低温钛酸锂风光储综合能源直流并网系统在基站节能中的应用

潘全亮

（上海置信能源综合服务有限公司，上海 200335）

0 引 言

5G基站建设是国家“新基建”的7大领域之一。当前三大运营商都在加大5G基站布局，随着5G基站建设，西部欠发达地区通信基站面临着持续稳定供电的压力，同时运营商面临节能降耗、节约运营成本、转供电成本高昂以及基站能耗计量结算依据不清晰等困境[1,2]。如何为偏远及高原地区基站提供稳定的供电方案，是目前通信基站发展的主要关注点之一。

四川甘孜铁塔实验项目位于四川甘孜藏族自治州折多山观雪台铁塔机房，海拔约为4 300 m，日照资源丰富，全年日照时间为1 500 h以上，冬季最低气温为-25 ℃，周围为牦牛放牧草场，农配电供电不稳定[3]。通过在基站建立低温钛酸锂风光储综合能源直流并网系统，将光伏、风电、低温钛酸锂储能电池进行有机融合，采用基站直流母线并网，避免常规光伏发电采用DC-AC-DC供电模式造成的多余电能转换损失，为基站提供更高效节能的直流供电方案。系统可孤岛运行，采用多元化分布式供电系统，提高基站电网供电的可靠性，改善电能质量。通过网页端和手机端App监控实现基站电源的远程管理；采用柔性组件减少项目钢架投入，降低人力搬运成本；采用低温钛酸锂电池以实现在高原低温极端条件下电池的正常放电，项目设计及技术阐述如下[4]。

1 技术方案

1.1 储能负载计算

根据对川西高原地区甘孜等地基站的调研，300 W功率负载在阴天无光伏发电、无风力发电等极端恶劣情况下要维持基站正常工作3天，电池装机容量应为 300 W×24 h×3 d/（0.77×1 000）≈ 28 kVAh，即需配置约28 kVAh的储能电池。

1.2 储能电池的选择

考虑到当地为高原地区，其冬季极端气温近-25 ℃，夏季也面临高温等情况，因此需选择满足工作环境要求的电池系统。经对比发现，铅酸电池能量密度太低、寿命太短；三元锂电池热安全性较差；磷酸铁锂电池在低温条件下充放电性能变差且低温加热方案存在加热耗能及热失控的风险；钛酸锂电池具有良好的低温工作性能及极高的安全性能[5]。综合考虑采用钛酸锂电池，其使用寿命是磷酸铁锂使用寿命的5倍以上，并具有10 C的充放电倍率，且不燃烧、不爆炸，安全性高，可满足本项目需求[6]。

储能组包方案为采用48 V系统，选用21节串并联方案，28 A·h低温钛酸锂电池，总电量为28 kVAh，标称电压为2.30 V，可选 C60138或60160规格型，工作温度范围为-45～45 ℃，放电深度80%。综合考虑冗余，本项目选用77%的放电深度进行电池设计，最大充放电倍率为10 C，配置钛酸锂电池专用电池管理系统（Battery Management System，BMS）模块监控每一组电池电压和内阻，可通过电压和内阻的变化判断该电池的化学性能，并能通过BMS模块进行单组电池的电池均衡，具有微型EMS电池管理功能，能定期进行充放电管理[7]。此外，钛酸锂电池的循环寿命≥20 000次，电池的初始内阻≤0.6 mΩ，放电终止电压 1.5 V。

1.3 光伏装机容量计算

光伏装机容量的计算需根据基站负载确定，采用光伏供电作为主发电电源、风力发电作为补充电源的模式，根据负载电流反向计算，发电系统的装机容量需要满足日间负载使用以及储能充电的装机要求，需因地制宜根据每个站点的地形特点进行光伏系统设计，并结合当地天气情况进行装机容量的冗余调整[8]。

1.4 风力发电机选择

风力发电机安装先进行风电场的选址，因本项目风场选址需就近安装，综合考虑地理位置、海拔高度等自然条件，结合交通运输等基础设施条件，山顶因运输及动荷载原因不宜安装过大的风力发电机，初步选型采用风机装机容量为2 kW。风力发电机的布置避开树木及杆塔线路，并预留足够的旋转半径及检修半径，为了便于安装，杆件可采用组合式，配置地笼进行混凝土基础浇筑，采用拆卸式多节杆件或可放倒式三角支架安装，便于运维人员后期维护[9]。

1.5 电气拓扑结构图

分布式光伏发电采用自发自用、直流并网方式，光伏系统直接通过最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）太阳能控制器输出直流 48 V电压，通过直流电缆经保护空开汇入基站直流母线，风力发电机采用48 V系统接入汇流母线。光伏发电系统及风力发电系统不经DC-AC-DC转换，采用MPPT控制器直接为设备及负载供电。经计算及测试，MPPT系统采用最大电量跟踪效率比传统的DC-ACDC转换综合效率提高约10%[10-12]。直流方案拓扑结构如图1所示。

