離網太陽能發電系統在高寒地區5G基站中的應用

郭彥申，李進壯，張 遷，陳美伊，李琳駿（.中國人民解放軍6095部隊，遼寧沈陽 0005；.中國電子科技集團公司第8研究所，江蘇南京 0005）

0 前言

5G 技術在增強移動寬帶、海量機器通信及超可靠低時延維度具有優異性能，大量面向未來新業務正在被業界關注，如邊緣計算、4K 超高清實時視頻、遠程醫療等，為此，5G 部署在全國區域加速推進。5G 時代的新頻新技術、站點新增和服務器從數據中心下沉基站等新科技將對通信電源產生影響，5G 新增功耗對站點整個供電系統提出新挑戰。而藏北、疆南等廣大區域許多地方沒有市電機房等基礎設施比較落后，因此，如何在邊疆地區建設安全、可靠的電源系統是5G建設面臨的一個重要考驗。筆者根據前期高原地區相關經驗，討論在高寒無市電地區建設5G 基站的供電問題，并就其關鍵技術進行論證。

1 供電需求及存在的主要問題

1.1 5G基站的供電需求

由于需求變化，5G 基站耗電量與之前比呈數倍增長，已遠遠超出預期。根據中國電信及中國移動實測，一頻5G 設備功耗為同配置4G 設備的300%～500%。其中5G BBU功耗約為300 W，AAU在30%帶載率下功耗約900 W（峰值功耗為1 200～1 400 W）。各頻功耗如圖1所示，從中可得5G基站實際負荷情況。

圖1 5G基站設備功耗測算

目前典型功率為5.9 kW、峰值功耗為7.3 kW，未來3 年當5G FR1 部署完成后基站典型功率為10.4 kW、峰值功耗為13.7 kW，未來5 年隨毫米波及新技術在現有頻段的應用，基站典型功率為13.4 kW、峰值功耗為18.9 kW。

1.2 高寒地區供電等基礎條件狀況

我國疆南、藏北等地區地域廣漠，基礎設施落后，很多地方至今沒有市電，不具備市電引接條件或引入市電成本巨大。同時當地太陽能資源豐富，年平均日照時數都在3 200 h以上，當地的居民主要是采用太陽能光伏發電系統解決日常的照明、生活用電。同時由于受高海拔影響，空氣稀薄導致氣壓低，常年溫差大、冬季寒冷。毫無疑問在此地區建如此大功耗5G 基站的供電系統確實面臨挑戰。

2 高寒地區5G基站的供電模型

2.1 供電系統方案

根據現行通信行業通信局（站）電源系統設計規范要求，5G 基站的供電系統要滿足基站設備、傳輸設備的不間斷供電，同時還要提供一定的可短暫斷電的建筑負荷，保證機房溫濕度等基礎條件。根據上述要求，5G 基站的通信負荷近期在8 kW，遠期達到20 kW，這已遠遠超過了傳統基站的容量。同時還應解決冬季機房寒冷問題。

針對高寒地區基礎條件，考慮建設離網型太陽能發電系統，靠太陽能發電解決5G 基站的供電問題，同時考慮邊境地區的特殊狀況及太陽能供電的不穩定性，系統具備油機電輸入接口。系統由太陽能方陣、太陽能控制單元、AC/DA 變換單元、控制單元、儲能單元、逆變單元、配電單元和輔助加熱幾部分組成，標稱直流輸出電壓優先選用-48 V系統，整體構架如圖2所示。

圖2 離網型太陽能發電系統構架

太陽能方陣是系統的發電單元，主要功能是把太陽能轉換成電能，其核心部件是太陽能電池組件，同時配置支架、直流匯流箱等裝置。目前太陽能電池組應優先選用轉換效率高的單晶硅太陽能電池組件。

太陽能控制單元主要是把太陽能方陣發的電變換為直流電源，當前太陽能控制單元主要有逐級投入型、脈寬調制型和變換穩壓型，其中變換穩壓型應用較多。AC/DA 變換單元主要是把普通交流電整流變換為-48 V 直流電源，以備連續陰雨天數超出常規時間或特殊情況下引接備用油機等。監控單元是整個系統的神經中樞，主要是對太陽能、交流電源輸入進行綜合管理，對儲能單元進行充電、對設備進行供電；實現輸出負荷與輔助加熱設備通信聯動，確保實際負荷與設計負荷出現誤差時機房的溫度滿足要求；實現太陽能控制器及逆變器的通信聯絡，確保在兩者同時工作時不對儲能單元過充電。太陽能控制單元、AC/DA 變換單元和控制單元應采取一體化、模塊化冗余結構。

儲能單元是整個系統的能量貯存站，在晚上及連續陰雨天等無足夠太陽光情況下放電確保為負載供電。儲能設備目前可選的主要有鉛酸蓄電池組及磷酸鐵鋰電池組，鉛酸蓄電池組優點是技術比較成熟、可靠性比較高，缺點是有污染、功率密度低、高溫時壽命低及低溫時容量變小，磷酸鐵鋰電池優點是功率密度高、壽命長、適合充放電工作方式，缺點是初期成本高，同時在過低環境工作控制電路容易受到保護而直接停止工作，為此，高寒地區的儲能單元應優先選用鉛酸蓄電池組，特別是近年新推的閥控式密封鉛碳蓄電池組，以其充放電次數壽命長而廣泛適用。

輔助加熱單元設置主要考慮利用5G 基站設備正常工作散發的熱量并增加輔助加熱設備，解決室內取暖問題。輔助加熱單元以阻性為主，通過控制裝置實現設備功耗的變化及輔助加熱的平衡實現機房溫度調節。

