邊遠站點光伏自供電電源系統的研究與應用

李龍剛， 任建平， 鄔小可

(北京特種工程設計研究院，北京 100028)

0 引言

本項目地處西北地區，為某邊遠區域的邊界安防系統提供電源保障。 該區域周界沿線部署安防鐵塔近百座、監控立桿近千根，禁區周界長近2 000km， 部署點位涉及荒漠戈壁、山地、沙漠、谷地、濕地等多種地形，同時該區部分地區有季節性揚沙、浮塵等天氣，且風力較大。

周界安防鐵塔和攝像機監控立桿部署區域無市電覆蓋，根據當地的氣象條件，最好保障方式是建設相應光伏微電網系統。 該供電系統在能滿足為鐵塔負載和立桿負載供電的前提下，還要能適應以上各類應用場景以及各站點的氣候條件，整個供電系統具備遠程一體化管理、維護能力，實現對供電系統內的運行狀態信息、負載用電信息以及設備故障信息等可視化管理，并通過供電系統建設實現電能本地存儲、系統自我診斷、無人值守、電池管理功能、遠程監控等功能。

建設一套適應各類復雜環境，配置高效、合理，無人值守，智能運維管理的“綠色”自供電電源系統，實現對禁區周界安防鐵塔和監控立桿設備的可靠電力供應，同時通過電源監控軟件對供電系統進行一體化管理。

1 輸入條件

1.1 氣象條件

該區域屬典型的大陸型干旱性氣候區，氣候異常干旱、寒冷、多風少雨，晝夜溫差大。 尤其在戈壁沙漠中，起風頻率高、風力強，一經起風，便飛沙走石， 能見度極低。 最高氣溫48℃， 最低氣溫-25.3℃，晝夜溫差達38.2℃[1]。 日照相當豐富，總日照數大于2 990 h，無霜期平均210 天，該區域最差月份有效日照時間，弱光區取值為3.43 h/天；強光區取值為4.67 h/天。

1.2 用電負載分析

以其中比較典型的安防鐵塔為例，某承載設備主要包括陸地安防雷達、遠程光電、監控攝像機、智能安防機箱等，設備供電明細見表1。

表1 安防鐵塔電明細

安防鐵塔承載設備主要為周界遠程預警設備，意在為周界管控爭取寶貴的處理時間，意義重大。為了保證供電的可靠性，設計功耗按實際功耗的1.1 倍進行供電配置。 設備都按連續工作考慮。

實際總功耗647W，設計按照實際功耗的1.1 倍考慮，即設計功耗為647W×1.1 ＝711.7W。

1.3 連續供電時間需求

所在區域內的連續陰雨天數不超過3 天，極限不超過7 天，考慮到費效比等因素，設備電源保障時間定為3 天(72 h)。

2 光伏系統容量確定

在純太陽能供電系統配置公式中，一切均按照能量守恒定律進行核算。 光伏板的配置需要滿足一日產生電能(按平均日照數算)應滿足在連續的陰雨天內設備的需要，并能實現對電池組正常充電[2]。 系統中所有能量均來自于太陽能，在極端惡劣氣候下，完全由蓄電池提供后備能量供給，則蓄電池持續T小時，放出電量為U×I×T(UI乘積為負載功耗)；若設定需要用N天晴天來補充滿蓄電池虧欠的電量，則在N天內，負載每日24 h 工作，負載共耗費24×N×U×I，因此需要太陽能在N天內一共要補充回來UIT+24NUI，即U(IT+24NI)。

太陽能每天有效日照為H，因此N天太陽能配置容量需要在NH小時內補充為上述消耗的總能量U(IT+24NI)，考慮系統轉換效率ρ，故可以得到公式(1):

S＝U(IT+ 24NI)/NHρ(1)

式中，S為太陽能電池組件的總容量，Wp；U為系統母線電壓，本次要求為DC 48V，因此取值48，V；I為負載電流，取值711.7W/48V ＝14.8A，按中間環節無損耗考慮，A；T為蓄電池持續供電時間，本案站點設定為3 天后備，取值72，h；N為補足蓄電池極限能耗時間，根據設計需求取值為3，d；H為當地最差月份有效日照時間，弱光區取值為3.43 h，強光區取值為4.67 h；ρ為控制系統效率，控制器系統轉換效率取值0.9。

