通信基站风光互补供电系统设计与应用

石力博，罗艺霞

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙410014;2.湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙410007)

随着我国社会经济和城镇化建设的飞速发展，移动通信已经成为人们最主要的通信方式，我国已成为全球使用移动通信服务人数最多的国家。增加通信基站以求扩大通信网络覆盖，提高服务质量，成为各运营商提升竞争力的主要硬件手段。随着通信网络覆盖的不断延伸，很多为加强山区的通信网络覆盖所建的基站远离电网，由于接入市电的成本很高，因此规划好的基站甚至不得不取消。部分边远基站虽然有电源接入，但由于处于电网的末端，供电质量非常差，经常出现停电、电压不稳定、缺相等电源故障，造成基站退服，降低了通信可靠性。同时从整个移动网络设备的能源消耗分布来看，在整个移动网络中，基站设备的能源消耗占到90%，而其他设备包括核心网和网管所占比例不足10%。因此，基站的节能降耗和供电保障成为人们关注的重点。

风能、太阳能等新能源都是无污染、取之不尽、用之不竭的可再生能源。近年来，随着新能源发电技术的逐渐成熟和应用经验的不断积累，风能、太阳能等新能源供电系统在通信基站中的应用越来越广泛。新能源独立供电系统为偏远地区通信基站提供了经济可行而且可靠的供电解决方案。在电网供电质量较差的地区，新能源备用供电系统为通信基站提供了有效的电源备用方式，大大提高了通信可靠性。在电网供电质量较好的地区，新能源补充供电系统将为通信基站提供更加清洁有效的能源解决方案，减少基站对常规能源的消耗。

文中针对湖南某一山区基站的实例，通过对其用电负荷情况和资源条件进行分析，提出了可靠的、合理的、实用的风光互补节能供电系统设计方案，并对其应用特点进行了分析。

1 风光互补供电系统结构及原理

典型的通信基站供电系统如图1所示，主要由交流配电、整流器、蓄电池、直流配电等设备组成。市电正常情况下，市电直接给交流负载供电，通过整流器给直流负载供电和蓄电池充电。市电异常情况下，通过蓄电池给直流负载供电，或通过手动或自动切换由燃油发电机供电。综合通信基站供电系统的应用特点，主要包括3个方面: (1)负载24 h连续运行，负荷平稳;(2)配置一定容量的蓄电池组;(3)整流器的输出特性满足蓄电池充电要求，输出电流与蓄电池充电状态相关。

图1 通信基站供电系统原理框图

图2 通信基站风光互补节能供电系统原理框图

系统采用经实践确认可行的直流接入模式。风力发电机组、太阳能光伏电池组通过控制器直接给基站蓄电池组充电和负载供电。直流接入所需设备较少，除风力发电机和控制器外，无需增加额外设备，不足之处是直流接入无法直接为交流负载供电。直流接入充分利用基站供电系统的现有设备，比较符合基站供电的特点，系统简洁可靠，能量转换效率较高，比传统经逆变器供电的方式提高效率20%左右。

2 通信基站风光互补供电系统设计

2.1 通信基站情况

通信基站位于湖南中部某乡一个山头上，海拨高约1 092 m，且南北走向地势开阔，太阳能和风能资源较为丰富，年平均日照时数约为2 000 h，年平均有效风时数为2 500～3 000 h，全年平均风力3～8级。该移动通信基站为1层楼房，含有柴油发电机房，基站载频数量为6个，2组500 Ah蓄电池，设备总功耗大约为1 kW，无空调。

2.2 系统设计优化方案

2.2.1 蓄电池容量计算

由于蓄电池是整个系统的后备电源，蓄电池的性能优劣直接影响整个系统的工作稳定性，故选用的阀控式密封铅酸蓄电池要符合YD/T799—2002的要求，阀控式密封胶体蓄电池要符合YD/TI 360—2005的要求。基站设备为直流-48V供电，故需采用48V蓄电池或蓄电池组。按基站的重要程度，一般来说整个系统的后备工作时间要能达到3天的时间。但根据当地气象情况分析，早晚风力较大，中午阳光较强，无风无光日较少，且有市电接入，蓄电池容量配置为满足基站内所有用电设备1天需求即可。

系统总负载所需的蓄电池容量为:

式中 Cb为蓄电池的容量;I为负荷电流 (A);T为放电小时数 (h);K为安全系数，K=1.25;η为放电量系数，η=1;α为电池温度系数 (1/℃)，α=0.006;t为电池实际所在地最低温度，按0℃考虑〔1〕。