2.2 供電系統配置模型

5G 基站用離網型太陽能發電系統配置模型主要解決設計負荷容量、供電系統配置。

設計負荷容量的確定：5G 基站目前峰值功耗為7.3 kW，遠期功耗為18.9 kW?？紤]到機房照明、插座及保持基礎環境需要的能量問題，根據現行國家設計規范測算，其設計負荷容量取基站功耗的1.5～1.8倍為宜，按1.6倍計取，則5G基站的設計功耗近期按不小于11.68 kW，遠期功耗不小于30.24 kW設計。

發電系統配置：主要是太陽能方陣、控制單元、整流變換單元及備用蓄電池組配置。太陽能方陣串并聯問題、控制器及逆變器配置目前技術成熟，這里主要討論太陽能方陣、后備電池組配置問題。

太陽能方陣及備用電池組的配置主要與負荷容量、當地日平均日照時數、最長連續陰雨天數及太陽能控制單元的直流允許輸入電壓等因素有關?，F行國標GB 51194-2016 附錄A 給出了太陽能方陣的容量計算方法，但該方法主要是考慮全年太陽能發電量及全年的需求，沒有考慮日平均日照時數在不同月份的差異性，沒有考慮全年的連續陰雨天數情況，按該模型配置可能導致日平均日照時數長的月份負荷容量過剩，日平均日照時數小的月份及連續陰雨天時負荷容量不能滿足要求，為此，筆者考慮太陽能容量方陣以日平均日照時數為基準進行設計，提高發電系統準確度。

系統配置應同時滿足下列條件。

a）太陽能方陣在1個日平均日照時數內產生電量應滿足在連續陰雨天內設備供電需要，并能實現對電池組正常充電。

b）太陽能方陣功率應與負荷功率及備用蓄電池組的充電功率相匹配。蓄電池組10 小時率充電電流遠大于負荷電流時正常按20小時率充電，最大充電電流不大于3倍10小時率充電電流。

c）后備蓄電池組的容量能夠滿足負荷在一個連續陰雨天內負荷供電要求，標稱電壓滿足直流輸出要求。

d）太陽能方陣的輸出電壓應能與太陽能控制器的輸入電壓要求相匹配。

e）AC/DC 變換器的容量滿足負荷功率及備用電池的最大充電功率。

f）容量考慮一定的安全系數，模塊化配置要具備冗余功能。

根據上述原則及現行規范要求，配置的鉛碳蓄電池組的計算容量模型可簡化為：

式中：

Q10——蓄電池組的計算容量

K——蓄電池組的安全系數，取1.25

P——基站室外設計功耗（W）

T——后備時間，按最長連續陰雨天取值（h）

μ——放電系數，由于連續陰雨天數一般在數天，放電系數取1

U——太陽能發電系統蓄電池組放電時直流輸出電壓（單體按1.80 V），-48 V系統的U取值43.2 V

α——電池組溫度系數，取0.006

t——電池機房溫度（℃）

則蓄電池組的配置容量為計算容量取整，并參考蓄電池組的容量系列選取，記作QP10。

根據上述原則及現行規范要求，蓄電池組的充電電流按20小時率考慮，則太陽能方陣系統計算容量模型可簡化為：

式中：

Pmax——太陽能方陣的系統計算容量（Wp）

ε——充電安全修正系數，建議取0.85

Uf——單體電池的浮充電壓，取2.35

Tmax——當地的平均日照時數，查閱當地氣象條件

η——太陽能控制器的系統轉換效率，參見YD/T 3087-2016

δ——太陽能方陣及線路的折損率，一般取0.85～0.95

考慮到通信負荷設計值往往小于實際值，蓄電池組均衡充電的最大電流不允許大于3倍的10小時率充電電流，為此，蓄電池組容量配置需要校核修正。修正模型Δ為：

式中：

β——負載系數，考慮通信負荷的設計負荷與實際負荷差距，一般取0.5～0.9

計算Δ值，當Δ大于零時應放大蓄電池組的配置容量，直到小于0為止。

2.3 高寒地區工程實施中的特殊要求

高寒地區由于條件環境比較嚴酷，5G 基站供電系統方案配置實施中還應根據實際情況進行修正。首先，由于高寒地區寒冷、空氣稀薄，相關器件、設備不同與內地，為此，應選用高原地區專屬產品或平原地區產品進行降容處理。其次，應考慮太陽能方陣及備用電池組的安裝布置，確保滿足供電效果及機房承重要求。最后還應考慮防雷接地及冬季太陽能方陣的自動融雪等問題。

3 典型實例

下面以在前期工程中實施的西藏自治區阿里地區某機房工程為例，該機房雖然不是5G 基站，但供電需求相近。

基本條件：常年有斷續的市電，達不到三類市電標準；機房面積為30 m2；機房溫度按25℃考慮；海拔高度為4 036 m；日照時數為6.85 h；連續陰雨天數為36 h。

安裝傳輸設備、網絡及綜合監控供電，總負荷為8 kW，傳輸設備1 kW 為直流負荷，其他為交流負荷。綜合考慮，直流負荷48 V/2 kW，總設計負荷為11.2 kW。系統配置如表1所示。

該工程于2017 年年初竣工，實際IT 負荷正常在6 kW 左右，比設計負荷略小。系統建成后連續可靠運行，完全滿足設備需要，冬天設備運行正常，沒有啟動過備用油機。

表1 發電系統配置

4 結束語

高寒地區5G 基站離網太陽發電系統可以很好解決基站供電問題，但是受到太陽光強度、連續陰雨天數等不確定因素制約，為此，該地區預留備用油機電接口也是必須要考慮的因素。同時離網太陽能電站初次投資規模比較大。