贾林杰
（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310051）
一些偏僻地区的通信基站，当供电不稳定时需依靠柴油发电机发电作为应急供电，会导致用电成本更高。为了提供科学的基站供电方案，可以选择太阳能和风能为基站提供稳定的电源。太阳能和风能在具体的发电使用中具有互补性，偏远地区基站的地理条件有利于这2种自然资源的结合使用[1]。
通信基站应用风光互补发电，能有效提升风能和太阳能综合利用，可以实现通信基站的全天候发电，提高了供电设施的稳定性和可持续性。在太阳能和风能丰富的地区，系统负荷可以依靠额外的光伏和风能完成有效运行，确保供电稳定性，发电过程无需开启备用柴油发电机，发电系统实现低成本发电。
通信设备对供电系统的运行提出了很高的要求，风光互补在运行中需要配备电池管理系统，供电系统免受压降和过载的影响。风光发电实现了基站的稳定用电，无需承担长距离输电，减少了基站基建投资和对环境的破坏，又节省了后期的运行和维护资金，实现了供电的灵活性。
风光互补发电主要由发电机组、控制器、逆变器、光伏阵列、蓄电池组、直流负载以及交流负载等组成，如图1所示。风力发电机将动能转化为电能，光伏阵列组件利用光电原理将太阳能转化为电能。供电系统的蓄电池组在系统运行中起到储存电能的重要作用，当阳光充足时将生产剩余的电能转化储存。当光伏组件发电量不足时，则由蓄电池为用电设备提供电能。控制器根据阳光强度和负载变化不断调整，当电量充足时，控制器将产生的电能输往负载，剩余的电量给电池充电。当发电量不能满足基站用电需要时，控制器可以有效控制蓄电池为负载供电[2，3]。
图1 风光互补供电系统
3.1 通信基站应用风光互补供电技术的要求
（1）供电稳定性的要求。通信基站和相关设备要求其24 h不间断运行，只有系统供电的持续稳定，才能保证广大手机用户的正常使用。在风光混合供电系统中，风电机组发电效果对风能的利用率非常敏感，有时会存在发电量不稳定的问题。因此，技术人员在进行系统稳定性评估时，要以风电机组的发电量作为参考点。在风光互补供电系统中，尽量提高储能设备的容量，以全面保障供电系统的稳定运行。
（2）设备运行功率的要求。随着通信设备的数量和容量不断提升，整个供电系统功率也向高功率运行发展和转变。但个别偏远地区在建立基站时会存在诸多困难，在供电系统安装施工场地、选址以及安装设备等方面还存在限制，这使基站附近安装比较大型涡轮机变得非常困难。因此，技术人员必须全面研究，并有效提升光电互补系统单位面积的发电工作效率，以满足通信基站运行的能源需求。
（3）发电系统控制器的使用要求。风光互补供电系统的控制器是发电系统的核心，决定了系统的运行状态，能提高风力发电机组的效率。控制器的功能是保护整个电力系统的安全。当风电供电系统出现异常情况时，控制器就会及时响应，有效保护发电机组高速运行。同时，控制器还能调整发电机及太阳能设置的供电运行范围，能应用互补电源，提升通信基站和相关设备工作的稳定性。
3.2 基站供电系统设计
基站负载包括信号处理和接收设备以及控制和调节温度的温控设备。信号处理设备约占总用电量的50%，机房空调占总用电量的40%。大多数基站都依赖不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）电力系统配置，供电系统与电池并联，持续为设备供电，使系统的电力容量超过基站的运行容量，在这个过程中不仅消耗了能源，而且还增加了能源使用成本。
目前，太阳能风力发电在远离电网不能满足用电需求的地区进行了应用。风光互补供电系统发电基于太阳能和风能资源，因此获取气象资源数据，确定风力发电机和光伏阵列发电量。风力涡轮机和太阳能将相关能源转化为电能，当风速变化时，涡轮机的功率也随之变化。光伏组件的功率也随着辐射而变化。由风力涡轮机和电池板组成的联合供电系统，通过满足供电系统的需求来降低成本[4]。
在风光互补供电系统应用中，需要完成太阳能数据、风力资源数据、系统设计和供电系统电池设计等，还需要进行系统的仿真分析，得出系统建模以满足要求。白天太阳能发电，可以减少蓄电池的充放电次数，延长了使用寿命，风力发电系统可在晚上或阴雨天进行运行，有效弥补了太阳能发电条件受限的不足。
某通信基站地处附近海拔最高点，风能和太阳能资源相对丰富。此基站最大峰值功耗不超过3 kW，设计供电系统总功率需求为6 kW，利用风光互补方式建设6 kW风光互补供电系统。建立此基站要配备柴油发电机房、柴油发电机、传输通信设备、蓄电池组和柜式空调。
3.2.1 太阳能容量计算
经查询气象软件Meteonorm7 的太阳能辐射数据如图2所示。
图2 Meteonorm7 太阳能辐射量
根据上述权威Meteonorm7 气象软件上查询到的太阳能辐射量可知，在本地区年平均日照小时数为1 908 h，平均日照达到5.23 h，因此核算供电系统配置时有效日照小时数则确定为5.23 h。该值是在太阳能方阵仰角为40°时的有效值。
风光互补一体化供电系统中太阳能发电功率为
式中：S光为太阳能组件核算功率；
J为冗余系数，本次取值为1.1，约有10%的冗余；
P为单块组件发电量，本次取值为440 W；
