通信基站用油光互補能源系統的研究

陸運章，張佳亮，蔣 超，郭 進，周 蒙，何 峰

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111)

0 引言

隨著中國經濟的持續發展，人們對通信網絡尤其是無線通信的需求迫切，移動通信基站行業發展迅速[1]。中國西部地區及緬甸、柬埔寨、尼泊爾等東南亞國家的電力、交通等基礎設施建設薄弱，電網供電質量低。且這些地區的通信基站分布廣泛，供電環境復雜，大部分通信基站缺乏由可靠穩定的電網電力來提供能源保障[2]，通常是采用柴油機進行供電，運行與維護成本高。上述國家及地區擁有豐富的太陽能資源，但卻未被充分利用[3-5]，因此其采用光伏發電作為通信基站的保障性供電成為最佳替換方案[6-8]。投資小、收益高的油光互補能源系統可解決國內外通信基站能源供應成本高的問題，擁有廣闊的市場前景。基于此，本文通過對油光互補能源系統進行研究，對通信基站用油光互補能源系統進行設計，并對其的實際應用情況進行分析。

1 油光互補能源系統簡介

通常，油光互補能源系統由光伏發電系統、柴油機、整流器、通信模塊及遠程監控等組成。其中，光伏發電系統包含光伏組件、蓄電池組、最大功率點跟蹤(MPPT)光伏控制器。油光互補能源系統的結構圖如圖1 所示。

圖1 油光互補能源系統的結構圖Fig. 1 Structure diagram of diesel-PV hybrid energy system

光伏組件的作用是將太陽能直接轉換為直流形式的電能。MPPT 光伏控制器為電能管理的核心部件，其將光伏組件輸出的電能進行轉換以供給負載，并可對蓄電池組進行充電；其還可根據負載的能源需求，對光伏發電系統的電力供應進行合理分配和管理，實現能源穩定供應。柴油機作為油光互補后備能源為能源系統補充電能。

油光互補能源系統設計的關鍵在于設計合適的MPPT 光伏控制器來構建電能供應系統。本文根據負載功耗需求，設計單個獨立的MPPT光伏控制器，由其直接控制負載供電、蓄電池組充電和柴油機的合理運行時間，系統邏輯簡單、可靠。

2 通信基站用油光互補能源系統的設計

2.1 光伏發電系統參數設計及油光互補能源系統管理策略分析

以緬甸的通信基站為例進行分析。針對通信基站，油光互補能源系統是通過由光伏組件輸出電力、蓄電池組儲能和柴油機提供輔助電能來為基站供電。合理的系統電路設計能提高太陽能利用率，降低柴油機啟動頻率，節省燃油和維護成本。本能源系統采用光伏發電和柴油機互補發電、蓄電池組儲能的模式。

1)負載功耗需求分析：通信基站處于緬甸的仰光郊區，基站的設備功率為1000 W，每天工作24 h，其每天的電量消耗為：1000×24=24 kWh。

2)蓄電池組容量分析：蓄電池組需提供至少1 天的負載用電量，即24 kWh。為保證蓄電池組使用壽命，其放電深度定為0.7，蓄電池組容量應為24/0.7=34.2 kWh；蓄電池組標稱電壓為48 V，計算得到需采用714 Ah 的蓄電池組，取整數為800 Ah，因此采用2 V、800 Ah 的蓄電池。以24 節蓄電池串聯組成48 V、800 Ah 的蓄電池組，該蓄電池組存儲的電量為38.4 kWh。蓄電池類型采用鉛酸膠體蓄電池。

3)光伏組件裝機容量計算：考慮當地平均有效日照時間為4 h，該能源系統的轉換效率為80%，光伏組件每天至少充滿蓄電池組1/2的電量，因此，光伏組件裝機容量應為：38.4/(4×80%)×1/2=6 kW。

光伏發電系統的設計策略：采用單塊標稱功率為335 W 的晶體硅光伏組件，以“3 串6 并”的方式組成光伏陣列，總裝機容量為6.03 kW，光伏陣列的開路電壓小于150 V，可匹配MPPT 光伏控制器的工作電壓；采用同步整流的高效MPPT光伏控制器，其實測的轉換效率達到98%。盡管環境溫度達到50 ℃，該光伏陣列的最高輸出功率仍可達到5.4 kW，實現了該陣列的最大功率輸出。

油光互補能源系統的管理策略：根據通信基站負載的功率和蓄電池組容量，優化調整柴油機啟、停時的蓄電池組電壓點，設置47 V 為柴油機啟動時的蓄電池組電壓點，54 V 為柴油機停止時的蓄電池組電壓點，從而降低柴油機啟動頻率，節省燃油和維護成本。

