基于5G移动通信基站的可再生能源通信电源系统研究

丁 瑜,邓敏茜,程 乔

(1.南宁职业技术学院,广西 南宁 530008;2.广西建设职业技术学院,广西 南宁 530007)

0 引言

近年来,我国通信事业得到了高速发展。与此同时,5G移动通信基站子系统的能耗也在不断增加。可再生能源通信电源系统的应用不仅满足了国家节能减排的宏观战略要求,也降低了移动通信电源系统的建设、使用和维护成本。将可再生能源作为5G移动通信基站子系统的供电能源具有重要意义。基于此,本文提出了一种风、光组合式通信电源系统,采用了MPPT跟踪、PI控制等算法提高了系统的运行性能,探讨了系统的实现技术路线。

1 5G移动通信基站子系统的负载情况

在不同的运行环境之下,与4G相比,5G移动通信基站子系统的同配置设备平均功耗增加了2～4倍,而后期基站子系统设备的升级、扩容将给通信电源系统带来更大的考验。在供电基础设施建设较为落后、供电不稳定的区域,保证5G移动通信基站子系统的稳定运行非常困难;在不具备市电引接条件的区域,基站子系统无法运行。

5G移动通信基站子系统的负载主要包括空调(或新风系统)、照明、设备、AAU、有源天线等交直流负载,并留有适当余量,故也需要将直流电转换成交流电给交流负载供电。5G移动通信基站子系统的正常运行关乎国计民生,不能有较长时间的断网情况出现,如果地市级别出现大面积5G移动通信基站子系统掉网将被认定为相应级别的生产事故。因此,5G移动通信基站子系统对电源系统的稳定程度有着较高的要求。

2 可再生能源通信电源系统架构

可再生能源通信电源系统技术方案整体架构如图1所示,采用风力发电系统、光伏发电系统组合供电方式为基站子系统供电,以蓄电池作为整个通信电源系统的储能、应急供电方式。图1中粗线代表能量流、细线代表信息流,在直流母线与交流母线之间采用双向AC/DC变流器作为整个通信电源系统的潮流协调控制器,实现各种能源组合、互补的协调控制。

图1 可再生能源通信电源系统架构

2.1 光伏发电系统

光伏效应是光伏发电的基本工作理论,即将太阳能转变为电能。当阳光照射太阳能电池板时,光的一部分被直接吸收。光伏发电系统可以将太阳能直接转化为电能[1],在此过程中没有其他物质能量的消耗,维护简单,安全可靠性高,并且可以在很多场景下应用。国内外太阳能光伏产业在研发、生产和应用方面都获得了长足进步,技术日趋成熟,将光伏发电系统高精度的控制算法引入通信电源系统有着重要的实践意义。当光伏发电系统的负载阻抗与光伏发电系统内阻一致时,光伏发电系统可以获得相对较高的输出功率,采用控制器动态地调整负载的外部特性获得较高的输出功率。因各地区日照情况不同,在5G网络移动通信基站子系统的电源实践应用中,建议选择多片串联的方式完成光能的收集。

2.2 风力发电系统

风力发电系统是风力发电系统和光伏发电系统的组合,既可作为节能减排的有效方案,也可以作为市电引入困难地区的5G移动通信基站电源使用。风力发电系统和相应的储能系统相结合可以构建运行稳定的5G移动通信基站的新型分布电源。根据涡轮风力结构、特点及应用场景的不同,风力发电机分为很多种。离网型风力发电系统因其发电功率较小、容量较小、安装使用方便、维护成本低的特点,多应用于小型设备供电场景和偏远地区。离网型风力发电系统通常将异步发电机和永磁发电机作为产能核心。

本系统风能发电部分将自励异步发电机作为风电单元。由潮流协调控制器提供负载所需的不平衡电流和谐波电流,使自励异步发电机的输出电压和电流为三相对称的正弦波形,可使发电机额定运行,提高风电机组的利用率,降低系统的建设和运行费用,具有良好的经济性。

