通信基站水氫發(fā)電機(jī)供電方案研究

薛俊偉，劉雨濛

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.暨南大學(xué)，廣東 廣州 510632）

0 引 言

第5代移動(dòng)通信新空口技術(shù)（5G New Radio，5G NR）為應(yīng)用于更多應(yīng)用場(chǎng)景提供了支撐，其服務(wù)范圍將延展至國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的方方面面，改善人們的生產(chǎn)生活方式，促進(jìn)社會(huì)的信息化和工業(yè)化。5G NR因具有低時(shí)延、高速率、大容量和強(qiáng)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，是下一階段移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。5G網(wǎng)絡(luò)深入發(fā)展，將彌補(bǔ)目前在長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)中移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)受到網(wǎng)絡(luò)性能限制而無法完整實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景需求的不足。同時(shí)，豐富的應(yīng)用也要求運(yùn)營(yíng)商加大對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資。

5G高頻網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，需要更多的基站提供信號(hào)連續(xù)覆蓋。基站配套設(shè)施的完善和運(yùn)維能力的增強(qiáng)，將直接影響網(wǎng)絡(luò)效果和通信質(zhì)量，以及基站建成后的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。通信基站的站址應(yīng)該選擇在交通便利、環(huán)境適合和供電可靠的地方。偏遠(yuǎn)郊區(qū)、高山密林和廣闊農(nóng)田等場(chǎng)景存在信號(hào)盲弱問題，嚴(yán)重影響遠(yuǎn)程抄表、無人駕駛以及智慧農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)外電無法進(jìn)入或者進(jìn)入成本高的站點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用水氫發(fā)電機(jī)供電的創(chuàng)新方案。通過對(duì)實(shí)際工程案例中成本、工期以及穩(wěn)定性等因素的分析，驗(yàn)證了方案能夠以較低的安裝和運(yùn)維成本及較短的工期解決疑難站點(diǎn)的外電引入問題[1]。

1 基站配套電源的要求

當(dāng)前我國積極發(fā)展5G，并取得了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。與4G LTE網(wǎng)絡(luò)不同，5G NR涵蓋的頻率范圍包括FR1/Sub-6GHz（0.45～ 6.0 GHz）和FR2/Above-6GHz（24.25～52.60 GHz）。高頻率下網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗加大，要提供高質(zhì)量的連續(xù)覆蓋和容量保證，必須建設(shè)更密集的基站，設(shè)計(jì)更具科學(xué)性的分層疊加型網(wǎng)絡(luò)。配套電源對(duì)站點(diǎn)的投資和工期有較大影響，特別是外電疑難站點(diǎn)問題的解決一直是工程建設(shè)中需要管控的重點(diǎn)。5G基站能耗提高，承載的應(yīng)用更多且重要，對(duì)配套電源的性能參數(shù)和保障能力也有更高的要求。

對(duì)于5G非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）階段的新建基站，交流負(fù)荷要滿足16～20 kW配置，市電引入要采用不小于4 mm×25 mm的銅芯電纜或4 mm×35 mm的鋁芯電纜。環(huán)境惡劣的郊外和山野站，電纜應(yīng)采用水泥包封直埋方式進(jìn)行布放，敷設(shè)基本要求如下：

（1）室外直埋電纜敷設(shè)的深度：人行道最小70 cm，車行道最小80 cm；

（2）電纜上下應(yīng)該均勻敷設(shè)10 cm厚的細(xì)沙或者軟土層作為基層，再鋪設(shè)混凝土、石板或磚等作為保護(hù)層。

另外，外電三相交流電的單相輸入電壓允許在187～243 V波動(dòng)，如果市電不穩(wěn)，需要使用交流穩(wěn)壓器。基站應(yīng)配置1套交直流供電系統(tǒng)，并做好后期擴(kuò)容的冗余配置規(guī)劃。對(duì)于沒有固定油機(jī)的站點(diǎn)，一般要求安裝2組閥控式鉛酸蓄電池組或鐵鋰電池組，以滿足交流斷電后電池放電時(shí)間的要求：市區(qū)基站≥3 h，城郊及鄉(xiāng)鎮(zhèn)基站≥5 h，農(nóng)村及山區(qū)基站≥7 h。

2 水氫發(fā)電機(jī)供電方案

2.1 供電設(shè)備介紹

水氫發(fā)電機(jī)供電主要的動(dòng)力源是水氫動(dòng)力模塊，如圖1所示。這種新能源發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理是將甲醇水燃料轉(zhuǎn)化為氫氣，并通過燃料電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能[2]。反應(yīng)過程解決了質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）中燃料供給的問題，使用甲醇水燃料制取高純氫更加經(jīng)濟(jì)，且模塊提供了可觀的轉(zhuǎn)化率。

圖1 水氫動(dòng)力模塊

水氫動(dòng)力模塊是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有模塊化、無污染、性能高、價(jià)格低、體積小、便捷安裝、方便加料、供電穩(wěn)定以及放電時(shí)間久等特點(diǎn)。對(duì)于配套環(huán)境不允許或者接入外電成本過高的通信基站，使用水氫發(fā)電機(jī)供電是一個(gè)可以嘗試的解決方案。

