通信基站用油光互補能源系統(tǒng)的研究

陸運章，張佳亮，蔣 超，郭 進，周 蒙，何 峰

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人們對通信網(wǎng)絡尤其是無線通信的需求迫切，移動通信基站行業(yè)發(fā)展迅速[1]。中國西部地區(qū)及緬甸、柬埔寨、尼泊爾等東南亞國家的電力、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)薄弱，電網(wǎng)供電質(zhì)量低。且這些地區(qū)的通信基站分布廣泛，供電環(huán)境復雜，大部分通信基站缺乏由可靠穩(wěn)定的電網(wǎng)電力來提供能源保障[2]，通常是采用柴油機進行供電，運行與維護成本高。上述國家及地區(qū)擁有豐富的太陽能資源，但卻未被充分利用[3-5]，因此其采用光伏發(fā)電作為通信基站的保障性供電成為最佳替換方案[6-8]。投資小、收益高的油光互補能源系統(tǒng)可解決國內(nèi)外通信基站能源供應成本高的問題，擁有廣闊的市場前景?；诖耍疚耐ㄟ^對油光互補能源系統(tǒng)進行研究，對通信基站用油光互補能源系統(tǒng)進行設(shè)計，并對其的實際應用情況進行分析。

1 油光互補能源系統(tǒng)簡介

通常，油光互補能源系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油機、整流器、通信模塊及遠程監(jiān)控等組成。其中，光伏發(fā)電系統(tǒng)包含光伏組件、蓄電池組、最大功率點跟蹤(MPPT)光伏控制器。油光互補能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 油光互補能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of diesel-PV hybrid energy system

光伏組件的作用是將太陽能直接轉(zhuǎn)換為直流形式的電能。MPPT 光伏控制器為電能管理的核心部件，其將光伏組件輸出的電能進行轉(zhuǎn)換以供給負載，并可對蓄電池組進行充電；其還可根據(jù)負載的能源需求，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力供應進行合理分配和管理，實現(xiàn)能源穩(wěn)定供應。柴油機作為油光互補后備能源為能源系統(tǒng)補充電能。

油光互補能源系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵在于設(shè)計合適的MPPT 光伏控制器來構(gòu)建電能供應系統(tǒng)。本文根據(jù)負載功耗需求，設(shè)計單個獨立的MPPT光伏控制器，由其直接控制負載供電、蓄電池組充電和柴油機的合理運行時間，系統(tǒng)邏輯簡單、可靠。

2 通信基站用油光互補能源系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及油光互補能源系統(tǒng)管理策略分析

以緬甸的通信基站為例進行分析。針對通信基站，油光互補能源系統(tǒng)是通過由光伏組件輸出電力、蓄電池組儲能和柴油機提供輔助電能來為基站供電。合理的系統(tǒng)電路設(shè)計能提高太陽能利用率，降低柴油機啟動頻率，節(jié)省燃油和維護成本。本能源系統(tǒng)采用光伏發(fā)電和柴油機互補發(fā)電、蓄電池組儲能的模式。

1)負載功耗需求分析：通信基站處于緬甸的仰光郊區(qū)，基站的設(shè)備功率為1000 W，每天工作24 h，其每天的電量消耗為：1000×24=24 kWh。

2)蓄電池組容量分析：蓄電池組需提供至少1 天的負載用電量，即24 kWh。為保證蓄電池組使用壽命，其放電深度定為0.7，蓄電池組容量應為24/0.7=34.2 kWh；蓄電池組標稱電壓為48 V，計算得到需采用714 Ah 的蓄電池組，取整數(shù)為800 Ah，因此采用2 V、800 Ah 的蓄電池。以24 節(jié)蓄電池串聯(lián)組成48 V、800 Ah 的蓄電池組，該蓄電池組存儲的電量為38.4 kWh。蓄電池類型采用鉛酸膠體蓄電池。

3)光伏組件裝機容量計算：考慮當?shù)仄骄行照諘r間為4 h，該能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率為80%，光伏組件每天至少充滿蓄電池組1/2的電量，因此，光伏組件裝機容量應為：38.4/(4×80%)×1/2=6 kW。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計策略：采用單塊標稱功率為335 W 的晶體硅光伏組件，以“3 串6 并”的方式組成光伏陣列，總裝機容量為6.03 kW，光伏陣列的開路電壓小于150 V，可匹配MPPT 光伏控制器的工作電壓；采用同步整流的高效MPPT光伏控制器，其實測的轉(zhuǎn)換效率達到98%。盡管環(huán)境溫度達到50 ℃，該光伏陣列的最高輸出功率仍可達到5.4 kW，實現(xiàn)了該陣列的最大功率輸出。

油光互補能源系統(tǒng)的管理策略：根據(jù)通信基站負載的功率和蓄電池組容量，優(yōu)化調(diào)整柴油機啟、停時的蓄電池組電壓點，設(shè)置47 V 為柴油機啟動時的蓄電池組電壓點，54 V 為柴油機停止時的蓄電池組電壓點，從而降低柴油機啟動頻率，節(jié)省燃油和維護成本。