t为当地有效日照时间，通过查询得知为5.23 h；
ɳ为太阳能组件部分工作效率，太阳能组件冗余系数为0.85。
代入数据，计算得到太阳能组件核算功率约为71.1 kW。
3.2.2 风机发电量计算
基站所处区域风力最大可达7～8级，最大风速可达30 m/s，区内无台风，最大风速小于对风力发电机叶片生产破坏的风速。根据气象部门统计数据及《风电场风能资源评估办法》判定该风电场风功率密度等级为3级，适合采用风力发电。
风光互补一体化供电系统中风力发电功率为
式中：S风为风机核算功率；
ɳ为风机启动效率，气象条件评估为70%；
t为当地年平均有效小时数，本地取8 128 h；
P为风力发电机的额定功率，kW。
代入数据，计算得到风机核算功率约为71.1 kW。
全天可提供总容量为S光+S风的容量总和，即规划总容量为149 kW，满足场区站点144 kW供电需求。
3.2.3 蓄电池容量计算
根据蓄电池组容量计算公式：
式中：Q为蓄电池容量；
K为保险系数，本次取值为1.0；
I为负载电流；
T为蓄电池最大持续供电时间，本次设定为8 h后备，取值8；
η为蓄电池放电深度系数，取值为0.5；
t为环境温度，故本次取蓄电池工作温度-15 ℃。代入数据，计算得到蓄电池容量约为 1 072.34 Ah。
根据该基站未来用电需求分析，通信设备和照明及其他仪器功耗在 3 000 W左右。此外，通过进行光互补供电与柴油发电机整合，并由电源系统进行监管。电源控制系统配置要1台逆变器，为空调和照明设备、其他设备供电服务，同时还要设置管理机柜系统和远程监控系统。管理机柜设备包括交流和直流配电柜、风能和太阳能控制模块。远程监控电源系统与监控中心的通信，利用运营商4G网络实现[5]。
3.3 风光互补系统的安装
某工程光伏电池板方阵采用地面安装式，朝向正南方，加注水泥地基作为支撑。考虑到系统的安装位置，采用防蚀性能的支架。为了保证抗风性能，各个支柱应该成一个互相连接的网状结构，水泥地基和支架采用螺栓固定的方式。蓄电池采用室内安装在蓄电池架上。分析现场安装环境条件，以斜拉索的方式固定风机头塔架。采用塔架来固定风机头，使风机避开山头影响，获得更大的采风效果。太阳能控制箱机架采用地面放置固定方式，风能控制器由于体积较小，可采用挂墙固定方式，实现节省空间的效果。由于系统的直流电压较低，需要采用变压器实现低电压高电流的作用。
3.4 风光互补发电系统运行控制
风光互补发电系统中为了保证发电系统供电的连续性和稳定性，需配置蓄电池作为储能装置，如果对运行中的蓄电池充放电的控制和保护方法不得当，极易造成蓄电池的损坏。蓄电池使用寿命的长短直接影响发电系统供电的稳定性、系统维护经费的再投入和整个系统的发电成本。蓄电池充放电控制与过充电和过放电保护是风光互补发电系统运行控制的主要部分，整个风光互补发电系统的运行控制应围绕蓄电池的有效充放电控制与保护进行。
3.5 系统运行控制参数的选择
在风光互补发电系统中，应当关注蓄电池在任意时刻的容量，即蓄电池的蓄电状态。对运行中的蓄电池进行有效的充放电控制与保护，通过正确的蓄电池荷电状态容量测定，确定蓄电池当时的工作状态，然后采取有效的方法对蓄电池进行充放电控制，达到保护蓄电池和系统长期稳定运行的目的。蓄电池运行过程中，影响其荷电状态的因素主要是蓄电池的充电程度、放电程度、放电率的大小以及电池内部的电解液的比重和温度。
铅蓄电池荷电状态的测定，一般是通过间接测定的技术数据，推算蓄电池当时的荷电状态。非常有效的传统方法是测量蓄电池中电解液的比重，确定当时的荷电状态。由铅蓄电池充放电原理可知，随着蓄电池放电的进行，硫酸不断减少，与此同时电池中有水生成，这样电池中的电解液比重降低；
反之在充电时，由于硫酸不断生成，因此电解液浓度比重不断增加。这样就可以用比重计测量蓄电池中硫酸的比重，从而估计出铅蓄电池的荷电状态，决定对蓄电池充电还是放电保护，保证蓄电池在安全的荷电状态下运行。
3.6 控制系统的管理
3.6.1 能量管理
能量管理主要负责处理系统的供电模式切换及负荷控制问题。由于系统电能来源于风电、太阳能及蓄电池，故需要根据日照状况、风能密度、蓄电池充电状况和负荷需求来灵活地调节各部分对外供电的比例，同时需要具有一定的保护功能，如在蓄电池过放电和过充电时，需要切除部分负荷或者有选择地暂停风能或太阳能发电系统的运行。
3.6.2 充放电控制
系统运行很大程度上取决于蓄电池的寿命，电池的寿命很大程度上取决于其能否工作在容量状态附近，以及在放电后能否快速地恢复到该状态，对蓄电池组进行有效的充放电控制会大大减少系统的运行成本。
综上所述，移动通信技术快速发展，促进了移动基站遍及各个角落，但由于一些地区区域经济和电力铺设原因，电力未能覆盖到偏远地区。随着风光互补供电系统的发展，对于偏远地区的基站需要考虑使用风能或太阳能等自然能源。在风能和太阳能较充足的地区，利用风光互补供电系统充分保障偏远基站的供电稳定，可以满足增长的通信业务使用需求。
未来风光互补系统的实际应用将不再局限于偏远地区，对于完成城市基站供电、能源应用也具有重要的意义。
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