖中深色的水平線表明，MPPT系統以穩定的電流為蓄電池浮充，沒有讓蓄電池組放電。而PWM系統能夠明顯地看出在蓄電池達到浮充控制點時，PWM控制系統不停的投切子陣。當太陽能電池接入時，必然有高能脈沖為蓄電池充電，當太陽能電池切出時，出現深色凹陷，此時蓄電池放電，為負載供電，沒有真實意義的浮充管理。

2019年10月12日，測試兩種控制器的溫度補償功能。蓄電池溫度補償功能比較如圖9所示。

圖9 蓄電池溫度補償功能比較圖

圖9中，淺色部分是PWM控制器在蓄電池組充滿時的工作波形。可見在蓄電池充滿后，為了調整蓄電池的充電電流，仍在不停的投切子陣，出現了淺色深色相間的投切脈沖，但卻沒有實現低溫時的溫度補償。而深色部分的MPPT控制器工作波形很明顯的比淺色部分抬高了近500 W，且輸出平穩，說明MPPT控制器實現了溫度補償。

性能產生如此巨大差距的原因是PWM控制相當于一個直通型的開關，將太陽能方陣直接和蓄電池組相連，不能夠獨立控制太陽能方陣的輸出電壓和電流，而是依靠蓄電池組的容量通過投切太陽能子陣來調節充電電流，進而調節輸出電壓[7]。

DC-DC太陽能控制器是一個開關電源，太陽能方陣的輸出電壓和電流均經過控制器的整定后,再輸出給負載和蓄電池組。輸出電壓和電流的大小均有控制器控制完成，蓄電池僅是電能的存儲部件，因此能夠被完好地控制，實現真實意義的均浮充管理。

3 風力發電特性及優缺點

通信上經常使用的風機從控制保護方式可分為泄荷剎車/甩機型和強風偏航型兩類。

3.1 泄荷剎車/甩機型風機

泄荷剎車/甩機型風機由發電機頭、風葉、尾舵以及內置的電磁剎車組件構成，需要配合泄荷器使用。風機尾舵與機頭連為一體，尾舵的作用是使風機始終處于迎風方向，當風機發電過剩時，接入泄荷器旁路多于電能，同時也增大了風機負荷，降低風機轉速。當風力過強，風機轉速達到設定或最大值后，通過內部電磁制動剎車，抱死風機，使之停轉，以保證風機的安全。甩機型工作方式是在此時通過風能控制器將風機從主回路上切出，使風機空轉，以保護風機和負載設備的安全。風機的剎車抱死和切出均是自動完成的[8]。

此類風機的主要特點是在無人工干預下始終正面迎風，處于正面承受風壓狀態，其抱死或切出旨在防止高壓大電流沖擊蓄電池和負載。優點是風能利用的設定區間較精確，可通過多組泄荷電阻調節風能的輸入電流，提高風能的利用效率。缺點是風機始終正面承受風壓，不論剎車抱死型還是切出型，在強風下風葉和機架都易被損壞，風機的故障率較高。

3.2 強風偏航型風機

強風偏航型風機由發電機機頭、風葉、偏心軸以及尾舵組成。發電機的機頭與尾舵通過一個軸相連，整個機身又由一個偏心軸和機架相連，風機的尾舵后部設計有一個折彎，用來在強風狀態下提高偏航動力。偏航式風機就是利用偏心軸，使風機在強風下正面承受風壓，形成偏轉趨勢，偏轉機身。由于風機尾舵和風機葉面的承受力矩相反，因此當風速足夠大時就會出現折尾現象。當風機折尾后，風葉承受的風壓驟然降低，而尾舵會在風中尋找順風方向，從而帶動風頭葉面偏離迎風面。尾舵與機頭的偏角最大為90°，偏航式風機外觀如圖10所示。

圖10 偏航式風機外觀

偏航式風機偏航原理如圖11所示。

圖11 偏航式風機偏航原理

偏航型風機的特點是風速達到設定值時，風機頁面能夠自動偏離風向90°使風機停轉，保護風機的安全。當風向出現變換時，一旦達到切入風速，風機能夠自動迎向風向，投入工作。此類風機的優點是能夠自動躲避強風，工作可靠性高，不易損壞，具有很高的適應能力。缺點是風能的利用范圍相對較小。