本油光互補能源系統的配置如表1 所示。

表1 本油光互補能源系統的配置Table 1 Configuration of diesel-PV hybrid energy system in this paper

2.2 高效MPPT 光伏控制器的設計

2.2.1 硬件設計

MPPT 光伏控制器主要由主功率電路、驅動電路、采樣電路等組成。主功率電路主要完成DC/DC 轉換，將光伏組件輸出的電能轉換后向蓄電池組充電；驅動電路輸出脈沖寬度調制(PWM)波驅動場效應晶體管(MOS)；采樣電路采集光伏組件的電流、電壓，蓄電池組的電流、電壓，溫度等信號，輸入至微控制單元(MCU)的AD 轉換單元；MCU 負責采集數據、處理運算和發送PWM 信號，進行充電控制，具有實現MPPT 控制算法、蓄電池組充電算法等功能。MPPT 主功率電路是光伏發電系統中的前級，是給蓄電池組充電的關鍵環節，通過MPPT 控制算法對光伏組件輸出的電能進行調制，使光伏發電得到最大程度利用。

MPPT 光伏控制器作為光伏發電系統的核心部件，需具有高轉換效率、保護功能齊全、可管理整體能量的特點。在白天光照良好的條件下，MPPT 光伏控制器對光伏組件輸出的電能進行調節和控制，既可將光伏組件所發出的電能供給負載，又能把多余的電能儲存在蓄電池組中。當光伏組件輸出的電能不能滿足負載需要時，可由蓄電池組聯合光伏組件進行供電，也可以單獨由蓄電池組供電。MPPT 光伏控制器具有對蓄電池組的過充保護、欠壓保護、防反接等保護功能。

MPPT 光伏控制器硬件的基本拓撲如圖2 所示。圖中：C1為輸入電容、C2為輸出電容、L1為電感，這3 個元器件具備儲能功能；Q1、Q2均為MOS 開關，驅動電路通過產生不同占空比的PWM 波，控制Q1、Q2這兩個MOS 開關的開關通斷，實現從光伏組件電壓到蓄電池組電壓的轉換和能量傳遞功能。

圖2 光伏控制器硬件的拓撲圖Fig. 2 Topology diagram of PV controller hardware

2.2.2 軟件設計

在MPPT 光伏控制器軟件方面，采用MPPT控制算法，充分利用光伏陣列的輸出功率，通過恒壓控制算法使光伏發電系統實現恒壓目標后，可在最大功率點附近采用擾動觀察法進行下一步工作。與傳統擾動觀察法不同的是，此種算法在外界環境或負載發生突變時，MPPT 控制由恒壓控制算法實現。因此，結合恒壓控制算法的擾動觀察法主要是對最大功率點附近的穩態特性進行優化，其擾動步長可遠小于傳統擾動觀察法中的擾動步長，從而在穩態時可有效減小光伏發電系統在最大功率點附近的振蕩現象。

MPPT 光伏控制器根據光伏陣列的輸出電壓判斷光伏發電系統的工作狀態，具體步驟為：1)若光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設定的電壓之外，執行恒壓控制算法設定的電壓；2)若光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設定的電壓之內，進行小步長的擾動觀察法，逐步調整k時刻的光伏陣列電壓Vk，直到接近光伏陣列的最大功率點電壓Vm，此時光伏發電系統工作在最大功率點。

MPPT 控制算法的流程圖如圖3 所示。圖中：V0為光伏陣列初始電壓；I0為光伏陣列初始電流；P0為光伏陣列初始功率；Ik為k時刻的光伏陣列電流；Pk為k時刻的光伏陣列輸出功率；Vref為恒壓控制算法的參考電壓；dV為擾動電壓增量；D為占空比；Δd為擾動占空比。

圖3 MPPT 控制算法的流程圖Fig. 3 Flow chart of MPPT control algorithm

3 應用效果分析

將本文設計的油光互補能源系統批量應用于緬甸各地的通信基站，以緬甸仰光郊區通信基站的10 個站點(編號為S1～S10)為例，對該能源系統的運行數據進行分析。

應用于站點S1的油光互補能源系統中的光伏陣列裝機容量為6.03 kW，在2021 年4 月16日該能源系統的實時發電數據如表2 所示。應用于站點S1的油光互補能源系統在2021 年4 月16日的實時輸出功率如圖4 所示。

