低溫鈦酸鋰風光儲綜合能源直流并網(wǎng)系統(tǒng)在基站節(jié)能中的應用

潘全亮

（上海置信能源綜合服務(wù)有限公司，上海 200335）

0 引 言

5G基站建設(shè)是國家“新基建”的7大領(lǐng)域之一。當前三大運營商都在加大5G基站布局，隨著5G基站建設(shè)，西部欠發(fā)達地區(qū)通信基站面臨著持續(xù)穩(wěn)定供電的壓力，同時運營商面臨節(jié)能降耗、節(jié)約運營成本、轉(zhuǎn)供電成本高昂以及基站能耗計量結(jié)算依據(jù)不清晰等困境[1,2]。如何為偏遠及高原地區(qū)基站提供穩(wěn)定的供電方案，是目前通信基站發(fā)展的主要關(guān)注點之一。

四川甘孜鐵塔實驗項目位于四川甘孜藏族自治州折多山觀雪臺鐵塔機房，海拔約為4 300 m，日照資源豐富，全年日照時間為1 500 h以上，冬季最低氣溫為-25 ℃，周圍為牦牛放牧草場，農(nóng)配電供電不穩(wěn)定[3]。通過在基站建立低溫鈦酸鋰風光儲綜合能源直流并網(wǎng)系統(tǒng)，將光伏、風電、低溫鈦酸鋰儲能電池進行有機融合，采用基站直流母線并網(wǎng)，避免常規(guī)光伏發(fā)電采用DC-AC-DC供電模式造成的多余電能轉(zhuǎn)換損失，為基站提供更高效節(jié)能的直流供電方案。系統(tǒng)可孤島運行，采用多元化分布式供電系統(tǒng)，提高基站電網(wǎng)供電的可靠性，改善電能質(zhì)量。通過網(wǎng)頁端和手機端App監(jiān)控實現(xiàn)基站電源的遠程管理；采用柔性組件減少項目鋼架投入，降低人力搬運成本；采用低溫鈦酸鋰電池以實現(xiàn)在高原低溫極端條件下電池的正常放電，項目設(shè)計及技術(shù)闡述如下[4]。

1 技術(shù)方案

1.1 儲能負載計算

根據(jù)對川西高原地區(qū)甘孜等地基站的調(diào)研，300 W功率負載在陰天無光伏發(fā)電、無風力發(fā)電等極端惡劣情況下要維持基站正常工作3天，電池裝機容量應為 300 W×24 h×3 d/（0.77×1 000）≈ 28 kVAh，即需配置約28 kVAh的儲能電池。

1.2 儲能電池的選擇

考慮到當?shù)貫楦咴貐^(qū)，其冬季極端氣溫近-25 ℃，夏季也面臨高溫等情況，因此需選擇滿足工作環(huán)境要求的電池系統(tǒng)。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，鉛酸電池能量密度太低、壽命太短；三元鋰電池熱安全性較差；磷酸鐵鋰電池在低溫條件下充放電性能變差且低溫加熱方案存在加熱耗能及熱失控的風險；鈦酸鋰電池具有良好的低溫工作性能及極高的安全性能[5]。綜合考慮采用鈦酸鋰電池，其使用壽命是磷酸鐵鋰使用壽命的5倍以上，并具有10 C的充放電倍率，且不燃燒、不爆炸，安全性高，可滿足本項目需求[6]。

儲能組包方案為采用48 V系統(tǒng)，選用21節(jié)串并聯(lián)方案，28 A·h低溫鈦酸鋰電池，總電量為28 kVAh，標稱電壓為2.30 V，可選 C60138或60160規(guī)格型，工作溫度范圍為-45～45 ℃，放電深度80%。綜合考慮冗余，本項目選用77%的放電深度進行電池設(shè)計，最大充放電倍率為10 C，配置鈦酸鋰電池專用電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）模塊監(jiān)控每一組電池電壓和內(nèi)阻，可通過電壓和內(nèi)阻的變化判斷該電池的化學性能，并能通過BMS模塊進行單組電池的電池均衡，具有微型EMS電池管理功能，能定期進行充放電管理[7]。此外，鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命≥20 000次，電池的初始內(nèi)阻≤0.6 mΩ，放電終止電壓 1.5 V。