2.3 蓄电池系统

可再生能源发电方式具有相对不确定性,当风机和光伏电池的实际发电量有波动时,会引起5G通信电源系统的频率和电压变化,使其工作效率降低,并带来一定的安全隐患。风能和光能虽然在时间上可以一定程度地形成互补发电,但是无法一直保持一种在线状态。在特殊情况下,风光组合通信电源系统发电量可能无法满足5G移动通信基站子系统各项负载正常运行的需要,会产生断电掉站现象。而在风光组合通信电源系统可以高效工作的情况下,如果不能将产生的电能存储起来,会出现严重的弃风和弃光现象。由于风能和光能都是间歇式能源的特点,所以必须配备相应的储能设备以保证供电的稳定[2]。储能系统可以提高5G通信电源系统的控制效率,是保障通信设备不间断供电的核心设备,有助于提高5G通信电源系统的可靠性和工作效率。

5G移动通信基站大多将阀控式密封铅酸蓄电池作为主要的储能设备,将风能和光能所提供的电能转换成可以储存的化学能,在可再生能源部分所提供的电能无法达到5G移动通信基站子系统运转需求时,将储存的化学能再次转变成电能。本系统配套的蓄电池可以用铅酸蓄电池、锂电池、铁锂电池等,其容量根据移动通信基站子系统的建设区域、应用场景来灵活选择,例如较为偏远的区域、维护不便利的区域可以选择容量相对大一点的蓄电池组,科学合理地设计蓄电池组的容量。

3 可再生能源通信电源系统的实现技术方案

3.1 主要控制算法

PI控制算法可靠性高、实现方便、鲁棒性好。在本通信电源系统中,P控制按期望值对通信电源系统参数进行控制,P参数越大,比例调节器部分相对作用就越强,其动态响应相对较快。I控制器主要用于消除被控对象的稳态误差。

最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)主要特点是输出功率与其控制器的输出工作电压存在一定的关系,当工作运行在最适电压下,输出功率可以达到最大值。MPPT是一种通过调节电气模块的工作状态,使其产生电能的电气系统。与传统控制器相比,MPPT可以实时完成被控系统的跟踪控制,动态地使被控对象运行在高效状态。

3.2 DC/DC控制集成装置技术方案

对于3个DC/DC控制装置,若要分别进行设计,需要较高的代价,并且会增加故障点,所以需要研究三路DC/DC的集成化设计技术和拓扑结构,可以充分利用IGBT器件的6管集成功能,借助核心DSP实现三路DC/DC变换。集成DC/DC控制装置以DSP微处理器为核心,可实现光伏发电与风力发电的最大功率点跟踪,升压斩波控制。

3.3 双向变流器控制与电能质量调节装置技术方案

用电负荷以5G移动通信基站子系统的空调(或新风系统)、照明、设备等交直流负载为依据,并留有适当余量,故也需要将直流电转换成交流电给交流负载供电。同时,考虑负载与电源的动态变化对系统设备可能造成影响,采用以MPPT跟踪算法、PI控制算法为主的电能质量调节方法,引入电能质量调节功能,实现多路DC/DC、DC/AC能量的双向流动,确保光伏发电、风力发电部分具有高效的MPPT功能,电压的稳定控制以及蓄电池的无损充放电控制,以提高用电负荷的电力供应质量。采用基于嵌入式的设计方案,选择“浮点数字信号处理器DSP+智能功率模块IPM”作为控制器的核心,并对各电源节点PI控制器的参数进行在线粒子群优化[3],是具有高性价比的实践方案。

3.4 电源节点的容量优化配置与能量平衡技术方案

为提高系统的利用率和效率,需要对各电源节点的容量进行优化配置,并且在实际投运后还需要考虑纬度、季节、光照、风力、储能容量及电负荷等多因素,实时平衡各电源节点的发电量。各个光伏阵列节点通过各自的升压型DC/DC变流器与直流母线相连,蓄电池组通过双向DC/DC变流器与直流母线相连,各节点由各自的单向DC/DC变流器实现MPPT控制,以提高光伏电源的发电效率。各电源节点PI控制器的PI参数采用了在线粒子群优化方法,进而加快了动态参数筛选的速度。

4 结语

本文在结合5G移动通信基站子系统现网运行特点的基础之上,探讨了一种可再生能源通信电源系统。该系统采用在线粒子群优化方法对多组电源节点PI控制器的参数进行实时调整,同时确保蓄电池的最优充放电控制;采用嵌入式与现代变流技术将太阳能光伏发电、风力发电、蓄电池充放电控制单元与电能质量调节单元进行整合优化设计,形成“背靠背”的系统拓扑结构,最大化地实现电源与负载投切时电压的稳定控制。