本油光互補能源系統(tǒng)的配置如表1 所示。

表1 本油光互補能源系統(tǒng)的配置Table 1 Configuration of diesel-PV hybrid energy system in this paper

2.2 高效MPPT 光伏控制器的設(shè)計

2.2.1 硬件設(shè)計

MPPT 光伏控制器主要由主功率電路、驅(qū)動電路、采樣電路等組成。主功率電路主要完成DC/DC 轉(zhuǎn)換，將光伏組件輸出的電能轉(zhuǎn)換后向蓄電池組充電；驅(qū)動電路輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)波驅(qū)動場效應晶體管(MOS)；采樣電路采集光伏組件的電流、電壓，蓄電池組的電流、電壓，溫度等信號，輸入至微控制單元(MCU)的AD 轉(zhuǎn)換單元；MCU 負責采集數(shù)據(jù)、處理運算和發(fā)送PWM 信號，進行充電控制，具有實現(xiàn)MPPT 控制算法、蓄電池組充電算法等功能。MPPT 主功率電路是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的前級，是給蓄電池組充電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過MPPT 控制算法對光伏組件輸出的電能進行調(diào)制，使光伏發(fā)電得到最大程度利用。

MPPT 光伏控制器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，需具有高轉(zhuǎn)換效率、保護功能齊全、可管理整體能量的特點。在白天光照良好的條件下，MPPT 光伏控制器對光伏組件輸出的電能進行調(diào)節(jié)和控制，既可將光伏組件所發(fā)出的電能供給負載，又能把多余的電能儲存在蓄電池組中。當光伏組件輸出的電能不能滿足負載需要時，可由蓄電池組聯(lián)合光伏組件進行供電，也可以單獨由蓄電池組供電。MPPT 光伏控制器具有對蓄電池組的過充保護、欠壓保護、防反接等保護功能。

MPPT 光伏控制器硬件的基本拓撲如圖2 所示。圖中：C1為輸入電容、C2為輸出電容、L1為電感，這3 個元器件具備儲能功能；Q1、Q2均為MOS 開關(guān)，驅(qū)動電路通過產(chǎn)生不同占空比的PWM 波，控制Q1、Q2這兩個MOS 開關(guān)的開關(guān)通斷，實現(xiàn)從光伏組件電壓到蓄電池組電壓的轉(zhuǎn)換和能量傳遞功能。

圖2 光伏控制器硬件的拓撲圖Fig. 2 Topology diagram of PV controller hardware

2.2.2 軟件設(shè)計

在MPPT 光伏控制器軟件方面，采用MPPT控制算法，充分利用光伏陣列的輸出功率，通過恒壓控制算法使光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓目標后，可在最大功率點附近采用擾動觀察法進行下一步工作。與傳統(tǒng)擾動觀察法不同的是，此種算法在外界環(huán)境或負載發(fā)生突變時，MPPT 控制由恒壓控制算法實現(xiàn)。因此，結(jié)合恒壓控制算法的擾動觀察法主要是對最大功率點附近的穩(wěn)態(tài)特性進行優(yōu)化，其擾動步長可遠小于傳統(tǒng)擾動觀察法中的擾動步長，從而在穩(wěn)態(tài)時可有效減小光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率點附近的振蕩現(xiàn)象。

MPPT 光伏控制器根據(jù)光伏陣列的輸出電壓判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，具體步驟為：1)若光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設(shè)定的電壓之外，執(zhí)行恒壓控制算法設(shè)定的電壓；2)若光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設(shè)定的電壓之內(nèi)，進行小步長的擾動觀察法，逐步調(diào)整k時刻的光伏陣列電壓Vk，直到接近光伏陣列的最大功率點電壓Vm，此時光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點。

MPPT 控制算法的流程圖如圖3 所示。圖中：V0為光伏陣列初始電壓；I0為光伏陣列初始電流；P0為光伏陣列初始功率；Ik為k時刻的光伏陣列電流；Pk為k時刻的光伏陣列輸出功率；Vref為恒壓控制算法的參考電壓；dV為擾動電壓增量；D為占空比；Δd為擾動占空比。

圖3 MPPT 控制算法的流程圖Fig. 3 Flow chart of MPPT control algorithm

3 應用效果分析

將本文設(shè)計的油光互補能源系統(tǒng)批量應用于緬甸各地的通信基站，以緬甸仰光郊區(qū)通信基站的10 個站點(編號為S1～S10)為例，對該能源系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行分析。

應用于站點S1的油光互補能源系統(tǒng)中的光伏陣列裝機容量為6.03 kW，在2021 年4 月16日該能源系統(tǒng)的實時發(fā)電數(shù)據(jù)如表2 所示。應用于站點S1的油光互補能源系統(tǒng)在2021 年4 月16日的實時輸出功率如圖4 所示。

表2 應用于站點S1 的油光互補能源系統(tǒng)在2021 年4 月16 日的實時發(fā)電數(shù)據(jù)Table 2 Real time power generation data of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 on April 16th，2021

圖4 應用于站點S1 的油光互補能源系統(tǒng)在2021 年4 月16 日的實時輸出功率Fig. 4 Real time output power of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 on April 16 th，2021

