QTX訓練場風光互補供電系統建設策略

李燕春，謝家林，樊成軍

（1.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310013；2.上海復旦大學航空航天系電子信息系，上海 200433；3.寧夏回族自治區無線電管理委員會辦公室，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

QTX訓練場地處荒漠，屬于戈壁地貌，太陽能資源豐富，年日照小時數介于2 250～3 100 h，是我國光照資源最豐富的區域之一。同時訓練基地地域開闊，年有效風速小時數為8 128 h，場區邊緣便是寧夏回族自治區最大的風力發電場之一，風能資源集中。風能與太陽能在晝夜能量的互補性給場區建設風光互補發電系統帶來了天然的優異條件，但由于自然條件的不確定性導致了發電與用電負荷的不平衡，因此必須對其進行有效轉化、存儲與控制才能實際使用。兩者相互配合利用、因地制宜，充分利用它們在發電效率上的時間差，從而建立起更加經濟、穩定的供電系統。隨著風光發電產業技術日趨成熟以及行業政策的積極引導，建設成本快速下降，使得新能源的應用更加廣泛。

從施工難度上考慮，訓練場區地處荒漠地帶，遠離國家電網的偏遠地區，戈壁荒漠區域建設成本和維護成本高，同時市電引入工程為直埋或架空線纜對作戰演練帶來了隱患。風光互補發電系統充分發揮場區自然資源，擺脫了對傳統資源的依賴，提升了基站通信的節能環保性能[1]。

1 場區風光互補發電系統架構

離網型風光互補系統中，風力系統和光伏系統產生的能量經過各自的控制器變壓和整流后，將風能和太陽能以交直流電的形式輸送到匯流箱，并由瞬間能耗大小決定匯流箱上的電流方向。當風光互補系統發電量大于負載所需的電量時，則通過匯流箱將多余的能量送到蓄電池中儲存，當風光互補系統發電量小于負載所需電量時，蓄電池將能量轉換為直流電，從而為各負荷提供電能。

同時，蓄電池的充放特性還具有穩定匯流箱電壓的作用。蓄電池作為系統的儲能裝置，合理的控制其充放電深度，可極大提高使用壽命。因此對風能和太陽能發電容量估計及發電控制、蓄電池容量配置等幾方面進行研究，使容量配置相適[2]。風光互補系統結構如圖1所示。

圖1 風光互補系統結構

風光互補發電系統中的核心組件為電流控制器，它能自動控制光伏電池板和風力發電機所發的電能，將調整后的能量輸往直流或交流負載，如有多余的能量則按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電。當所發的電不能滿足負載需要時，控制器將蓄電池儲存的化學能轉化為電能為負載供電。當蓄電池充滿后，控制器要及時泄能，防止蓄電池被過充。當蓄電池所儲存的放電深度達到閥值時，控制器要保護蓄電池不被過度放電，保護蓄電池。當發電系統發電量超過蓄電池存儲容量時，控制器必須將多余的能量消耗掉。

傳統的控制方式是簡單地將假負載接到控制單元上，或將部分光伏發電板直接物理斷開，從而減少發電量。這種粗略的控制方式對蓄電池的充放沒有精確管控，多數情況下蓄電池還沒有充滿，能量卻消耗在假負載上，從而造成能量的浪費。相對好點的做法是分層接上假負載，層次越多，步長越精細，控制效果越好，但受制于物理空間約束，一般只能做到有限的五六級，效果仍不理想。最好的控制方式是采用脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）進行柔性控制，通過微處理器不斷變換充電間隔，充電電壓始終穩定在蓄電池的浮充電壓范圍內，只是將多余的電能釋放到假負載上，從而保證最佳的蓄電池充電特性[3]。一款優秀的風光互補控制器的核心器件采用微處理器實時檢測蓄電池的儲能狀態，精確控制蓄電池的充電電壓和電流，使得外圍結構簡單，且控制方式和控制策略靈活強大，從而延長蓄電池的壽命。

2 太陽能發電容量計算

場區建設通信機房設備的典型功耗約為2.4 kW，綜合考慮到現有設備功耗及預留未來設備擴容需求，本次建設供電系統建設容量為6 kW，不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）和油機確保在重大活動時，蓄電池耗盡前有足夠的時間去現場啟動油機應急供電。

QTX訓練場區是全國太陽能資源開發綜合條件優勢的地區之一，年日照時長均大于3 000 h，經查詢氣象軟件Meteonorm7的太陽能輻射數據如表1所示。

表1 Meteonorm7太陽能輻射量

根據上述從權威Meteonorm7氣象軟件上可以查詢到每個月的太陽能有效輻射量，本地區的全年有效輻射總量為1 909 kW·h/m2，換算成平均日有效輻射量約為達到5.23 kW·h/m2。該值是在太陽能方陣仰角為40°時的有效值[4]。

太陽能發電功率計算公式為：

式中，S光為太陽能組件核算功率；J為冗余系數，本次取值為1.1，約有10%的冗余；S為單塊組件發電量，本次取值為440 W；D為平均日有效輻射量，通過查詢得知QTX訓練場區的平均日有效輻射量為5.23 kW·h/m2；η為太陽能組件部分工作效率，太陽能組件冗余系數取0.85；N為配置光伏組件板數量，QTX場區建設方案擬采用每陣列選配4塊功率為440 W/36 V的單塊組件串聯后組成陣列，每10個陣列并聯組成一個系統。

