风光能源系统在西藏通信基站的应用

王继现，夏保通，柳晓瑶，江 磊

（1.河南省信息咨询设计研究有限公司，河南 郑州 450000；2.华夏邮电咨询监理有限公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

西藏自治区是我国太阳能资源最丰富的省区，年日照时间大部分地区在2 000 h以上，年辐射量可达6 000～8 000 MJ/m2。由于地广人稀，很多地区尤其是道路沿线无市电可用，因此采用离网型风光供电系统为通信基站提供能源是最合理的解决方案。但是，这种风光能源不稳定，如何更好地收集与处理风光能源，保证基站设备稳定供电是各运营商重点关注的问题。

1 风光互补供电系统的构成和工作原理

通信用风光互补供电系统是将独立的太阳能和风能电源结合设计的离网型供电设施。系统由能量采集设备（太阳能光伏电池板，简称PV；风力发电机，简称风机）、控制设备（太阳能控制器、风能控制器等）及能量存储设备（蓄电池组）3部分组成，结构原理如图1所示。

图1 风光互补供电系统原理框图

系统工作原理为风机先将风能转换为交流电能，再通过整流（稳压）转换成直流电能，PV则将光能转化为不稳定的直流电能。经能量控制系统整定后，将电能输送至蓄电池组和负载。蓄电池组用以存贮电能，在无风无光时为负载供电。

系统工作模式包括以下4种。一是有光无风时由PV供电（相当于太阳能供电系统）；二是无光有风时由风机供电（相当于风能供电系统）；三是有光有风时PV和风机同时供电。蓄电池充足后，一般以PV优先为负载供电，在太阳能电力不足时投入风机，最大限度地减少风机磨损，提高供电可靠性；四是无光无风时由蓄电池供电，直至阳光或风力出现，补充蓄电池放电损失的能量。

电量充足的蓄电池持续放电的最长时间也就是系统持续供电的极限时间，此时所对应蓄电池的放电量是蓄电池的极限能耗[1]。蓄电池组最大持续供电时间（T）和系统补足蓄电池组最大能耗所用时间（N）是设计风光互补电源的两个关键指标。离网型风光供电系统首要关注的性能为系统对蓄电池充放电的管理能力和系统的工作效率。

2 太阳能发电系统特性及优缺点

太阳能发电系统由PV、太阳能控制器以及蓄电池组构成，各部件特点如下。

2.1 通信用PV种类及特点

2.1.1 PV种类

PV依组成材料的不同可分成单晶、多晶以及非晶3种类型，目前通信常用PV主要是单晶硅太阳能组件和多晶硅太阳能组件。由于单晶硅在多晶硅的基础上加工而成，因此单晶硅电池较多晶硅电池造价高。早期的单晶硅PV比多晶硅PV的光电转换率高5%～8%，但近年硅电池工艺有很大改进，多晶硅PV的电气性能已与单晶硅基本相同，光电转换效率都已达到15%，功率衰减率也都满足20年内小于10%的指标。两者差异仅在于将单晶硅电池分割成小片时，由于单晶硅晶体排列一致，因此切割成的等面积小片电池电气性能具有很高的一致性，而多晶硅晶体排列混乱，切割的等面积小片电气一致性差，这对厂家生产小功率PV有较大影响，但对通信用户几乎没有任何影响。综上所述，硅材料PV基本能够达到等同的高效率、长寿命以及高可靠等性能指标。

PV是组成太阳能电源的主要部件，其建成后几十年内几乎不会发生故障，因此构建太阳能电源的关注重点并非PV板。

2.1.2 PV输出特性曲线

单晶硅PV和多晶硅PV有相同的输出特性曲线。PV的输出功率是随光照强度尤其是紫外光强度、温度以及负载类型而变化的。当光照强度和环境温度一定时，PV输出功率曲线是一个类抛物线,如图2所示。为了计量PV的工作功率，国标规定了统一的测试光照标准，即在25 ℃、1.5个大气压以及1 kW/m2光照强度时，将PV的最大输出功率定义为PV的计量功率（亦即峰值功率），单位为Wp。

