太阳能叠光在通信基站中的应用分析

董佳琦，黄圣恩

（中国移动通信集团设计院有限公司信息能源所，北京 100080）

0 引 言

目前，世界各国面临的气候和能源危机越来越严重，威胁着经济发展和生态系统发展。在此背景下，绿色能源是新一轮技术革命中的经济增长点，是对全新发展模式的尝试和探索。目前，以硅能源为基础的光伏发电是发展最为迅速的产业之一，西部大开发作为国家重大发展战略，为光伏发电的发展和普及应用创造了条件与机遇。

1 太阳能光伏发电系统基本原理

我国经济和社会发展已进入高速发展阶段，通信的数据量和规模均呈现不断增大与上升的趋势，对通信网络的可靠性、安全性要求也逐渐增加。太阳能是一种绿色可再生能源，在减少温室气体排放等方面发挥着重要的作用，被认为是当前世界上最具有发展前景的新能源技术之一。光伏发电技术已相对成熟，且运行十分安全可靠，具有零环境污染、低运行成本、无长距离传输损失、无中间转换和机械运动、建设周期短、运行简单高效以及兼容性好等优点，在5G站点建设规划中，可以将光伏能源与其他能源组成系统共同为基站设备提供动力保障。基于上述优点，太阳能光伏发电系统可以在一定程度上为偏远地区站点供电困难提供解决方案[1]。

在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池阵列产生的电能通过控制器对通信负载进行供电或对站点开关电源系统的蓄电池组进行充电。当光伏发电系统供电容量不足时，则由控制器控制开关电源系统对通信负载进行供电。根据控制机理和系统组件的不同，光伏发电系统可以分为离网发电系统和并网发电系统，主要由光伏组件、控制器、蓄电池组、汇流箱以及其他辅助器件组成，以实现对太阳能的采集，并将其转换为电能。

光伏组件是将多个多晶硅电池进行串、并联，并经过严格组装和封装而成。其原理是在半导体中由光的入射引发光电效应，单独的半导体可以产生0.45 V的电压，工作状态下的电流为20～25 mA/cm2，通过将其进行串、并联封装后作为光伏发电电源使用。在光伏发电系统中，控制器是实现多路光伏阵列对负载供电和蓄电池充电的控制设备，根据拓扑结构可以分为直流转直流电源（Direct Current/Direct Current，DC/DC）型和直通型两类，其主要功能是对光伏系统的工作状态进行信息采集并记录历史数据，同时通过数据传输功能完成多个子光伏系统的远距离控制和集中管理。蓄电池组主要对光电转换产生的电能进行储备，以便在电力或光照不足时为通信设备供电。汇流箱主要对系统中光伏电池阵列的电流进行汇总，并统一接入到后端的逆变器或DC/DC变换器中，使得光伏电池与后端设备间的连接线缆大幅减少，优化系统结构，提高了系统的运行安全性和部署效率。

2 通信基站太阳能叠光方案设计

通常情况下，通信专业设备和相关配套设备是基站负载的主要组成部分，如信号发射器、信号接收器、机房冷却设备、照明设备以及备用电源等。因为基站面积有限，所以规划设计基站供电系统时必须先满足站点供电可靠性，其次考虑光伏发电系统的经济性[2]。根据通信设备总容量可以计算出所需的光伏发电容量和蓄电池总容量，依据光伏发电容量可以计算出光伏发电系统的占地面积和总体成本。

目前，基站电源的供电方式主要包括以下几种。一是高频开关电源供电。此供电方式适用于电力供应充足及便于供电的地区，不间断电源作为配套设施以确保站点的全时间段运行工作，保障通信网络[3]。二是纯光伏发电系统供电。此供电方式仅采用太阳能光伏发电系统对负载进行供电，适用于电力供应条件非常困难的偏远地区，如海岛或山区，此时光伏阵列的输出功率需足够大且符合天气变化要求才能满足基站负载的供电要求。三是光伏发电为主要能源并备用高频开关电源。此供电方式安全级别较高，通常使用油机作为备电电源，主要用于核心机房或数据中心机房。四是风光互补供电。此供电方式主要适用于风力和太阳能资源十分充足且电力供应条件较差的地区，实现风能和太阳能分时或同时转化为电能供电与基站负载，一定程度上增强了供电可靠性。

太阳能叠光方案是在基站已有电源的基础上，通过增加太阳能发电作为供电输入单元，并优先使用其进行供电，实际安装仅满足于基站负载功率的太阳能电池板。此方案中，利用太阳能光伏发电系统代替油机发电系统，当市电发生故障时，使用太阳能发电系统保障基站的正常供电；在无市电或市电供应较差的海岛和偏远地区，大容量的光伏发电系统作为第一供电系统保障基站负载的运行工作。

2.1 传统太阳能叠光方案设计

目前，绝大多数正在运行的基站都采用蓄电池与油机组成的应急供电方案。传统的太阳能叠光方案是通过增加一套独立运行的太阳能供电系统，那么太阳能发电系统输出的直流电与存量开关电源直流输出是并联关系，造成太阳能系统与开关电源相互独立。叠光方案拓扑结构如图1所示。由于要优先使用太阳能供电，则太阳能发电系统的输出开路电压应高于开关电源，故在此方案中设置合适的太阳能发电系统输出电压就至关重要，若设置的输出电压过高或过低则会大大降低太阳能的利用率。

