基于5G移動通信基站的可再生能源通信電源系統研究

丁 瑜,鄧敏茜,程 喬

(1.南寧職業技術學院,廣西 南寧 530008;2.廣西建設職業技術學院,廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來,我國通信事業得到了高速發展。與此同時,5G移動通信基站子系統的能耗也在不斷增加。可再生能源通信電源系統的應用不僅滿足了國家節能減排的宏觀戰略要求,也降低了移動通信電源系統的建設、使用和維護成本。將可再生能源作為5G移動通信基站子系統的供電能源具有重要意義。基于此,本文提出了一種風、光組合式通信電源系統,采用了MPPT跟蹤、PI控制等算法提高了系統的運行性能,探討了系統的實現技術路線。

1 5G移動通信基站子系統的負載情況

在不同的運行環境之下,與4G相比,5G移動通信基站子系統的同配置設備平均功耗增加了2～4倍,而后期基站子系統設備的升級、擴容將給通信電源系統帶來更大的考驗。在供電基礎設施建設較為落后、供電不穩定的區域,保證5G移動通信基站子系統的穩定運行非常困難;在不具備市電引接條件的區域,基站子系統無法運行。

5G移動通信基站子系統的負載主要包括空調(或新風系統)、照明、設備、AAU、有源天線等交直流負載,并留有適當余量,故也需要將直流電轉換成交流電給交流負載供電。5G移動通信基站子系統的正常運行關乎國計民生,不能有較長時間的斷網情況出現,如果地市級別出現大面積5G移動通信基站子系統掉網將被認定為相應級別的生產事故。因此,5G移動通信基站子系統對電源系統的穩定程度有著較高的要求。

2 可再生能源通信電源系統架構

可再生能源通信電源系統技術方案整體架構如圖1所示,采用風力發電系統、光伏發電系統組合供電方式為基站子系統供電,以蓄電池作為整個通信電源系統的儲能、應急供電方式。圖1中粗線代表能量流、細線代表信息流,在直流母線與交流母線之間采用雙向AC/DC變流器作為整個通信電源系統的潮流協調控制器,實現各種能源組合、互補的協調控制。

圖1 可再生能源通信電源系統架構

2.1 光伏發電系統

光伏效應是光伏發電的基本工作理論,即將太陽能轉變為電能。當陽光照射太陽能電池板時,光的一部分被直接吸收。光伏發電系統可以將太陽能直接轉化為電能[1],在此過程中沒有其他物質能量的消耗,維護簡單,安全可靠性高,并且可以在很多場景下應用。國內外太陽能光伏產業在研發、生產和應用方面都獲得了長足進步,技術日趨成熟,將光伏發電系統高精度的控制算法引入通信電源系統有著重要的實踐意義。當光伏發電系統的負載阻抗與光伏發電系統內阻一致時,光伏發電系統可以獲得相對較高的輸出功率,采用控制器動態地調整負載的外部特性獲得較高的輸出功率。因各地區日照情況不同,在5G網絡移動通信基站子系統的電源實踐應用中,建議選擇多片串聯的方式完成光能的收集。

2.2 風力發電系統

風力發電系統是風力發電系統和光伏發電系統的組合,既可作為節能減排的有效方案,也可以作為市電引入困難地區的5G移動通信基站電源使用。風力發電系統和相應的儲能系統相結合可以構建運行穩定的5G移動通信基站的新型分布電源。根據渦輪風力結構、特點及應用場景的不同,風力發電機分為很多種。離網型風力發電系統因其發電功率較小、容量較小、安裝使用方便、維護成本低的特點,多應用于小型設備供電場景和偏遠地區。離網型風力發電系統通常將異步發電機和永磁發電機作為產能核心。

本系統風能發電部分將自勵異步發電機作為風電單元。由潮流協調控制器提供負載所需的不平衡電流和諧波電流,使自勵異步發電機的輸出電壓和電流為三相對稱的正弦波形,可使發電機額定運行,提高風電機組的利用率,降低系統的建設和運行費用,具有良好的經濟性。

