边远站点光伏自供电电源系统的研究与应用

李龙刚， 任建平， 邬小可

(北京特种工程设计研究院，北京 100028)

0 引言

本项目地处西北地区，为某边远区域的边界安防系统提供电源保障。 该区域周界沿线部署安防铁塔近百座、监控立杆近千根，禁区周界长近2 000km， 部署点位涉及荒漠戈壁、山地、沙漠、谷地、湿地等多种地形，同时该区部分地区有季节性扬沙、浮尘等天气，且风力较大。

周界安防铁塔和摄像机监控立杆部署区域无市电覆盖，根据当地的气象条件，最好保障方式是建设相应光伏微电网系统。 该供电系统在能满足为铁塔负载和立杆负载供电的前提下，还要能适应以上各类应用场景以及各站点的气候条件，整个供电系统具备远程一体化管理、维护能力，实现对供电系统内的运行状态信息、负载用电信息以及设备故障信息等可视化管理，并通过供电系统建设实现电能本地存储、系统自我诊断、无人值守、电池管理功能、远程监控等功能。

建设一套适应各类复杂环境，配置高效、合理，无人值守，智能运维管理的“绿色”自供电电源系统，实现对禁区周界安防铁塔和监控立杆设备的可靠电力供应，同时通过电源监控软件对供电系统进行一体化管理。

1 输入条件

1.1 气象条件

该区域属典型的大陆型干旱性气候区，气候异常干旱、寒冷、多风少雨，昼夜温差大。 尤其在戈壁沙漠中，起风频率高、风力强，一经起风，便飞沙走石， 能见度极低。 最高气温48℃， 最低气温-25.3℃，昼夜温差达38.2℃[1]。 日照相当丰富，总日照数大于2 990 h，无霜期平均210 天，该区域最差月份有效日照时间，弱光区取值为3.43 h/天；强光区取值为4.67 h/天。

1.2 用电负载分析

以其中比较典型的安防铁塔为例，某承载设备主要包括陆地安防雷达、远程光电、监控摄像机、智能安防机箱等，设备供电明细见表1。

表1 安防铁塔电明细

安防铁塔承载设备主要为周界远程预警设备，意在为周界管控争取宝贵的处理时间，意义重大。为了保证供电的可靠性，设计功耗按实际功耗的1.1 倍进行供电配置。 设备都按连续工作考虑。

实际总功耗647W，设计按照实际功耗的1.1 倍考虑，即设计功耗为647W×1.1 ＝711.7W。

1.3 连续供电时间需求

所在区域内的连续阴雨天数不超过3 天，极限不超过7 天，考虑到费效比等因素，设备电源保障时间定为3 天(72 h)。

2 光伏系统容量确定

在纯太阳能供电系统配置公式中，一切均按照能量守恒定律进行核算。 光伏板的配置需要满足一日产生电能(按平均日照数算)应满足在连续的阴雨天内设备的需要，并能实现对电池组正常充电[2]。 系统中所有能量均来自于太阳能，在极端恶劣气候下，完全由蓄电池提供后备能量供给，则蓄电池持续T小时，放出电量为U×I×T(UI乘积为负载功耗)；若设定需要用N天晴天来补充满蓄电池亏欠的电量，则在N天内，负载每日24 h 工作，负载共耗费24×N×U×I，因此需要太阳能在N天内一共要补充回来UIT+24NUI，即U(IT+24NI)。

太阳能每天有效日照为H，因此N天太阳能配置容量需要在NH小时内补充为上述消耗的总能量U(IT+24NI)，考虑系统转换效率ρ，故可以得到公式(1):

S＝U(IT+ 24NI)/NHρ(1)