3 風機發電容量計算

QTX訓練場區地處西北內陸，每年冬春季風力最強，場區處于賀蘭山腳下，屬于寧夏風力資源最豐富的3大風電場之一，風力最大可達7～8級，最大風速可達30 m/s，場區內無臺風，最大風速在風力發電機葉片可承受的范圍內。由賀蘭山風塔監測情況可知，該區域主風向和主風能方向一致，以西北風的風能最大，頻次最高，風向穩定，春季大，秋季小。QTX訓練場區實測數據表明在10 m和50 m高度處的年有效風速時數分別為 8 128 h 和 8 277 h，風速頻次分別為 5.0 ～6.0 m/s和7.0～8.0 m/s，無破壞性風速，風速年內變化小，年平均風功率密度為210 W/m2和460 W/m2。根據表2《風電場風能資源評估表》判定該風場風功率密度等級為4級，適合采用風力發電[5]。

表2 風電場風能資源評估

風力發電計算公式為：

式中，S風為風機核算功率；?為風機啟動效率，氣象條件評估為70%；Y為當地年平均有效小時數，QTX訓練場區風機掛高約為 10 m，取 8 128 h；P為風力發電機的額定功率，本次建設采用額定功率為5 kW的風機。

通過上述風光互補發電容量測算，新建風光互補系統全天發電總容量為：

為保證機房24 h不間斷供電，風光互補發電總容量需大于機房設備總能耗。機房總能耗為：

式中，E為機房設備能耗；S為機房設備峰值功率，取值為6 kW；t為工作時長，取值為24 h；μ為負載系數,取設備功耗標稱值的80%。在具體建設方案上，可采用4塊功率為440 W/36 V的單塊組件串聯后組成一組陣列，每10個陣列并聯在一起組成一個系統，提供71.1 kW的光伏發電容量。風力發電采用額定功率為5 kW的小型風力發電機，提供的發電容量為77.9 kW，同時將原有的3 kW光伏供電系統進行維護、保養后并入新建風光互補發電系統中，提高系統整體的穩定性。

4 蓄電池容量計算

在整個風光互補系統建設中，蓄電池是風光互補發電系統中關鍵部件之一，占整個發電系統成本的大部分，因此合理設計蓄電池容量對使用壽命至關重要。在太陽能風光互補系統中，一般來說，蓄電池的儲能要大于設備的功耗，這樣才能保證系統正常工作[6]。蓄電池組容量的計算公式為：式中，Q為蓄電池容量；K為保險系數，一般取1～1.25，本次取值為1.1；I為負載電流，取整為50 A；T為蓄電池最大持續供電時間，本次設定為8 h備電；φ為蓄電池放電深度系數，取0.5；t為環境溫度，因機房安裝空調，故本次取蓄電池工作溫度為15 ℃。

5 風光互補發電系統建設策略

目前，研究風光互補發電系統穩定性的兩個關鍵問題是風光互補發電容量規劃及小型風力發電機可靠性問題[7]。

5.1 發電容量規劃

風光互補系統容量規劃應考慮負載用電特征和當地太陽能、風能的資源狀況等因素的影響。同時要為負載提供可靠穩定的電力，就必須對機房內設備功耗特征做完整的統計，計算所有設備的最大功耗和平均功耗，統計出日平均用電量和最大用電量，最大用電量是選擇逆變器容量的依據，日平均用電量則是選擇風機功率、光伏組件和蓄電池組容量的依據[8]。項目實施地的太陽能和風能資源狀況是光伏組件和風機功率選擇的重要依據，一般根據氣象條件來確定光伏組件數量和風機類型，再按負載的日用量考慮安全冗余系數，最后設計整體組網方案。

5.2 風機可靠性設計

小型風機經過幾十年的發展，技術上有了長足進步，產業鏈日趨成熟，但可靠性一直沒有得到有效解決。出于成本的考慮，項目建設中很少采用先進的液壓控制技術，只是根據空氣動力學原理，采用簡單的機械控制方式對小型風機在大風狀態下進行限速。機械限速結構的特點是小型風機的機頭或某個部件處于動態支撐狀態，這種結構在風洞試驗條件下，可以反映出良好的限速特性，但場區內自然環境惡劣，風速風向存在很大的變化性和隨機性，風機轉向很難適應惡劣的自然環境，轉軸轉速變化劇烈，使得動態支撐部件不可避免地會引進振動從而造成結構件的損壞[9]。

目前，業界共識是風機的運動部件越少，可靠性越高。小型風力發電機主要由3個運動部件組成，一是驅動發電機主軸旋轉的風輪，二是尾翼驅動風機的機頭偏航，三是葉輪側偏限速部件。風輪和尾翼運動部件不可缺少，這也是風力發電機的基礎，實踐中運動部件故障率并不高，主要是限速保護機構損壞的情況多。因此，在風速較大時，特別是蓄電池已經充滿的情況，應采用手動剎車機構或采用側偏停機等人工控制風力機停機[10]。

6 結 論

風光互補發電系統作為邊遠通信基站的獨立系統，除了需要提供不間斷的電力能源，并對發電容量和自然資源條件進行詳細的評估外，對蓄電池依賴性也很強，蓄電池是保證風光互補發電系統穩定和持續運行的關鍵部件。采用膠體蓄電池可以明顯延長蓄電池的使用壽命，提高蓄電池深度充放電恢復性和次數，同時由于風光發電的隨機性、波動性的特點，需要對電池的充放電進行有效的管理，采用脈寬調制技術控制蓄電池充放電對延長蓄電池使用壽命不失為一種有效的管理手段。