图1 拓扑结构

因开关电源系统对蓄电池具有一定的管理功能，在充电时能限制最大的充电电流以保护蓄电池的使用寿命，当太阳能系统的输出电压超过系统的设定值时，过高的电压会对电池造成过度充电。通常情况下，叠加的太阳能发电功率比负载功率高且有一定的安全容量，当蓄电池需要充电时，多余的太阳能功率可以用于电池的充电，此时电池的充电电流会超过开关电源设定的最大充电电流，造成蓄电池的实际充电电流与开关电源的测量值有偏差，进而影响对蓄电池的充电安全管理。开关电源系统还具备温度补偿功能，但因太阳能发电系统和开关电源系统是并联且相互独立的，故当温度下降时，会造成蓄电池的浮充电压升高，导致太阳能的利用率不高；当温度升高时，太阳能发电系统输出电压不变，造成电池加速充电失水。此时，若提高太阳能资源的利用率，则需要关闭开关电源系统的温度补偿功能，但会造成蓄电池使用寿命的大幅降低。综上所述，传统的叠光方案虽然能够增加太阳能资源的利用，但因系统的相互独立，增加了运维成本，整体运行效率不高，未能真正做到高效绿色低碳运行。

2.2 模块化太阳能叠光方案设计

基于传统叠光方案的设计思路，利用电力电子技术与数字信息技术相融合，将软件和算法内置于电源模块的控制芯片中，实现了软件可以定义硬件的相关功能，同时具备不同功能模块间的高兼容性[4]。由于太阳能模块和整流模块的兼容性，通过同一个监控模块的控制，当考虑太阳能功率大小、蓄电池需求电压大小等因素时，均能优先调度使用太阳能发电系统，充分提高太阳能资源的利用率。同时对太阳能模块和整流模块的输出电压统一调整控制，并保持电池温度补偿的同步性，确保蓄电池充放电管理功能发挥作用。

针对模块化太阳能叠光方案，光能利用率直接关系到节能效果和初始投资的大小，是叠光方案的关键技术。利用追踪精度较高的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术，可以确保其始终工作在最佳功率点，转换能量也比传统技术多20%左右，故在同等光照条件下可以大幅度节约太阳能板的配置[5]。根据不同应用场景可实现分阶段部署，达到平滑叠光演进的效果，同时太阳能叠光需合理的调度逻辑。在市电稳定地区，太阳能不是充当唯一的能量输入角色，而是作为节能手段，实现市电与太阳能结合供电的效果，通过监控模块实现不同情况下太阳能模块、整流模块以及备用电池的综合可靠调度，更好地调整节能效益和供电可靠性之间的平衡。

3 创新应用实例

5G时代的通信网络具有带宽高、延时低、连接大等特点，其正在不断赋能，推动社会发展变革。在部署与建设5G基站的过程中，面临着站点数量激增、基站功耗剧增（约为4G基站的2～3倍）、机房空间不足、运维能力不足等情况，造成5G基站存在建设成本高、周期长及运维成本高等问题。基站空间不足和供电容量不足严重影响着5G建设速度，若在传统供电系统方案中外加光伏发电系统后仍存在基站供电效率不高、智能化水平低、维护成本高等问题。基于环境保护需求、行业政策引导和国家“碳达峰”“碳中和”的发展战略下，利用电力电子技术与信息处理技术的深度融合，引入数字供电技术和站点智慧运维模式，提出了以多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）电源为核心，外加叠光技术的整套站点能源供电解决方案，具有多种能源输入复用、多电压输出自适应等功能，通过完成同类器件整合共享和定义软件按需调度，实现太阳能清洁能源的即发即用。该方法相比传统建站与运行方式，建造成本及时间降低20%，单站能耗降低24%，助力通信网络高效、便捷、低成本地快速部署。

该解决方案是基于5G一体化能源柜，外接输入太阳能光伏发电系统并搭配智能锂电池，利用叠光模块与其他模块的兼容性，实现太阳能清洁能源作为基站供电系统的能源补充，通过智慧能源网管平台的“错峰用电”功能实现站点及节能降碳。对于不同应用场景，均配置出不同设备连接方式的组网方案，如图2所示。智能太阳能组件、叠光模块、MIMO电源等部件均采用碳化硅的小体积器件制造。智能光伏板是一种高效单晶硅太阳能光伏组件，光学性能良好，能够发挥出硅材料的优良特性，同时支持远程故障定位的功能，实现硅资源“生产、传输、利用”的循环体系，打破原有化石能源制造原材料的生产使用体系，成为建设高效绿色能源系统的重要组成部分，促进社会绿色发展。

图2 不同解决方案示意图

4 结 语

太阳能作为可再生资源，生产使用中不会造成任何污染，符合国家“碳达峰”“碳中和”的发展战略。智能叠光方案可以解决绿色低碳建站需求，大大提高了通信网络的可靠性，同时为基站的节能开源提供全新的思路，对落实基站绿色能源的节能减排和可持续发展目标有着积极且重要的意义，为推动社会经济发展全面绿色转型、实现“碳达峰”“碳中和”目标提供了有力的技术支撑。