結(jié)合表2 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)：4 月16 日該能源系統(tǒng)的發(fā)電量為26.46 kWh；蓄電池組當天凌晨00:02 的電壓為49.32 V，23:42 時電壓降至49.17 V，但蓄電池組的剩余電量僅從46%下降到45%，這表明光伏發(fā)電量與負載用電量之間基本持平，光伏發(fā)電量能滿足供電需求；柴油機當日未啟動，節(jié)省柴油量為100%。當日MPPT 光伏控制器的最大輸入功率約為3962 W(即光伏陣列的最大輸出功率)，輸出功率約為3897 W，轉(zhuǎn)換效率高達98%，說明其內(nèi)部損耗小。

應用于站點S1的油光互補能源系統(tǒng)在2021年4 月1—18 日的日發(fā)電量如圖5 所示。

圖5 應用于站點S1 的油光互補能源系統(tǒng)在2021 年4 月1—18 日的日發(fā)電量Fig. 5 Daily power generation capacity of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 from April 1st to 18th，2021

由圖5 可知：在4 月1—18 日中該能源系統(tǒng)的日最高發(fā)電量為26.46 kWh，日最低發(fā)電量為10.46 kWh，日均發(fā)電量為21.30 kWh，接近負載的日均耗電量(24.00 kWh)。

4 月1—18 日S1～S10這10 個通信基站的日最大發(fā)電量統(tǒng)計結(jié)果如表3 所示。

表3 4 月1—18 日10 個通信基站的日最大發(fā)電量統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistical results of daily maximum power generation capacity of 10 communication base stations during April 1st to 18th

從表3 可以看出：10 個通信基站中有8 個站點的能源系統(tǒng)日發(fā)電量大于24 kWh，達到設(shè)計指標，僅站點S4和S6的日發(fā)電量低于預期，經(jīng)后期排查發(fā)現(xiàn)發(fā)電量低是因為光伏組件受到遮擋，光伏發(fā)電系統(tǒng)為非正常工作狀態(tài)。8 個站點(不含站點S4和S6)的柴油機月平均啟動頻率均為1 次/天，每次啟動時長均為2 h；每個站點每月柴油消耗量為61 L，對比原來的單一柴油機發(fā)電系統(tǒng)( 柴油機每天工作24 h，每月柴油消耗量為680 L)，可節(jié)省91% 的柴油消耗量。

將本文的油光互補能源系統(tǒng)與單一的柴油機發(fā)電系統(tǒng)的投資效益進行對比，對比結(jié)果如表4所示。

表4 兩種供電模式的投資效益對比Table 4 Comparison of investment benefits between two power supply modes

從表4 可以看出：當采用單一柴油機發(fā)電系統(tǒng)時，通信基站原配置有1 臺10 kW 的柴油機，每天24 h 處于運行狀態(tài)，每月柴油消耗量約為680 L，按緬甸當?shù)氐牟裼蛢r格5 元/L 計算，每年的燃油成本為40800 元，柴油機運維成本按4000 元/年計算；基站每天耗電24 kWh，5 年的用電量為43800 kWh，5年用電總成本為25.4萬元，平均LCOE 為5.8 元/kWh。

與采用單一柴油機發(fā)電系統(tǒng)相比，油光互補能源系統(tǒng)需新增1 套光伏發(fā)電系統(tǒng)，成本約為7萬元；每月柴油消耗量約為61 L，相較于采用單一柴油機發(fā)電系統(tǒng)時的月柴油消耗量，月均可節(jié)省91%的柴油消耗量，每年的燃油成本為3672 元；油光互補能源系統(tǒng)的運維成本按2000元/年計，5 年用電總成本約為12.8 萬元，平均LCOE 為2.93 元/kWh。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)每5 年更換一次蓄電池組，成本按3.5 萬元計，10年的平均LCOE 則可降至2.19 元/kWh，僅為單一柴油機發(fā)電系統(tǒng)的40.1%。綜上可知，通信基站采用油光互補能源系統(tǒng)的性價比遠高于采用單一柴油機發(fā)電系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種通信基站用油光互補能源系統(tǒng)，將其應用于緬甸的通信基站中，并對其實際工況下的運行數(shù)據(jù)進行了分析，結(jié)果表明：

1)在系統(tǒng)實際運行中，MPPT 光伏控制器的轉(zhuǎn)換效率可達98%；2)相較于單一的柴油機發(fā)電系統(tǒng)，采用油光互補能源系統(tǒng)可將每月的柴油消耗量由680 L 降至61 L，月均可節(jié)省91%的柴油消耗量；3)油光互補能源系統(tǒng)的10 年平均LCOE 僅為采用單一柴油機發(fā)電系統(tǒng)時的40.1%，具有很高的性價比。

油光互補能源系統(tǒng)可滿足通信基站對低成本能源供應的需求，未來可在中國西部地區(qū)、東南亞國家等地進行推廣，契合國家“一帶一路”戰(zhàn)略，在通信能源系統(tǒng)領(lǐng)域具有很好的應用前景。