表2 應用于站點S1 的油光互補能源系統在2021 年4 月16 日的實時發電數據Table 2 Real time power generation data of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 on April 16th，2021

圖4 應用于站點S1 的油光互補能源系統在2021 年4 月16 日的實時輸出功率Fig. 4 Real time output power of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 on April 16 th，2021

結合表2 和圖4 可以發現：4 月16 日該能源系統的發電量為26.46 kWh；蓄電池組當天凌晨00:02 的電壓為49.32 V，23:42 時電壓降至49.17 V，但蓄電池組的剩余電量僅從46%下降到45%，這表明光伏發電量與負載用電量之間基本持平，光伏發電量能滿足供電需求；柴油機當日未啟動，節省柴油量為100%。當日MPPT 光伏控制器的最大輸入功率約為3962 W(即光伏陣列的最大輸出功率)，輸出功率約為3897 W，轉換效率高達98%，說明其內部損耗小。

應用于站點S1的油光互補能源系統在2021年4 月1—18 日的日發電量如圖5 所示。

圖5 應用于站點S1 的油光互補能源系統在2021 年4 月1—18 日的日發電量Fig. 5 Daily power generation capacity of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 from April 1st to 18th，2021

由圖5 可知：在4 月1—18 日中該能源系統的日最高發電量為26.46 kWh，日最低發電量為10.46 kWh，日均發電量為21.30 kWh，接近負載的日均耗電量(24.00 kWh)。

4 月1—18 日S1～S10這10 個通信基站的日最大發電量統計結果如表3 所示。

表3 4 月1—18 日10 個通信基站的日最大發電量統計結果Table 3 Statistical results of daily maximum power generation capacity of 10 communication base stations during April 1st to 18th

從表3 可以看出：10 個通信基站中有8 個站點的能源系統日發電量大于24 kWh，達到設計指標，僅站點S4和S6的日發電量低于預期，經后期排查發現發電量低是因為光伏組件受到遮擋，光伏發電系統為非正常工作狀態。8 個站點(不含站點S4和S6)的柴油機月平均啟動頻率均為1 次/天，每次啟動時長均為2 h；每個站點每月柴油消耗量為61 L，對比原來的單一柴油機發電系統( 柴油機每天工作24 h，每月柴油消耗量為680 L)，可節省91% 的柴油消耗量。

將本文的油光互補能源系統與單一的柴油機發電系統的投資效益進行對比，對比結果如表4所示。

表4 兩種供電模式的投資效益對比Table 4 Comparison of investment benefits between two power supply modes

從表4 可以看出：當采用單一柴油機發電系統時，通信基站原配置有1 臺10 kW 的柴油機，每天24 h 處于運行狀態，每月柴油消耗量約為680 L，按緬甸當地的柴油價格5 元/L 計算，每年的燃油成本為40800 元，柴油機運維成本按4000 元/年計算；基站每天耗電24 kWh，5 年的用電量為43800 kWh，5年用電總成本為25.4萬元，平均LCOE 為5.8 元/kWh。

與采用單一柴油機發電系統相比，油光互補能源系統需新增1 套光伏發電系統，成本約為7萬元；每月柴油消耗量約為61 L，相較于采用單一柴油機發電系統時的月柴油消耗量，月均可節省91%的柴油消耗量，每年的燃油成本為3672 元；油光互補能源系統的運維成本按2000元/年計，5 年用電總成本約為12.8 萬元，平均LCOE 為2.93 元/kWh。此外，光伏發電系統每5 年更換一次蓄電池組，成本按3.5 萬元計，10年的平均LCOE 則可降至2.19 元/kWh，僅為單一柴油機發電系統的40.1%。綜上可知，通信基站采用油光互補能源系統的性價比遠高于采用單一柴油機發電系統。

4 結論

本文設計了一種通信基站用油光互補能源系統，將其應用于緬甸的通信基站中，并對其實際工況下的運行數據進行了分析，結果表明：

1)在系統實際運行中，MPPT 光伏控制器的轉換效率可達98%；2)相較于單一的柴油機發電系統，采用油光互補能源系統可將每月的柴油消耗量由680 L 降至61 L，月均可節省91%的柴油消耗量；3)油光互補能源系統的10 年平均LCOE 僅為采用單一柴油機發電系統時的40.1%，具有很高的性價比。

油光互補能源系統可滿足通信基站對低成本能源供應的需求，未來可在中國西部地區、東南亞國家等地進行推廣，契合國家“一帶一路”戰略，在通信能源系統領域具有很好的應用前景。