图2 PV输出特性曲线

从图2可以看出，PV的输出电流随电压的降低而增大。自PV开路时的22 V起，当工作电压降到17 V时，PV电流的增加与电压的降低几乎是线性关系。但在17 V以后，电流的增量就几乎不再随电压的降低而增大，直至工作电压降到0 V即PV短路时，其短路电流较17 V处的电流值也相差不到3%。可见对于12 V的PV而言，当工作电压小于17 V以后，其输出电流几乎不变（恒流现象），这个特定电压值在曲线上对应的点即为PV的峰值工作点。

PV的这一重要特性表明，在标准光强和环温下，只有将PV的工作电压维持在17 V左右时才能得到其最大输出功率。据此可知，若PV工作电压与蓄电池组工作电压相绑定，则无法使PV输出其最大功率。

2.2 太阳能控制器的种类和特点

太阳能控制器是整个太阳能电源系统中最关键的部件，它决定了太阳能电源系统的效率和可靠性。太阳能电源从稳压方式上可分为子阵投切与PWM脉宽调制型（简称蓄电池稳压型）和DC-DC稳压型（简称直流变换稳压型）两种类型。这两类太阳能控制器在工作原理和使用性能上差异很大，各有优劣。

2.2.1 蓄电池稳压型控制器

蓄电池稳压型太阳能控制系统是采用投切PV板接入的数量调节太阳能输入电流的一种太阳能控制设备。其低端产品运行方式为直接投切太阳能子阵调节输入电流，调节精度粗放；其改良型产品采用调节脉冲占空比的方式投切太阳能子阵，调节较为精细[2]。上述两种机型都利用蓄电池组作为系统稳压和储能器件，因此蓄电池组电位是控制系统最关键的控制参量。蓄电池稳压型太阳能控制器工作原理如图3所示。

图3 蓄电池稳压型太阳能控制器工作原理框图

蓄电池稳压型太阳能电源系统的PV输出端、蓄电池端以及负载的电位被蓄电池绑定并始终保持一致，流出PV的电流与流入蓄电池和负载的电流始终完全相等，这是蓄电池稳压型太阳能电源系统的重要特征。

PV的输出功率等于蓄电池电势差与回路电流乘积，即WO=UO×I。蓄电池电压越低，内阻消耗电能就越大，PV工作效率也就越低，这是蓄电池稳压型控制系统的重大缺陷。

由于成批量地投切太阳能子阵，因此这类系统经常出现PV子阵投入越多、甩断越少的弊病。控制模式过于粗放，实际上只能实现过欠压保护功能，无法实现对蓄电池组的均浮充管理。其改进型产品通过调控脉冲占空比方式（Pulse Width Modulation，PWM）甩接PV子阵，使PV子阵间歇式接入或切出系统，直至全部接入或甩断，从而精细蓄电池稳压型控制器的调节性能，避免了PV容量的大幅浪费[3]。

蓄电池稳压型太阳能控制系统的优点为结构简单、造价低廉、控制器体积相对较小以及安装使用方便。缺点为、以下4点：一是系统工作效率较低，PV输出电压与蓄电池电压绑死，无法跟踪PV最大功率点；二是系统依赖蓄电池稳压，其可靠性依赖于蓄电池性能；三是在蓄电池需要大电流充电时，系统工作效率低，而在蓄电池饱满时工作效率高，但此时蓄电池已不再需要大电流；四是由于控制器本身无稳压功能，对蓄电池组实际上只能有过欠压保护，而无法实现均浮充管理，严重影响蓄电池的使用性能和循环寿命。蓄电池稳压型控制器适用于PV功率＜1 000 Wp的系统。