经过取整后，蓄电池的容量应为800 Ah/48V，现有的2组500 Ah/48V蓄电池组可满足系统要求。

2.2.2 光伏电池板、风机配置

据当地气象部门资料全年风力3～8级，即风速为3～20 m/s，年平均日照时数约为2 000 h。作为节能供电系统，光伏电池板和风机的容量配置如表1。

表1 光伏电池板、风力发电机配置表

风力发电机组的额定功率与额定风速选择原则:虽然风能本身并不需要使用费用，但作为实现能量转换过程的发电设备却需要成本，在节能减排风光互补供电系统中，风力发电机组的效率直接关系减排的效果，也直接关系投资的回报。相同额定功率的风力发电机组，额定风速不同时，发电量差别非常大。风力发电机组的额定功率必须与额定风速联系起来才有意义。以9 m/s额定风速与11 m/s额定风速的2台1 kW额定功率风力发电机组相互比较，在5 m/s的年平均风速和瑞利分布风速条件下，9 m/s额定风速机组年发电量约2628 kWh，而11 m/s额定风速仅为1 825 kWh，低额定风速机组比高额定风速机组多发了44%的电能。图3给出了2 kW风力发电机功率曲线。图4给出了年平均风速分别为4 m/s，5 m/s，6 m/s，7 m/s时，低额定风速机型与高风速机型的年发电量差别。

图3 风力发电机功率曲线

图4 不同额定风速风力发电机组年发电量比较

当以节能减排为目的新能源供电系统大规模推广时，安装地点的风速资源参差不齐，但通常低风速资源较多，风速资源丰富区少，因此，选择低风速机型尤显重要。

2.2.3 风光互补控制系统

风光互补控制系统是风光互补供电系统的控制管理部分，系统具有可同时管理风力发电机和太阳能光伏电池;蓄电池充放电智能管理;具有RS485通信接口，可配置GSM/GPRS模块，实现远程监控。

2.2.4 系统实现

实际方案系统框图见图5。按照以上设计方案进行了具体实施，实际使用完全达到预期效果。在市电断电4天的极端情况下，系统仍保障了基站的正常运行。图6为基站风光互补发电系统实施实景。

图5 通信基站风光互补节能供电系统

图6 基站风光互补发电系统实施实景

3 系统特点

(1)通信基站原有供电系统已经配置了一定数量的蓄电池组，新能源供电系统可充分利用原有设备，无需额外增加投资。

(2)通信基站的负荷连续平稳，风光互补供电系统可随时向负荷提供电能，实时消耗，无需较大容量的电能储存。

(3)风光互补供电系统通过风机控制器控制开关电源模块的输出电能，实时调整供电与用电之间的平衡，通过控制开关电源模块的输出特性，使风光互补发电能够优先被负荷消耗。风光互补控制器实现了风光互补供电与市电供电之间的合理调度，调度的目标是新能源发电量最大化和节能减排效果最大化。

(4)风光互补供电系统充分利用了负载连续运行的特点，将基站负载等效为局部小型电网，通过风机控制器实时调度常规能源发电设备 (市电)和风光互补发电设备 (风力发电机)在局部小型电网内的供电比例，维持整个系统的正常有效运行。其结果是风光互补几乎以全部利用的方式给负载供电，很好地解决了离网型风光互补供电系统普遍存在的效率低问题。

(5)按照每节约1 kWh，相当于节省0.4 kg标准煤，4 L水，减少0.997 kg二氧化碳排放、0.03 kg二氧化硫和0.015 kg氮氧化物的排放量计算，1个基站在运行期间所节约的能源数据是相当可观的。对于运营商而言，使用风光互补系统不但可以很快收回初期投资，而且为低碳经济做出巨大的贡献。

4 结论

在电网供电质量较差的地区，风光互补供电系统为通信基站提供了有效的电源备用方式，大大提高了通信可靠性。在电网供电质量较好的地区，风光互补供电系统为通信基站提供了更加清洁有效的能源解决方案，减少基站对常规能源的消耗。该系统通过在贫风区湖南省的实际应用，打破了通信基站风光互补供电系统只能在风能、太阳能丰富地区使用的传统，对通信基站风光互补供电系统在广大风光资源相对贫乏地区的推广有着积极的意义。

〔1〕朱世雄.通信电源设计及应用〔M〕.北京:中国电力出版社，2006:84.

〔2〕YD/T5040—2005通信电源设备安装工程设计规范〔S〕.北京:北京邮电大学出版社，2005.

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〔5〕YD/T1669—2007离网型通信用风、光互补供电系统〔S〕.北京:北京邮电大学出版社，2007.

〔6〕JBT 10396-2004离网型风力发电机组 可靠性要求〔S〕.北京:机械工业出版社，2004.

〔7〕JBT 10397-2004离网型风力发电机组验收规范〔S〕.北京:机械工业出版社，2004.

〔8〕JB/T 6939.2-2003离网型风力发电机组用控制器 第2部分:试验方法〔S〕.北京:机械工业出版社，2003.