1.3 光伏裝機容量計算

光伏裝機容量的計算需根據(jù)基站負載確定，采用光伏供電作為主發(fā)電電源、風力發(fā)電作為補充電源的模式，根據(jù)負載電流反向計算，發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量需要滿足日間負載使用以及儲能充電的裝機要求，需因地制宜根據(jù)每個站點的地形特點進行光伏系統(tǒng)設(shè)計，并結(jié)合當?shù)靥鞖馇闆r進行裝機容量的冗余調(diào)整[8]。

1.4 風力發(fā)電機選擇

風力發(fā)電機安裝先進行風電場的選址，因本項目風場選址需就近安裝，綜合考慮地理位置、海拔高度等自然條件，結(jié)合交通運輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施條件，山頂因運輸及動荷載原因不宜安裝過大的風力發(fā)電機，初步選型采用風機裝機容量為2 kW。風力發(fā)電機的布置避開樹木及桿塔線路，并預留足夠的旋轉(zhuǎn)半徑及檢修半徑，為了便于安裝，桿件可采用組合式，配置地籠進行混凝土基礎(chǔ)澆筑，采用拆卸式多節(jié)桿件或可放倒式三角支架安裝，便于運維人員后期維護[9]。

1.5 電氣拓撲結(jié)構(gòu)圖

分布式光伏發(fā)電采用自發(fā)自用、直流并網(wǎng)方式，光伏系統(tǒng)直接通過最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）太陽能控制器輸出直流 48 V電壓，通過直流電纜經(jīng)保護空開匯入基站直流母線，風力發(fā)電機采用48 V系統(tǒng)接入?yún)R流母線。光伏發(fā)電系統(tǒng)及風力發(fā)電系統(tǒng)不經(jīng)DC-AC-DC轉(zhuǎn)換，采用MPPT控制器直接為設(shè)備及負載供電。經(jīng)計算及測試，MPPT系統(tǒng)采用最大電量跟蹤效率比傳統(tǒng)的DC-ACDC轉(zhuǎn)換綜合效率提高約10%[10-12]。直流方案拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流方案拓撲結(jié)構(gòu)

1.6 主要設(shè)備配置及組成

本項目主要設(shè)備組成有光伏組件、MPPT太陽能控制器、風力發(fā)電機、風力發(fā)電機控制器、BMS電池管理模塊、低溫鈦酸鋰電池組串、直流母線、4G信息傳輸模塊、鋼制支架以及電纜等。

1.6.1 光伏系統(tǒng)

本項目選用320 W單晶硅疊瓦光伏組件，單體組件工作電壓為37 V，額定電流為8 A，采用3串10并的組串方案，組串后電壓約為111 V，最大電流為24 A，經(jīng)過并聯(lián)后利用合路器接入MPPT太陽能控制器，接入的原則為組串電流總和不超過控制器電流規(guī)格，控制器輸出經(jīng)保護開關(guān)并聯(lián)接入基站直流母線。

柔性光伏組件在高原地區(qū)應用可有效降低項目的整體成本，在既有基站或新建基站場所已經(jīng)具有屋頂?shù)幕荆瑑?yōu)先采用柔性光伏組件，可以減少鋼架安裝規(guī)模，降低項目建設(shè)成本，不具備屋頂安裝條件的基站可采用常規(guī)光伏組件，利用鋼支架安裝，為防止草原動物及人員對發(fā)電系統(tǒng)的破壞，光伏板架空高度宜大于 3 m。

1.6.2 MPPT太陽能控制器

MPPT太陽能控制器光伏輸入端耐壓150 V，最大直流輸出為100 A，具備44～57.6 V自適應電壓輸出標準，兼容原有基站電池系統(tǒng)并新增鈦酸鋰鋰電系統(tǒng)。輸入輸出端具有過欠壓保護、防反接保護、電池溫度保護、機器溫度保護以及負載過流保護，具備4G通信傳輸功能、發(fā)電量計量功能以及本地調(diào)試管理功能，可遠程進行管理，實時存儲數(shù)據(jù)。

光伏裝機容量為9.6 kW，通信基站為48 V直流系統(tǒng)，為滿足設(shè)備穩(wěn)定及散熱要求，綜合考慮冗余后選擇配置3臺100 A的MPPT太陽能控制器。