2.2.2 直流变换稳压型太阳能控制器

（1）工作原理。太阳能系统的MPPT功能必须在直流变换稳压工作模式下才能体现。此时，PV的输入端电压通过设置在控制器输入端的功率比较电路，在负载需要大功率输出的前提下自动跟踪PV最大工作点，使系统输出最大功率。太阳能MPPT功能原理如图4所示。

图4 太阳能MPPT功能原理图

在图4中，PV与蓄电池和负载分别位于两个回路中，这与以蓄电池稳压的太阳能电源系统不同。在该系统中，PV与脉冲变压器初级串联为一个回路，由最大功率点跟踪电路（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制，可任意调节，使PV输出电压接近PV最大功率工作点电压，一般48 V系统在66 V左右。蓄电池及负载和脉冲变压器次级串联成另一个回路，脉冲变压器将初级线圈上66 V左右的电压变换为次级43～56 V的脉冲电压，经整流滤波后输送给蓄电池和负载。同时直流变换稳压型电源输入电压在允许范围内不受串联组件数量的限制，一般惯例为4块组件，但也可允许5块甚至6块标准PV串联输入，或者采用特制的高压PV，人为提高PV输入电压，进一步提升太阳能系统的工作效率。特制的太阳能组件很难被民用PV系统直接使用，因此在一定情况下起到了防盗作用。PV工作电压的提高大大降低了串联在初级回路的PV内阻的损耗，提高了PV的输出效率。

（2）太阳能电源系统中蓄电池的工作状态和特点。在太阳能电源系统中，蓄电池每天都会充放电，系统输出电压的大小是由蓄电池的充足程度决定的。因此，系统输出电压会在设定的蓄电池电压欠压保护点和均浮充电压点之间波动[4]。

目前，根据西藏气候特点，通信设施普遍采用的设计配置是在阴雨天时，蓄电池可连续3天（72 h）为负载供电。在日照正常时，PV在连续3个晴天中（累积15～18 h）充足蓄电池，即相当于每天除保证负载用电外还要给蓄电池补足24 h的负载运行能量。系统持续的供电时间是取决于蓄电池组的，在连续阴雨天时，蓄电池组的供电时间将由当天下午太阳落山时（约17:00）计起，直至第4天的17:00，共计72 h。

蓄电池的工作状态若是充足，那么17:00—9:00会释放负载15 h的运行容量，相当于蓄电池可放容量的21%（亦蓄电池标称容量的15%）。在晴天，这部分释放能量会在第二天被补足并进入浮充态。若接下来遭遇1个阴天，则将累积放出负载工作39 h的电能，相当于蓄电池可放容量的54%（亦即蓄电池标称容量的39%）。若次日为晴天，则能够补回24 h的能量，尚欠15 h充电量。若连续遭遇两个阴雨天，则将释放63 h的负载运行电能，相当于蓄电池可放容量的87.5%（亦即蓄电池标称容量的63%）。若次日为晴天，则可补回24 h的能量，尚欠39 h。但若遭遇3个连续阴雨天，则将释放72 h的负载工作电能，相当于蓄电池可放容量的100%（亦即蓄电池标称容量的75%），达到蓄电池组放电下限。在这种情况下，负载将在第三天18:00断电。

从以上分析可以看出，当太阳能电源处于连续晴天时，蓄电池组每天仅需要放出15 h的负载运行电量，而会在下一个晴天被补足，并使蓄电池组处于浮充状态。此工作状态不仅不会伤害蓄电池组，反而会因反复的浅度充放电而对蓄电池组极板活性物质产生积极的激活作用。但只要在运行过程中出现1个阴雨天，蓄电池放出的电能就会超过PV当天补充电能的极限（即负载24 h能耗量），出现两个以上连续阴雨天时，蓄电池将处在非饱满放电状态下。蓄电池在此状态工作时间越长，对蓄电池使用性能及循环寿命的负面影响也越大。

