小議風(fēng)光互補(bǔ)通信基站電源技術(shù)方案
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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(jīng)121.77°~122.25°，東西長46.3km，南北寬25.9km。根據(jù)參考資料，該地區(qū)的風(fēng)力和光伏資源情況如表1所示。由表1可知，該基站風(fēng)力的年可利用能量和可利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)大于光伏，因此，該基站重點(diǎn)以風(fēng)力發(fā)電為主。風(fēng)力發(fā)電可運(yùn)行時(shí)間長，配合移動(dòng)通信基站應(yīng)用，可以做到即發(fā)即用，無需蓄電池存儲(chǔ)，發(fā)電系統(tǒng)利用率高。光伏系統(tǒng)發(fā)電時(shí)間短，但比較穩(wěn)定，配合蓄電池組應(yīng)用充放電模式為通信設(shè)備供電。另外，蓄電池放電后的補(bǔ)充電容量也采用光伏發(fā)電。該移動(dòng)通信基站包括一層機(jī)房和室外鐵塔，太陽能電池板安裝于機(jī)房屋頂平臺(tái)，風(fēng)機(jī)安裝于鐵塔上。光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積約為300m2。
基站負(fù)荷情況因基站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷值與設(shè)計(jì)負(fù)荷值可能存在差異，建議新能源系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對同類型場景在用基站負(fù)荷進(jìn)行實(shí)測，以基站典型負(fù)荷作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。智能通風(fēng)設(shè)備共配置2臺(tái)，考慮到其間歇工作狀態(tài)，因此暫按1臺(tái)設(shè)備估算。傳輸設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備均為基站正常配置。新增風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備，參考基站監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行估算。根據(jù)前述分析，本方案基站設(shè)備以其典型負(fù)荷值為基礎(chǔ)依據(jù)，其他設(shè)備以參考負(fù)荷為依據(jù)，綜合考慮后，基站設(shè)計(jì)負(fù)荷為1635W。另外，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行周期較長，通信設(shè)備可能調(diào)換或者擴(kuò)容，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)容。
蓄電池容量計(jì)算根據(jù)基站業(yè)務(wù)需求、地理?xiàng)l件，結(jié)合風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)以及維護(hù)等方面的情況，確定基站設(shè)備的后備蓄電池組保障時(shí)間為48h。由于目前磷酸鐵鋰電池存在技術(shù)和價(jià)格問題而尚未普及，成熟的光伏控制器和風(fēng)機(jī)控制器都是基于鉛酸電池充放電模式開發(fā)，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(shù)多、使用壽命長、高溫適應(yīng)能力好等特點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板容量配置本方案風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量分兩部分，一部分為基站設(shè)備用電，按風(fēng)光系統(tǒng)日平均發(fā)電水平分比例配置，風(fēng)力供電60％，光伏供電40％；另一部分為蓄電池補(bǔ)充電部分，全部由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供，補(bǔ)充電容量按光伏發(fā)電系統(tǒng)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(bǔ)充電容量按6天充滿核算。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的月平均風(fēng)速、月平均日照小時(shí)數(shù)以及平均風(fēng)速修正系數(shù)等，經(jīng)計(jì)算分析，若要維持基站24h全天候運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池板容量配置應(yīng)如表3所示。
風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)控制策略風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)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(jù)蓄電池的狀態(tài)電壓對各個(gè)控制器輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，詳細(xì)如圖2所示。通信設(shè)備需要連續(xù)穩(wěn)定的電源供應(yīng)，而風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性，因此需要依賴電池才能提供系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，所以電池狀態(tài)是系統(tǒng)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(guān)，控制系統(tǒng)中通過算法推算出電池的容量及狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，除蓄電池放電過低，發(fā)電系統(tǒng)的供電對于通信設(shè)備的用電均優(yōu)于蓄電池的充電。系統(tǒng)控制器通過監(jiān)測電池容量控制風(fēng)光互補(bǔ)控制器的電力輸出，如果蓄電池處于滿容量狀態(tài)，除設(shè)備用電外，需將多余的風(fēng)力和光伏發(fā)電量卸除；如電池容量不足，除設(shè)備用電外，其余的風(fēng)力和光伏發(fā)電量進(jìn)入充電模式；如連續(xù)數(shù)日風(fēng)力和陽光資源不佳，在蓄電池放電至容量過低時(shí)，為保護(hù)電池系統(tǒng)將發(fā)出停機(jī)告警信號，并切斷用電設(shè)備。當(dāng)資源恢復(fù)，系統(tǒng)監(jiān)測到風(fēng)光系統(tǒng)有發(fā)電量輸出時(shí)，即為電池充電，當(dāng)充電至電池容量可用時(shí)，開始啟動(dòng)通信設(shè)備供電。
基站監(jiān)控系統(tǒng)