式中，S为太阳能电池组件的总容量，Wp；U为系统母线电压，本次要求为DC 48V，因此取值48，V；I为负载电流，取值711.7W/48V ＝14.8A，按中间环节无损耗考虑，A；T为蓄电池持续供电时间，本案站点设定为3 天后备，取值72，h；N为补足蓄电池极限能耗时间，根据设计需求取值为3，d；H为当地最差月份有效日照时间，弱光区取值为3.43 h，强光区取值为4.67 h；ρ为控制系统效率，控制器系统转换效率取值0.9。

(1)强光区S＝8 113Wp

选择单片规格为450Wp 的太阳能组件，工作电压Vmp 为41.0V，在48V 系统中，最小工作单元为3块组串。 计算结果为需要配置21 块450Wp，小计9 450Wp。

(2)弱光区S＝10 884Wp

选择单片规格为450Wp 的太阳能组件，工作电压Vmp 为41.0V，在48V 系统中，最小工作单元为3块组串。 计算结果为需要配置27 块450Wp，小计12 150Wp。

3 电池容量计算及选择

3.1 容量的确定

蓄电池组容量计算公式如式(2)所示[3]:

式中，Q为蓄电池容量，Ah；K为安全系数(一般在1～1.25)，本次取值为1.25；I为负载电流，取值711.7W/48V＝14.8A；T为蓄电池持续供电时间。本案站点设定为3 天后备，取值72，h；η为蓄电池放电容量系数，蓄电池最深放电深度取值为0.8；A为电池温度系数(1/℃)，当放电小时率≥10 时，取0.006，当1≤放电率＜10 时，取0.008，当放电率＜1时，取0.01；t为环境温度，考虑到采用保温措施，因此环境温度取10℃。

经计算，蓄电池组容量Q＝KIT/η[1-0.006(25-t)]＝1 830Ah。

3.2 电池种类的选择

由于该区域最高气温48℃，最低气温-25.3℃，地表最高温度为70℃，在这样环境中对电池的工作效率提出了很高的要求。 下面就铅酸、磷酸铁锂、铅碳、铅晶电池进行性能比较(数据来自国内具有代表性的厂家的技术参数)，具体参见表2。

由于各点位环境较为恶劣，地处偏僻，日常维护困难，因此选用可靠性高、适应环境性能好、寿命周期长的电池作为储能单元，根据表2 对比情况选用铅晶电池。 查询相应铅晶蓄电池规格后，选取单体规格为2V/800Ah 的铅晶蓄电池，共48 节，每24节串联，共2 组，构成48V/1600Ah 电池组。

表2 蓄电池性能比较

4 系统结构

系统主要由光伏电池板系统、模块电源、汇流排、蓄电池、DC/AC 逆变器及微网监控系统组成。 在设备中存在DC 12V 用电设备，采用DC/DC 电压转换为DC 12 电源供给，AC 220V 用电设备采用DC/AC转换为AC 220V 电源供给，系统构成示意图见图1。

图1 光伏系统构成示意图

5 电源监控系统

单个电源系统主要由单晶硅光伏发电系统、电源设备管理系统、电池储能系统及电源分配系统组成。 电源监控软件分为区域中心、分控中心和总控中心三层。 因此可通过一套软件多级部署来实现供电系统前端站点的多级管理。 以设备管理状态监测技术实现对光伏系统、能量转换、储能系统及全部的供配电设备进行综合管理和监测，对供电系统内的运行状态信息、负载用电信息以及设备故障信息等实现可视化管理。 通过供电系统建设实现电能本地存储、系统自我诊断、无人值守、电池管理、远程监控等功能。

监控软件主要功能包括数据采集与处理、数据存储和展示(如画面、曲线、报表等)、系统自我诊断、事件告警及管理、控制与调节、电池管理、运行管理等。

6 结束语

本文结合某工程所在地特点，从用电负荷容量确定、光伏板选择、蓄电池种类及相应电能储存时间的确定等方面入手分析，并建立一套电源监控软件对电源系统的各部分进行监测，解决了点多、线长、面广不宜管理、检修难度大等一系列难题，对孤立安防设备的电源的保障提出解决方案，在类似项目中具有一定借鉴意义。