太阳能电源系统的本质问题是对晴天的利用率。蓄电池待机的目的是为了使系统具备等到晴天的必要条件，充分利用晴天快速补充蓄电池欠缺电量，不仅是保证蓄电池（亦即负载）使用性能的关键，也是延长蓄电池供电时间和循环寿命、提高系统供电可靠性的关键[5]。

（3）在现有配置下使用具有MPPT功能的太阳能电源系统具有显著优势。

首先，系统工作效率高，较PWM式最大高32%，平均高15%。具有MPPT功能的直流变换稳压型太阳能控制器，PV的输出电压不受蓄电池的牵制，能够在蓄电池需要电能补充时提供最大的功率输出，系统的整体工作效率达到95%以上。而蓄电池稳压型太阳能供电系统的输出效率随电池组的电压降低而降低，显然不能提供最大的工作效率。具有MPPT功能的太阳能系统整体工作效率比PWM型平均高出约15%。

其次，保护蓄电池的使用性能和寿命，提高供电的可靠性。对蓄电池的第一层保护是指MPPT控制系统具有独立的可调、稳压输出功能，能够实现对蓄电池组的均浮充管理。第二层保护是指MPPT系统效率高，能够快速补偿蓄电池的电能，减少蓄电池的深度放电概率，从而提高了系统整体的供电可靠性，减低了蓄电池组运维成本。第三层保护是指MPPT控制系统方便实现蓄温度补偿功能。以上3层保护是非独立稳压系统无法真正实现的，MPPT太阳能系统对蓄电池组有多重的保护功能，是蓄电池的使用性能和寿命比蓄电池稳压系统高很多的主要原因。此外，蓄电池使用性能的提高也大大提高了系统的工作可靠性。

最后，稳压式的模块化设计使系统工作可靠性提高。MPPT功能的太阳能电源都是采用直流变换稳压工作模式，具有独立稳压功能。太阳能控制系统由多台具有同等稳压功能的功率控制模块并机组合而成，能够脱离蓄电池组工作，避免因蓄电池组的缺失对负载的影响，大大提高整个系统工作的可靠性[6]。即使突然拆除蓄电池组，也不会对负载供电产生影响。

2019年9月，在拉萨对MPPT太阳能电源和PWM投撤型太阳能电源进行了对比测试。7 200 Wp太阳能电池方阵分为两个部分，分别接入MPPT太阳能控制器和PWM太阳能控制器，并分别接到两组48 V/1 000 Ah的同型号同亏电状态的蓄电池上，用计算机实时记录工作参数（每10 s记录1次数据）。某基站太阳能外景如图5所示。

图5 拉萨某基站太阳能外景

2019年9月23日，蓄电池组负载全天满功率输出对比测试如图6所示。

图6 池组负载全天满功率输出对比测试图

蓄电池组均充管理性能比较如图7所示。2019年10月10日，蓄电池即将充满时，观察蓄电池组的均浮充管理性能。

图7 蓄电池组均充管理性能比较图

蓄电池刚进入均充控制点是测试控制器均充管理的关键点，此时PWM+投撤控制器在进行子阵投撤动作，出现较大的能量脉冲（浅色脉动线）。投入子阵时，蓄电池组充电电流过大，属于短时过充（见突出的浅色部分）。切出子阵时，蓄电池充电电流减小，见图中和浅色相邻的深色凹陷部分。显然PWM系统没有实现对蓄电池组真实的均充管理。

MPPT控制系统在设定的均充电压下输出平稳（深色水平线），在太阳具有足够照度时，始终保持对蓄电池组的均充管理，没有突变的浪涌电流，控制器在检测充电电流的大小，当达到均浮充转换值后（5 mA/Ah），将立刻转入浮充充电。蓄电池组浮充性能比较如图8所示。

图8 蓄电池组浮充性能比较图

在蓄电池组完成均充进入浮充状态后，应该是有较小的一个稳定电流充入蓄电池组，为蓄电池组补充自身的损耗电能。图中深色的水平线表明，MPPT系统以稳定的电流为蓄电池浮充，没有让蓄电池组放电。而PWM系统能够明显地看出在蓄电池达到浮充控制点时，PWM控制系统不停的投切子阵。当太阳能电池接入时，必然有高能脉冲为蓄电池充电，当太阳能电池切出时，出现深色凹陷，此时蓄电池放电，为负载供电，没有真实意义的浮充管理。