(1)強光區S＝8 113Wp

選擇單片規格為450Wp 的太陽能組件，工作電壓Vmp 為41.0V，在48V 系統中，最小工作單元為3塊組串。 計算結果為需要配置21 塊450Wp，小計9 450Wp。

(2)弱光區S＝10 884Wp

選擇單片規格為450Wp 的太陽能組件，工作電壓Vmp 為41.0V，在48V 系統中，最小工作單元為3塊組串。 計算結果為需要配置27 塊450Wp，小計12 150Wp。

3 電池容量計算及選擇

3.1 容量的確定

蓄電池組容量計算公式如式(2)所示[3]:

式中，Q為蓄電池容量，Ah；K為安全系數(一般在1～1.25)，本次取值為1.25；I為負載電流，取值711.7W/48V＝14.8A；T為蓄電池持續供電時間。本案站點設定為3 天后備，取值72，h；η為蓄電池放電容量系數，蓄電池最深放電深度取值為0.8；A為電池溫度系數(1/℃)，當放電小時率≥10 時，取0.006，當1≤放電率＜10 時，取0.008，當放電率＜1時，取0.01；t為環境溫度，考慮到采用保溫措施，因此環境溫度取10℃。

經計算，蓄電池組容量Q＝KIT/η[1-0.006(25-t)]＝1 830Ah。

3.2 電池種類的選擇

由于該區域最高氣溫48℃，最低氣溫-25.3℃，地表最高溫度為70℃，在這樣環境中對電池的工作效率提出了很高的要求。 下面就鉛酸、磷酸鐵鋰、鉛碳、鉛晶電池進行性能比較(數據來自國內具有代表性的廠家的技術參數)，具體參見表2。

由于各點位環境較為惡劣，地處偏僻，日常維護困難，因此選用可靠性高、適應環境性能好、壽命周期長的電池作為儲能單元，根據表2 對比情況選用鉛晶電池。 查詢相應鉛晶蓄電池規格后，選取單體規格為2V/800Ah 的鉛晶蓄電池，共48 節，每24節串聯，共2 組，構成48V/1600Ah 電池組。

表2 蓄電池性能比較

4 系統結構

系統主要由光伏電池板系統、模塊電源、匯流排、蓄電池、DC/AC 逆變器及微網監控系統組成。 在設備中存在DC 12V 用電設備，采用DC/DC 電壓轉換為DC 12 電源供給，AC 220V 用電設備采用DC/AC轉換為AC 220V 電源供給，系統構成示意圖見圖1。

圖1 光伏系統構成示意圖

5 電源監控系統

單個電源系統主要由單晶硅光伏發電系統、電源設備管理系統、電池儲能系統及電源分配系統組成。 電源監控軟件分為區域中心、分控中心和總控中心三層。 因此可通過一套軟件多級部署來實現供電系統前端站點的多級管理。 以設備管理狀態監測技術實現對光伏系統、能量轉換、儲能系統及全部的供配電設備進行綜合管理和監測，對供電系統內的運行狀態信息、負載用電信息以及設備故障信息等實現可視化管理。 通過供電系統建設實現電能本地存儲、系統自我診斷、無人值守、電池管理、遠程監控等功能。

監控軟件主要功能包括數據采集與處理、數據存儲和展示(如畫面、曲線、報表等)、系統自我診斷、事件告警及管理、控制與調節、電池管理、運行管理等。

6 結束語

本文結合某工程所在地特點，從用電負荷容量確定、光伏板選擇、蓄電池種類及相應電能儲存時間的確定等方面入手分析，并建立一套電源監控軟件對電源系統的各部分進行監測，解決了點多、線長、面廣不宜管理、檢修難度大等一系列難題，對孤立安防設備的電源的保障提出解決方案，在類似項目中具有一定借鑒意義。