4 太陽能、風能電源的使用和注意事項

4.1 太陽能電源應選擇合適的太陽能控制器

由于硅PV的生產工藝已經十分成熟，正規廠家PV的質保期都在10年以上，因此雖然PV是太陽能電源系統最貴重的部件，但卻不是最關鍵的部件。太陽能電源系統的使用性能和可靠性幾乎全部集中在太陽能控制器上，選擇好太陽能控制器是設計使用太陽能電源的關鍵。

PV方陣的安裝應參照當地的緯度確定仰角（仰角=緯度+5°）。太陽能組件安裝應牢固結實，在野外主要預防的是風暴的襲擊，因此PV組件間應留有空隙，以提高電池方陣的抗風能力。每塊太陽能組件間的空隙應不小于20 mm，PV組件的表面玻璃為高透度鋼化玻璃，可抵抗直徑小于25 mm的冰雹撞擊[9]。有陽光時，48 V PV方陣的輸出電壓應在58～95 V。

4.2 風力發電系統的關鍵環節較多

風機槳葉、控制保護形式及工程安裝都會直接影響風力發電系統。風機槳葉是一個技術含量很高的部件，槳葉的好壞是決定風機使用壽命和可靠性的關鍵部件之一。風機的槳葉必須有很好的強度和韌性，而且同臺風機的每片槳葉必須在重量和強韌指標上基本一致，否則在強風的作用下會失去平衡，造成風機劇烈震動，引發風機故障。風機在出廠時，槳葉已經配平，不同風機的槳葉不能互換使用。目前較好的風槳多采用高強度碳纖維和樹脂制作。

4.3 風能控制器

風機發出的電能全部要通過風能控制器整定并輸送給負載和蓄電池，其性能的優劣對整個系統十分關鍵。卸荷器的接入、蓄電池的充電管理以及風機的切出都需做到可靠準確，否則就會使整個系統癱瘓。較好的風能控制器應具備輸入輸出隔離功能，以降低輸入設備故障對系統的影響。控制器最好具有穩壓輸出和限流功能，以保護蓄電池組和風機。

4.4 多能源輸入時各種能源使用順序的實現

多能源共同存在時，建議使用多能源一體化控制器。由于多能源一體化控制器有DC-DC穩壓功能，風光電一體化系統的控制模塊能夠控制太陽能模塊輸出電壓、風能模塊輸出電壓以及市電整流模塊輸出電壓。為了優先使用太陽能，系統可以設定太陽能為一個供電等級，風能為一個供電等級，市電整流模塊為一個供電等級。太陽能通道、風能通道以及市電通道的輸出可以被校準在不同的電位上，三者具有不同的輸出特性，以此實現以太陽能→風能→市電→蓄電池的用電順序使用電能，并且當上一級能量不足時欠缺部分會自動由下一級能量補足，充分保證在最需要時適時適量的使用蓄電池組的能量，保證蓄電池組的待機時間。同時最大限度地使用新能源，實現節能減排[10]。

4.5 工程安裝

相較于大型風力發電機組，小型風機高度較低，通常工作在風的紊流區域，風機有很大的破壞性。離地面高度越高，風速越穩定，因此小風機安裝高度應高于6 m，并盡量在相對平坦的空地安裝風機。

影響風機工作性能的因素有很多，而且還存在機械磨損問題，導致風能的可靠性大大低于太陽能。因此，風光互補的供電系統應以太陽能為主、風能為輔，在西藏地區一般風光配置的比率不要超過3∶7。

5 結 論

由于西藏地區地廣人稀，相當大的區域內無市電可用，或者市電來自小水電站（旱季無法發電），因此如何保證偏遠地區尤其是道路沿線通信基站的可靠穩定運行成為各運營商關注的重點問題。風能太陽能在其他地區作為市電的補充和節能減排的手段，但在西藏，風能太陽能是很多通信基站唯一的能量來源，因此高效利用風能太陽能的實際意義顯得尤為突出，選用高效率一體式控制器是提高效率的重要途徑。