2019年10月12日，测试两种控制器的温度补偿功能。蓄电池温度补偿功能比较如图9所示。

图9 蓄电池温度补偿功能比较图

图9中，浅色部分是PWM控制器在蓄电池组充满时的工作波形。可见在蓄电池充满后，为了调整蓄电池的充电电流，仍在不停的投切子阵，出现了浅色深色相间的投切脉冲，但却没有实现低温时的温度补偿。而深色部分的MPPT控制器工作波形很明显的比浅色部分抬高了近500 W，且输出平稳，说明MPPT控制器实现了温度补偿。

性能产生如此巨大差距的原因是PWM控制相当于一个直通型的开关，将太阳能方阵直接和蓄电池组相连，不能够独立控制太阳能方阵的输出电压和电流，而是依靠蓄电池组的容量通过投切太阳能子阵来调节充电电流，进而调节输出电压[7]。

DC-DC太阳能控制器是一个开关电源，太阳能方阵的输出电压和电流均经过控制器的整定后,再输出给负载和蓄电池组。输出电压和电流的大小均有控制器控制完成，蓄电池仅是电能的存储部件，因此能够被完好地控制，实现真实意义的均浮充管理。

3 风力发电特性及优缺点

通信上经常使用的风机从控制保护方式可分为泄荷刹车/甩机型和强风偏航型两类。

3.1 泄荷刹车/甩机型风机

泄荷刹车/甩机型风机由发电机头、风叶、尾舵以及内置的电磁刹车组件构成，需要配合泄荷器使用。风机尾舵与机头连为一体，尾舵的作用是使风机始终处于迎风方向，当风机发电过剩时，接入泄荷器旁路多于电能，同时也增大了风机负荷，降低风机转速。当风力过强，风机转速达到设定或最大值后，通过内部电磁制动刹车，抱死风机，使之停转，以保证风机的安全。甩机型工作方式是在此时通过风能控制器将风机从主回路上切出，使风机空转，以保护风机和负载设备的安全。风机的刹车抱死和切出均是自动完成的[8]。

此类风机的主要特点是在无人工干预下始终正面迎风，处于正面承受风压状态，其抱死或切出旨在防止高压大电流冲击蓄电池和负载。优点是风能利用的设定区间较精确，可通过多组泄荷电阻调节风能的输入电流，提高风能的利用效率。缺点是风机始终正面承受风压，不论刹车抱死型还是切出型，在强风下风叶和机架都易被损坏，风机的故障率较高。

3.2 强风偏航型风机

强风偏航型风机由发电机机头、风叶、偏心轴以及尾舵组成。发电机的机头与尾舵通过一个轴相连，整个机身又由一个偏心轴和机架相连，风机的尾舵后部设计有一个折弯，用来在强风状态下提高偏航动力。偏航式风机就是利用偏心轴，使风机在强风下正面承受风压，形成偏转趋势，偏转机身。由于风机尾舵和风机叶面的承受力矩相反，因此当风速足够大时就会出现折尾现象。当风机折尾后，风叶承受的风压骤然降低，而尾舵会在风中寻找顺风方向，从而带动风头叶面偏离迎风面。尾舵与机头的偏角最大为90°，偏航式风机外观如图10所示。

图10 偏航式风机外观

偏航式风机偏航原理如图11所示。

图11 偏航式风机偏航原理

偏航型风机的特点是风速达到设定值时，风机页面能够自动偏离风向90°使风机停转，保护风机的安全。当风向出现变换时，一旦达到切入风速，风机能够自动迎向风向，投入工作。此类风机的优点是能够自动躲避强风，工作可靠性高，不易损坏，具有很高的适应能力。缺点是风能的利用范围相对较小。