2.3 蓄電池系統

可再生能源發電方式具有相對不確定性,當風機和光伏電池的實際發電量有波動時,會引起5G通信電源系統的頻率和電壓變化,使其工作效率降低,并帶來一定的安全隱患。風能和光能雖然在時間上可以一定程度地形成互補發電,但是無法一直保持一種在線狀態。在特殊情況下,風光組合通信電源系統發電量可能無法滿足5G移動通信基站子系統各項負載正常運行的需要,會產生斷電掉站現象。而在風光組合通信電源系統可以高效工作的情況下,如果不能將產生的電能存儲起來,會出現嚴重的棄風和棄光現象。由于風能和光能都是間歇式能源的特點,所以必須配備相應的儲能設備以保證供電的穩定[2]。儲能系統可以提高5G通信電源系統的控制效率,是保障通信設備不間斷供電的核心設備,有助于提高5G通信電源系統的可靠性和工作效率。

5G移動通信基站大多將閥控式密封鉛酸蓄電池作為主要的儲能設備,將風能和光能所提供的電能轉換成可以儲存的化學能,在可再生能源部分所提供的電能無法達到5G移動通信基站子系統運轉需求時,將儲存的化學能再次轉變成電能。本系統配套的蓄電池可以用鉛酸蓄電池、鋰電池、鐵鋰電池等,其容量根據移動通信基站子系統的建設區域、應用場景來靈活選擇,例如較為偏遠的區域、維護不便利的區域可以選擇容量相對大一點的蓄電池組,科學合理地設計蓄電池組的容量。

3 可再生能源通信電源系統的實現技術方案

3.1 主要控制算法

PI控制算法可靠性高、實現方便、魯棒性好。在本通信電源系統中,P控制按期望值對通信電源系統參數進行控制,P參數越大,比例調節器部分相對作用就越強,其動態響應相對較快。I控制器主要用于消除被控對象的穩態誤差。

最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)主要特點是輸出功率與其控制器的輸出工作電壓存在一定的關系,當工作運行在最適電壓下,輸出功率可以達到最大值。MPPT是一種通過調節電氣模塊的工作狀態,使其產生電能的電氣系統。與傳統控制器相比,MPPT可以實時完成被控系統的跟蹤控制,動態地使被控對象運行在高效狀態。

3.2 DC/DC控制集成裝置技術方案

對于3個DC/DC控制裝置,若要分別進行設計,需要較高的代價,并且會增加故障點,所以需要研究三路DC/DC的集成化設計技術和拓撲結構,可以充分利用IGBT器件的6管集成功能,借助核心DSP實現三路DC/DC變換。集成DC/DC控制裝置以DSP微處理器為核心,可實現光伏發電與風力發電的最大功率點跟蹤,升壓斬波控制。

3.3 雙向變流器控制與電能質量調節裝置技術方案

用電負荷以5G移動通信基站子系統的空調(或新風系統)、照明、設備等交直流負載為依據,并留有適當余量,故也需要將直流電轉換成交流電給交流負載供電。同時,考慮負載與電源的動態變化對系統設備可能造成影響,采用以MPPT跟蹤算法、PI控制算法為主的電能質量調節方法,引入電能質量調節功能,實現多路DC/DC、DC/AC能量的雙向流動,確保光伏發電、風力發電部分具有高效的MPPT功能,電壓的穩定控制以及蓄電池的無損充放電控制,以提高用電負荷的電力供應質量。采用基于嵌入式的設計方案,選擇“浮點數字信號處理器DSP+智能功率模塊IPM”作為控制器的核心,并對各電源節點PI控制器的參數進行在線粒子群優化[3],是具有高性價比的實踐方案。

3.4 電源節點的容量優化配置與能量平衡技術方案

為提高系統的利用率和效率,需要對各電源節點的容量進行優化配置,并且在實際投運后還需要考慮緯度、季節、光照、風力、儲能容量及電負荷等多因素,實時平衡各電源節點的發電量。各個光伏陣列節點通過各自的升壓型DC/DC變流器與直流母線相連,蓄電池組通過雙向DC/DC變流器與直流母線相連,各節點由各自的單向DC/DC變流器實現MPPT控制,以提高光伏電源的發電效率。各電源節點PI控制器的PI參數采用了在線粒子群優化方法,進而加快了動態參數篩選的速度。

4 結語

本文在結合5G移動通信基站子系統現網運行特點的基礎之上,探討了一種可再生能源通信電源系統。該系統采用在線粒子群優化方法對多組電源節點PI控制器的參數進行實時調整,同時確保蓄電池的最優充放電控制;采用嵌入式與現代變流技術將太陽能光伏發電、風力發電、蓄電池充放電控制單元與電能質量調節單元進行整合優化設計,形成“背靠背”的系統拓撲結構,最大化地實現電源與負載投切時電壓的穩定控制。