图1 直流方案拓扑结构

1.6 主要设备配置及组成

本项目主要设备组成有光伏组件、MPPT太阳能控制器、风力发电机、风力发电机控制器、BMS电池管理模块、低温钛酸锂电池组串、直流母线、4G信息传输模块、钢制支架以及电缆等。

1.6.1 光伏系统

本项目选用320 W单晶硅叠瓦光伏组件，单体组件工作电压为37 V，额定电流为8 A，采用3串10并的组串方案，组串后电压约为111 V，最大电流为24 A，经过并联后利用合路器接入MPPT太阳能控制器，接入的原则为组串电流总和不超过控制器电流规格，控制器输出经保护开关并联接入基站直流母线。

柔性光伏组件在高原地区应用可有效降低项目的整体成本，在既有基站或新建基站场所已经具有屋顶的基站，优先采用柔性光伏组件，可以减少钢架安装规模，降低项目建设成本，不具备屋顶安装条件的基站可采用常规光伏组件，利用钢支架安装，为防止草原动物及人员对发电系统的破坏，光伏板架空高度宜大于 3 m。

1.6.2 MPPT太阳能控制器

MPPT太阳能控制器光伏输入端耐压150 V，最大直流输出为100 A，具备44～57.6 V自适应电压输出标准，兼容原有基站电池系统并新增钛酸锂锂电系统。输入输出端具有过欠压保护、防反接保护、电池温度保护、机器温度保护以及负载过流保护，具备4G通信传输功能、发电量计量功能以及本地调试管理功能，可远程进行管理，实时存储数据。

光伏装机容量为9.6 kW，通信基站为48 V直流系统，为满足设备稳定及散热要求，综合考虑冗余后选择配置3台100 A的MPPT太阳能控制器。

1.6.3 风力发电机

风力发电机额定功率为2 kW，额定电压为48 V，风力发电机启动风速为2.5 m/s，额定风速为11 m/s，安全风速为45 m/s，具有超速自动刹车功能，主机重量为55 kg，风轮直径为3.4 m，叶片数量为3。叶片材质采用尼龙纤维材质，配置电磁制动，工作温度满足-40～80 ℃。风力发电机连接风机控制器，杆件高度为5 m，配合拉索地笼安装，地笼根据风力发电机出厂要求预埋，风力发电机的施工需充分考虑静荷载和动荷载的安装要求，确保风力发电机运行期间牢固可靠。

1.6.4 通信模块

通信模块是用于现场信息采集和远程管理的传输媒介，可搜集储能电池状态、光伏系统发电状态、风力发电机状态、BMS充放电状态，进行充放电电流、输入输出端电压、日发电量和总发电量、运行状态及故障状态的监测，信息上传至综合能源管理云平台。数据通信模块可选方案包括4G传输模块、GPRS模块、WiFi模块，目前国内基站的GPRS通信半径约为5 km，4G基站覆盖半径约为2 km，考虑通信费率及网络传输速度，在现场具有4G信号的情况下首先选择4G传输模块，其次选择GPRS传输模块。

2 系统云服务架构

本项目所采用的云服务架构是利用基站能源综合管理平台，在硬件配置上通过4G模块进行综合能源发电系统的数据传输。光伏发电及风电系统的发电信息通过RS485通信传输至4G模块，由4G模块利用公网传输至云服务器，云服务器接收并存储数据，用户端采用网页浏览器/服务器模式（Browser/Server，BS）终端进行管理或通过App终端进行管理。风光储云服务器作为App终端访问的主服务器，本地服务器作为辅助服务器，通过对云服务器的管理定期进行本地数据备份及远程数据维护，实现在线数据采集、监控、计量、分析以及电池管理等功能。还可通过App及网页端于调度监控中心进行系统控制，系统具有API接口可共享开放协议，同时具备其他系统接入功能，能够接入中国铁塔基站动环管理系统。系统云服务架构如图2所示。

图2 系统云服务架构

3 结 论

本文通过对西部地区基站供电系统的分析，设计一套低温钛酸锂风光储综合能源直流并网系统，研究了稳定可靠的基站供电系统。结果表明，低温钛酸锂风光储直流并网系统相比交流发电系统在电源效率转换上减少了一次电能转换，可避免交流系统多次转换造成的能量损耗。直流发电方案的综合效率更高，系统设计具有更好的经济性。

在国家双碳战略目标指引下，清洁能源供电已是大势所趋，基站综合能源供电系统可通过顶层规划、分步实施的方式有序推进西部欠发达地区基站清洁能源供电，本设计在为基站提供安全可靠清洁能源供电的同时，也为基站电力需求侧响应提供了降本增效的新思路，在川藏高原地区具有较大的推广意义。