4 太阳能、风能电源的使用和注意事项

4.1 太阳能电源应选择合适的太阳能控制器

由于硅PV的生产工艺已经十分成熟，正规厂家PV的质保期都在10年以上，因此虽然PV是太阳能电源系统最贵重的部件，但却不是最关键的部件。太阳能电源系统的使用性能和可靠性几乎全部集中在太阳能控制器上，选择好太阳能控制器是设计使用太阳能电源的关键。

PV方阵的安装应参照当地的纬度确定仰角（仰角=纬度+5°）。太阳能组件安装应牢固结实，在野外主要预防的是风暴的袭击，因此PV组件间应留有空隙，以提高电池方阵的抗风能力。每块太阳能组件间的空隙应不小于20 mm，PV组件的表面玻璃为高透度钢化玻璃，可抵抗直径小于25 mm的冰雹撞击[9]。有阳光时，48 V PV方阵的输出电压应在58～95 V。

4.2 风力发电系统的关键环节较多

风机桨叶、控制保护形式及工程安装都会直接影响风力发电系统。风机桨叶是一个技术含量很高的部件，桨叶的好坏是决定风机使用寿命和可靠性的关键部件之一。风机的桨叶必须有很好的强度和韧性，而且同台风机的每片桨叶必须在重量和强韧指标上基本一致，否则在强风的作用下会失去平衡，造成风机剧烈震动，引发风机故障。风机在出厂时，桨叶已经配平，不同风机的桨叶不能互换使用。目前较好的风桨多采用高强度碳纤维和树脂制作。

4.3 风能控制器

风机发出的电能全部要通过风能控制器整定并输送给负载和蓄电池，其性能的优劣对整个系统十分关键。卸荷器的接入、蓄电池的充电管理以及风机的切出都需做到可靠准确，否则就会使整个系统瘫痪。较好的风能控制器应具备输入输出隔离功能，以降低输入设备故障对系统的影响。控制器最好具有稳压输出和限流功能，以保护蓄电池组和风机。

4.4 多能源输入时各种能源使用顺序的实现

多能源共同存在时，建议使用多能源一体化控制器。由于多能源一体化控制器有DC-DC稳压功能，风光电一体化系统的控制模块能够控制太阳能模块输出电压、风能模块输出电压以及市电整流模块输出电压。为了优先使用太阳能，系统可以设定太阳能为一个供电等级，风能为一个供电等级，市电整流模块为一个供电等级。太阳能通道、风能通道以及市电通道的输出可以被校准在不同的电位上，三者具有不同的输出特性，以此实现以太阳能→风能→市电→蓄电池的用电顺序使用电能，并且当上一级能量不足时欠缺部分会自动由下一级能量补足，充分保证在最需要时适时适量的使用蓄电池组的能量，保证蓄电池组的待机时间。同时最大限度地使用新能源，实现节能减排[10]。

4.5 工程安装

相较于大型风力发电机组，小型风机高度较低，通常工作在风的紊流区域，风机有很大的破坏性。离地面高度越高，风速越稳定，因此小风机安装高度应高于6 m，并尽量在相对平坦的空地安装风机。

影响风机工作性能的因素有很多，而且还存在机械磨损问题，导致风能的可靠性大大低于太阳能。因此，风光互补的供电系统应以太阳能为主、风能为辅，在西藏地区一般风光配置的比率不要超过3∶7。

5 结 论

由于西藏地区地广人稀，相当大的区域内无市电可用，或者市电来自小水电站（旱季无法发电），因此如何保证偏远地区尤其是道路沿线通信基站的可靠稳定运行成为各运营商关注的重点问题。风能太阳能在其他地区作为市电的补充和节能减排的手段，但在西藏，风能太阳能是很多通信基站唯一的能量来源，因此高效利用风能太阳能的实际意义显得尤为突出，选用高效率一体式控制器是提高效率的重要途径。