設(shè)備具有如下性能特點(diǎn)。第一，發(fā)供電高效穩(wěn)定。PEMFC的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%，而一般內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率只有30%左右，同時(shí)甲醇水燃料的價(jià)格低廉，只有化石燃料價(jià)格的40%。第二，運(yùn)行平穩(wěn)無污染。PEMFC在發(fā)電過程中不涉及燃燒，安全可靠無污染。水氫發(fā)電機(jī)除了燃料輸送泵和風(fēng)扇送風(fēng)外沒有其他機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件，工作時(shí)整機(jī)震動(dòng)輕微，聲音強(qiáng)度可以控制在55 dB以內(nèi)。發(fā)電過程中燃料消耗后排放物只含有水和少量二氧化碳，不產(chǎn)生硫化物、氮化物和粉塵顆粒物等有害物質(zhì)，環(huán)境友好。第三，模塊組合成本低。模塊化產(chǎn)品體積小重量輕，可以按需定制，移動(dòng)不受地域條件限制，能在極端環(huán)境下運(yùn)行，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，非常適合安裝于配套困難的基站。模塊可以方便快捷地組裝為所需規(guī)格的水氫發(fā)電機(jī)，運(yùn)行壽命可達(dá)8年以上，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、會(huì)展以及通信等行業(yè)。在基站中使用，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)維護(hù)間隔長(zhǎng)，能有效降低維護(hù)成本。

2.2 供電方案實(shí)現(xiàn)

水氫發(fā)電機(jī)供電可以使用交流和直流兩種方案。傳統(tǒng)的基站交流供電方式需要將水氫發(fā)電機(jī)的輸出進(jìn)行逆變，不僅影響能效，還需要保留配電箱以及進(jìn)行整流輸出，安裝調(diào)試麻煩[3]。采用直流供電只需將交流空調(diào)和照明設(shè)備等換為直流產(chǎn)品，同時(shí)增加水氫發(fā)電監(jiān)控模塊，與原有的基站動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控模塊通信，如圖2所示。

圖2 水氫發(fā)電機(jī)直流供電

為滿足新建基站交流負(fù)荷16～20 kW的配置要求，使用MRFC-EV10（單模塊額定功率10 kW）2臺(tái)組合。模塊質(zhì)量為28 kg，體積為484 mm×280 mm×800 mm，單位甲醇發(fā)電量大于2.2 Wh/g，熱電聯(lián)產(chǎn)效率大于80%，并可即時(shí)啟動(dòng)，滿足基站建設(shè)使用標(biāo)準(zhǔn)。在惡劣環(huán)境、無外電條件下，可以增設(shè)備用燃料箱來增加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，節(jié)省人工成本。需要注意，甲醇燃料箱宜安裝在加料方便處，并做好防震、防盜以及防異物落入的保障[4]。機(jī)房?jī)?nèi)空間不足的情況下，可考慮布放在機(jī)房外，并做好隱蔽。實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)基站用電需求合理設(shè)置冗余燃料箱數(shù)量。

2.3 方案測(cè)試結(jié)果

選擇3個(gè)基站作為通信基站水氫發(fā)電機(jī)供電方案改造點(diǎn)，根據(jù)試點(diǎn)基站運(yùn)行情況得到如下測(cè)試數(shù)據(jù)。

基站A：山站，若引入外電，高壓路由約600 m，高壓施工送電時(shí)間約1個(gè)月，新增變壓器成本47萬元，低壓線路650 m費(fèi)用21萬元，外電協(xié)調(diào)費(fèi)23萬元，合計(jì)造價(jià)91萬元。實(shí)際水氫發(fā)電機(jī)供電20 kW，組裝測(cè)試總時(shí)間3 d，總費(fèi)用46.68萬元。運(yùn)行6個(gè)月共出現(xiàn)停電告警15次，同時(shí)收到電池熔絲告警達(dá)89次。維護(hù)人員核查數(shù)據(jù)后懷疑是系統(tǒng)誤報(bào)。查實(shí)15次停電告警是因?yàn)闄C(jī)房交流空調(diào)當(dāng)時(shí)沒有更換，改造電力時(shí)使用逆變器對(duì)供電系統(tǒng)造成影響。后經(jīng)改造，將交流空調(diào)換為直流空調(diào)后，系統(tǒng)隨后無告警。

基站B：偏遠(yuǎn)農(nóng)場(chǎng)站，業(yè)主無法提供外電引入。水氫發(fā)電機(jī)供電20 kW，組裝測(cè)試總時(shí)間3 d，總費(fèi)用40.13萬元。設(shè)備安裝完成后運(yùn)行6個(gè)月，機(jī)器保持穩(wěn)定運(yùn)行，無停電告警。

基站C：景區(qū)站，若引入外電，高壓路由約1 km，高壓施工送電時(shí)間約1個(gè)月，新增變壓器成本51萬元，低壓線路1.1 km費(fèi)用42萬元，外電協(xié)調(diào)費(fèi)18萬元，合計(jì)造價(jià)111萬元。常規(guī)外電方案無法在基站開通的規(guī)定工期內(nèi)完成，因此使用水氫發(fā)電機(jī)供電。實(shí)際水氫發(fā)電機(jī)供電20 kW，組裝測(cè)試總時(shí)間4 d，總費(fèi)用43.25萬元。設(shè)備安裝完成后運(yùn)行6個(gè)月，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)停電告警。

3 結(jié) 論

通信基站水氫發(fā)電機(jī)供電方案在傳統(tǒng)市電引入成本高、引入工期長(zhǎng)的情況下，可以用很低的造價(jià)和很短的工期完成機(jī)房電力的改造，實(shí)現(xiàn)基站穩(wěn)定運(yùn)行。PEMFC以甲醇為燃料，成本低廉、綠色環(huán)保、能效極高，只需要每60 d左右進(jìn)行一次人工燃料添加。5G基站對(duì)于配套電源有更高的要求，在偏遠(yuǎn)郊區(qū)、高山密林以及廣闊農(nóng)田等場(chǎng)景，外電的進(jìn)入比較困難。配合水氫發(fā)電機(jī)供電方案，可以在這些環(huán)境下快捷地實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。