1.6.3 風力發(fā)電機

風力發(fā)電機額定功率為2 kW，額定電壓為48 V，風力發(fā)電機啟動風速為2.5 m/s，額定風速為11 m/s，安全風速為45 m/s，具有超速自動剎車功能，主機重量為55 kg，風輪直徑為3.4 m，葉片數(shù)量為3。葉片材質(zhì)采用尼龍纖維材質(zhì)，配置電磁制動，工作溫度滿足-40～80 ℃。風力發(fā)電機連接風機控制器，桿件高度為5 m，配合拉索地籠安裝，地籠根據(jù)風力發(fā)電機出廠要求預埋，風力發(fā)電機的施工需充分考慮靜荷載和動荷載的安裝要求，確保風力發(fā)電機運行期間牢固可靠。

1.6.4 通信模塊

通信模塊是用于現(xiàn)場信息采集和遠程管理的傳輸媒介，可搜集儲能電池狀態(tài)、光伏系統(tǒng)發(fā)電狀態(tài)、風力發(fā)電機狀態(tài)、BMS充放電狀態(tài)，進行充放電電流、輸入輸出端電壓、日發(fā)電量和總發(fā)電量、運行狀態(tài)及故障狀態(tài)的監(jiān)測，信息上傳至綜合能源管理云平臺。數(shù)據(jù)通信模塊可選方案包括4G傳輸模塊、GPRS模塊、WiFi模塊，目前國內(nèi)基站的GPRS通信半徑約為5 km，4G基站覆蓋半徑約為2 km，考慮通信費率及網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，在現(xiàn)場具有4G信號的情況下首先選擇4G傳輸模塊，其次選擇GPRS傳輸模塊。

2 系統(tǒng)云服務(wù)架構(gòu)

本項目所采用的云服務(wù)架構(gòu)是利用基站能源綜合管理平臺，在硬件配置上通過4G模塊進行綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。光伏發(fā)電及風電系統(tǒng)的發(fā)電信息通過RS485通信傳輸至4G模塊，由4G模塊利用公網(wǎng)傳輸至云服務(wù)器，云服務(wù)器接收并存儲數(shù)據(jù)，用戶端采用網(wǎng)頁瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server，BS）終端進行管理或通過App終端進行管理。風光儲云服務(wù)器作為App終端訪問的主服務(wù)器，本地服務(wù)器作為輔助服務(wù)器，通過對云服務(wù)器的管理定期進行本地數(shù)據(jù)備份及遠程數(shù)據(jù)維護，實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、計量、分析以及電池管理等功能。還可通過App及網(wǎng)頁端于調(diào)度監(jiān)控中心進行系統(tǒng)控制，系統(tǒng)具有API接口可共享開放協(xié)議，同時具備其他系統(tǒng)接入功能，能夠接入中國鐵塔基站動環(huán)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)云服務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)云服務(wù)架構(gòu)

3 結(jié) 論

本文通過對西部地區(qū)基站供電系統(tǒng)的分析，設(shè)計一套低溫鈦酸鋰風光儲綜合能源直流并網(wǎng)系統(tǒng)，研究了穩(wěn)定可靠的基站供電系統(tǒng)。結(jié)果表明，低溫鈦酸鋰風光儲直流并網(wǎng)系統(tǒng)相比交流發(fā)電系統(tǒng)在電源效率轉(zhuǎn)換上減少了一次電能轉(zhuǎn)換，可避免交流系統(tǒng)多次轉(zhuǎn)換造成的能量損耗。直流發(fā)電方案的綜合效率更高，系統(tǒng)設(shè)計具有更好的經(jīng)濟性。

在國家雙碳戰(zhàn)略目標指引下，清潔能源供電已是大勢所趨，基站綜合能源供電系統(tǒng)可通過頂層規(guī)劃、分步實施的方式有序推進西部欠發(fā)達地區(qū)基站清潔能源供電，本設(shè)計在為基站提供安全可靠清潔能源供電的同時，也為基站電力需求側(cè)響應提供了降本增效的新思路，在川藏高原地區(qū)具有較大的推廣意義。