基于HOMER的通信基站风光互补供电系统设计

张商州，陈垚

（商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000）

随着移动终端用户的不断发展，基站的覆盖范围也在不断扩大，基站数量更是高速增加。但在建设过程中，由于某些地区特殊的自然地理条件，经常会遇到部分基站市电引入非常困难或者根本无法引入的情况，进而造成无法在选定地点施工或者是以很高的代价来完成基站供电工作[1]。对于这类地方若接入市电供电，则要花费大量资金进行架杆铺线，若采用单独柴油发电机发电，也需要较高的柴油储运成本。鉴于此，可以利用广泛的自然能源，采用风光互补供电系统可以很好的解决这类问题，它不仅成本远低于长距离小负荷供电电网，而且节约能源，减少了污染[2]。本文以郑州地区风力资源和光照资源为依照，针对通信基站的负荷运行情况，设计风光互补发电系统，通过HOMER软件仿真验证不同风光配比情况下，风力发电系统、光伏发电系统以及蓄电池的运行状况，为不同地区的风光互补发电系统选择合适的风光配比提供借鉴。

1 风光互补供电系统结构设计

风光互补供电系统是利用风能和太阳能资源进行发电，配备蓄电池作为辅助电源，主要组成有光伏组件、风力发电机、蓄电池组、逆变器、控制器等，其结构见图1所示。在白天光照充足的情况下，系统主要利用太阳能进行发电，电能一部分供负载使用，另一部分为蓄电池充电；在夜晚由于无光照，主要由风力发电和蓄电池进行供电，如果风能充足，则可全部由风能供电，也可为蓄电池进行充电；蓄电池主要进行储能，进行电能的调节和负载平衡；控制器主要进行风电、光电、蓄电池工作状态的调节，在新能源发电富裕时为蓄电池充电，在新能源发电不足时由蓄电池进行补充供电[3-4]。

图1 风光互补供电系统结构

2 通信基站供电系统设计与分析

2.1 通信基站供电系统设计

本文以郑州市某通信基站为例，假设基本用电功耗在1 000 W，附加10%的波动情况，根据当地经纬度在HOMER软件中可得出该地全年日照情况，另外根据中国气象局统计资料，查得郑州市地区各月平均风速及平均气温，见表1所示。

将风速、气温数据导入到HOMER软件中，考虑到通信基站中设备基本都采用直流供电，供电系统采用直流供电方式，见图2所示。由于HOMER软件具有自寻优功能，所以在设计时不用给出光伏和风力发电的具体装机容量，可给出光伏和风力发电容量范围以及组件、风机的相关参数、设备价格等，风力发电机选择通用型直流发电机；蓄电池选择2 V，1 000 AH的蓄电池串并联形成48 V的蓄电池组，可在蓄电池设计界面看出不同蓄电池容量的情况下蓄电池的最佳放电电流，以及不同放电深度情况下蓄电池的使用寿命。

表1 基站气象资料

图2 通信基站供电系统

2.2 供电系统仿真验证分析

在完成风光互补发电系统太阳能资源数据、风力资源数据、太阳能发电系统设计、风力发电系统设计以及蓄电池组设计之后进行系统仿真，得到在满足系统负载需求的条件下，针对不同太阳能资源以及风力资源的环境情况下最小投资的风光互补发电配置清单，如表2所示。

对表2中的配置1运行情况进行分析，进入Homer软件仿真结果分析界面，选择Electrical（电气参数）对风光互补发电系统进行整体分析。Electrical界面如图3所示。

图3中可以看出太阳能发电系统的发电量为12 544 kWh·a-1，占系统总发电量的91%。风力发电系统的发电量为1 236 kWh·a-1，占系统总发电量的9%。系统总发电量超出负载消耗电量为4 466 kWh·a-1，超出比例为32.4%，系统发电量是系统用电量的1.32倍，系统安全。

表2 风光互补发电系统配置情况

图3 风光互补发电系统仿真电气参数

Homer软件针对一天当中不同时间以及一年当中不同月份的太阳能发电系统运行情况进行了仿真分析。图4和图5分别是光伏发电和风力发电运行情况，从图4中得到光伏发电系统的平均功率为1.43 kW，系统平均每天的发电量为34.4 kWh，从图5中可以得到风力发电系统的平均功率为0.14 kW，年发电量为1 236 kWh。由于风力资源的分布特性，风力发电系统在春冬季发电量较大，与太阳能发电系统不同之处是风力发电系统全天都可能发电，能够很好的弥补太阳能发电集中在白天发电的不足，能够很好的减少蓄电池的充放电次数以及减少蓄电池的放电深度，增加蓄电池的使用寿命。

进入Homer软件的Battery（蓄电池）参数界面，如图6所示。Homer软件根据太阳能发电系统、风力发电系统以及负载的运行情况，对蓄电池组进行了仿真分析。从图Monthly Statistics中可以看出一年当中不同月份蓄电池组的SOC状态，分析了不同月份蓄电池组的运行情况。Battery Bank State of Charge中可以看出不同月份中一天当中蓄电池组的运行情况，24：00到6：00之间蓄电池的SOC状态一般比较低，负载主要依靠蓄电池组供电，6：00 到 18：00，负载主要依靠太阳能发电以及风力发电来运行，同时，系统对蓄电池组充电，蓄电池组SOC状态不断提高。纵观一年的蓄电池SOC状态，在1月、2月、11月、12月等月份蓄电池组充放电比较频繁，由于太阳能发电系统所发电量有限，蓄电池经常处于较低的SOC状态。

图4 光伏发电系统运行情况

图5 风力发电系统运行情况

图6 蓄电池运行情况

在负载用电一定的情况下，同一地区不同的风光互补发电系统配比决定了蓄电池的运行状态。对于配比合理的风光互补发电系统，蓄电池的容量、放电深度以及充放电次数能够大大减小，从而增加蓄电池的使用寿命，减小系统的运行成本。风光互补发电系统中储能系统的成本一般占据着整个系统成本的主要部分，因此对于一个风光互补发电系统，在满足负载运行条件的前提下，蓄电池的运行状态是评价一个系统好坏的重要评价标准。

2.3 仿真分析

以上只是针对配置一的情况下对系统仿真结果进行分析验证，在此对不同风光资源条件下的系统配置以及系统参数进行统计研究。仿真结果如表3所示。

表3 光伏发电与风力发电供能仿真结果

对表3中光伏发电和风力发电供能比例进行分析，可以看出在太阳能一定的情况下，随着风力资源的增加系统配置的风力发电机功率和太阳能发电系统功率减小，风力发电系统所发电量比例不断增加。因此可以看出当风力资源或者太阳能资源较丰富时可以适当增大所对应的风力发电机功率或者太阳能发电系统功率，使得风力发电系统发电量和太阳能发电系统发电量呈现一个合适的比例。

3 结语

在风光互补独立供电系统的设计中，如何配置光伏发电机的功率、风力发电的功率以及蓄电池组的容量，在满足负荷需求的前提下，使风能和太阳能资源得到充分的利用，负荷的供电可靠性较高，而系统成本最小，在设计风光互补发电系统时要考虑的一个重要问题。

本文以郑州市地区太阳能资源和风力资源情况为依据，针对通信基站负载的运行情况，利用HOMER仿真软件对风光互补独立发电系统运行情况进行分析。在不同太阳能资源和风力资源的情况下，HOMER仿真系统给出了不同的系统容量配置，本文对其进行统计分析，针对不同的自然资源情况，系统容量配置规律进行总结，对以后设计风光互补独立发电系统的容量配置具有一定的借鉴意义。