一般基站均配置動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)以方便維護(hù)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)。海島基站由于新增風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)及人員現(xiàn)場維護(hù)難度大的特點(diǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)需根據(jù)基站特點(diǎn)補(bǔ)充對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各控制器的監(jiān)控，包括風(fēng)力、光伏、氣候監(jiān)測設(shè)備，用于記錄相關(guān)信息等。此外，由于圖像監(jiān)控的優(yōu)勢，機(jī)房內(nèi)、外安裝視頻監(jiān)控設(shè)備分別對通信設(shè)備和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行圖像監(jiān)控。所有機(jī)房環(huán)境監(jiān)控和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)信息經(jīng)基站集中監(jiān)控系統(tǒng)傳送至監(jiān)控中心，供監(jiān)控中心遠(yuǎn)程查看及控制。機(jī)房環(huán)境監(jiān)控和風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行及監(jiān)測信息由于信息量大，監(jiān)控中心存儲(chǔ)不方便，所有原始?xì)v史數(shù)據(jù)均在現(xiàn)場存儲(chǔ)，然后通過無線方式進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢、下載。（1）機(jī)房環(huán)境監(jiān)控機(jī)房環(huán)境監(jiān)控包括對機(jī)房內(nèi)部及外部環(huán)境狀況的監(jiān)控，機(jī)房內(nèi)部環(huán)境狀況包括機(jī)房門禁、門磁、機(jī)房溫度/濕度、煙霧、水浸等；另外，還包括機(jī)房智能通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)房外部環(huán)境狀況主要包括室外溫度、濕度等。通信設(shè)備安裝在室內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池板均安裝在室外，室內(nèi)、外設(shè)備的現(xiàn)場情況可以通過實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。（2）風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)監(jiān)控風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)監(jiān)控主要對發(fā)電運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，主要內(nèi)容包括風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)信息和現(xiàn)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(tài)、電壓、剩余容量、溫度等，風(fēng)力方面主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)控制器輸出電壓、輸出電流、發(fā)電功率、發(fā)電量等信息。光伏方面主要包括光伏發(fā)電模塊運(yùn)行狀態(tài)，光伏控制器輸出電壓、輸出電流、發(fā)電功率、發(fā)電量等信息?，F(xiàn)場可利用新能源監(jiān)測信息包括現(xiàn)場光輻射量傳感器、塔上風(fēng)速儀的現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。本方案利用集中控制器的無線通信模塊實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)和監(jiān)控中心之間的無線通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能獲得電源系統(tǒng)的工作情況和歷史數(shù)據(jù)，如風(fēng)力發(fā)電量、太陽能發(fā)電量、蓄電池充放電歷史、系統(tǒng)故障歷史等。積累的歷史數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)于本地并上傳于監(jiān)控中心，便于數(shù)據(jù)分析，為以后其他站點(diǎn)應(yīng)用做基礎(chǔ)。（3）其他基站配置小型逆變器，用于通信系統(tǒng)調(diào)試、搶修等臨時(shí)用電。
技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)如下。•風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)充分利用海島地區(qū)豐富的自然資源以滿足通信基站的電力需求，相比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電能獲得更穩(wěn)定的輸出，可配備更少的儲(chǔ)能蓄電池。如需達(dá)到更高的供電可靠性，可配置柴油發(fā)電機(jī)，在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)無發(fā)電量時(shí)對基站供電。但柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行后需要維護(hù)和補(bǔ)充柴油，而該海島屬于無人島，維護(hù)困難。•通信基站負(fù)荷連續(xù)平穩(wěn)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在各級控制器調(diào)節(jié)下保證風(fēng)能和太陽能優(yōu)先滿足負(fù)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(bǔ)充。•風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器采用專業(yè)工業(yè)控制器進(jìn)行深度開發(fā)，能保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)的軟件控制充分考慮多種工作情況，采用閉環(huán)控制方式，故障情況下可以自動(dòng)停止運(yùn)行?？刂破饕呀?jīng)通過了實(shí)用化驗(yàn)證，能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。•風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)充分利用可再生能源，該基站日耗電量為40kWh，年節(jié)約市電量14600kWh，在節(jié)能的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)零排放。同時(shí)，該電源系統(tǒng)也為運(yùn)營商節(jié)約了引入市電的投資和系統(tǒng)維護(hù)成本，運(yùn)營商可以很快收回初期投資。
結(jié)束語
在電網(wǎng)無法到達(dá)的海島或山區(qū)等邊遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)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(tǒng)控制就可滿足基站負(fù)荷的需求，并大大減少投資成本和維護(hù)成本。風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)在海島通信基站具有廣泛的應(yīng)用前景，也符合國家實(shí)施節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略需求。
作者：胡燕張子浩馬丹單位：中國電信股份有限公司上海分公司中國科學(xué)院上海高等研究院
