通信基站用油光互补能源系统的研究

2023-07-03陆运章张佳亮

太阳能 2023年6期

陆运章，张佳亮，蒋超，郭进，周蒙，何峰

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙410111)

0 引言

随着中国经济的持续发展，人们对通信网络尤其是无线通信的需求迫切，移动通信基站行业发展迅速[1]。中国西部地区及缅甸、柬埔寨、尼泊尔等东南亚国家的电力、交通等基础设施建设薄弱，电网供电质量低。且这些地区的通信基站分布广泛，供电环境复杂，大部分通信基站缺乏由可靠稳定的电网电力来提供能源保障[2]，通常是采用柴油机进行供电，运行与维护成本高。上述国家及地区拥有丰富的太阳能资源，但却未被充分利用[3-5]，因此其采用光伏发电作为通信基站的保障性供电成为最佳替换方案[6-8]。投资小、收益高的油光互补能源系统可解决国内外通信基站能源供应成本高的问题，拥有广阔的市场前景。基于此，本文通过对油光互补能源系统进行研究，对通信基站用油光互补能源系统进行设计，并对其的实际应用情况进行分析。

1 油光互补能源系统简介

通常，油光互补能源系统由光伏发电系统、柴油机、整流器、通信模块及远程监控等组成。其中，光伏发电系统包含光伏组件、蓄电池组、最大功率点跟踪(MPPT)光伏控制器。油光互补能源系统的结构图如图1 所示。

图1 油光互补能源系统的结构图Fig. 1 Structure diagram of diesel-PV hybrid energy system

光伏组件的作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能。MPPT 光伏控制器为电能管理的核心部件，其将光伏组件输出的电能进行转换以供给负载，并可对蓄电池组进行充电；其还可根据负载的能源需求，对光伏发电系统的电力供应进行合理分配和管理，实现能源稳定供应。柴油机作为油光互补后备能源为能源系统补充电能。

油光互补能源系统设计的关键在于设计合适的MPPT 光伏控制器来构建电能供应系统。本文根据负载功耗需求，设计单个独立的MPPT光伏控制器，由其直接控制负载供电、蓄电池组充电和柴油机的合理运行时间，系统逻辑简单、可靠。

2 通信基站用油光互补能源系统的设计

2.1 光伏发电系统参数设计及油光互补能源系统管理策略分析

以缅甸的通信基站为例进行分析。针对通信基站，油光互补能源系统是通过由光伏组件输出电力、蓄电池组储能和柴油机提供辅助电能来为基站供电。合理的系统电路设计能提高太阳能利用率，降低柴油机启动频率，节省燃油和维护成本。本能源系统采用光伏发电和柴油机互补发电、蓄电池组储能的模式。

1)负载功耗需求分析：通信基站处于缅甸的仰光郊区，基站的设备功率为1000 W，每天工作24 h，其每天的电量消耗为：1000×24=24 kWh。

2)蓄电池组容量分析：蓄电池组需提供至少1 天的负载用电量，即24 kWh。为保证蓄电池组使用寿命，其放电深度定为0.7，蓄电池组容量应为24/0.7=34.2 kWh；蓄电池组标称电压为48 V，计算得到需采用714 Ah 的蓄电池组，取整数为800 Ah，因此采用2 V、800 Ah 的蓄电池。以24 节蓄电池串联组成48 V、800 Ah 的蓄电池组，该蓄电池组存储的电量为38.4 kWh。蓄电池类型采用铅酸胶体蓄电池。

3)光伏组件装机容量计算：考虑当地平均有效日照时间为4 h，该能源系统的转换效率为80%，光伏组件每天至少充满蓄电池组1/2的电量，因此，光伏组件装机容量应为：38.4/(4×80%)×1/2=6 kW。

光伏发电系统的设计策略：采用单块标称功率为335 W 的晶体硅光伏组件，以“3 串6 并”的方式组成光伏阵列，总装机容量为6.03 kW，光伏阵列的开路电压小于150 V，可匹配MPPT 光伏控制器的工作电压；采用同步整流的高效MPPT光伏控制器，其实测的转换效率达到98%。尽管环境温度达到50 ℃，该光伏阵列的最高输出功率仍可达到5.4 kW，实现了该阵列的最大功率输出。

油光互补能源系统的管理策略：根据通信基站负载的功率和蓄电池组容量，优化调整柴油机启、停时的蓄电池组电压点，设置47 V 为柴油机启动时的蓄电池组电压点，54 V 为柴油机停止时的蓄电池组电压点，从而降低柴油机启动频率，节省燃油和维护成本。

本油光互补能源系统的配置如表1 所示。

表1 本油光互补能源系统的配置Table 1 Configuration of diesel-PV hybrid energy system in this paper

2.2 高效MPPT 光伏控制器的设计

2.2.1 硬件设计

MPPT 光伏控制器主要由主功率电路、驱动电路、采样电路等组成。主功率电路主要完成DC/DC 转换，将光伏组件输出的电能转换后向蓄电池组充电；驱动电路输出脉冲宽度调制(PWM)波驱动场效应晶体管(MOS)；采样电路采集光伏组件的电流、电压，蓄电池组的电流、电压，温度等信号，输入至微控制单元(MCU)的AD 转换单元；MCU 负责采集数据、处理运算和发送PWM 信号，进行充电控制，具有实现MPPT 控制算法、蓄电池组充电算法等功能。MPPT 主功率电路是光伏发电系统中的前级，是给蓄电池组充电的关键环节，通过MPPT 控制算法对光伏组件输出的电能进行调制，使光伏发电得到最大程度利用。

MPPT 光伏控制器作为光伏发电系统的核心部件，需具有高转换效率、保护功能齐全、可管理整体能量的特点。在白天光照良好的条件下，MPPT 光伏控制器对光伏组件输出的电能进行调节和控制，既可将光伏组件所发出的电能供给负载，又能把多余的电能储存在蓄电池组中。当光伏组件输出的电能不能满足负载需要时，可由蓄电池组联合光伏组件进行供电，也可以单独由蓄电池组供电。MPPT 光伏控制器具有对蓄电池组的过充保护、欠压保护、防反接等保护功能。

MPPT 光伏控制器硬件的基本拓扑如图2 所示。图中：C1为输入电容、C2为输出电容、L1为电感，这3 个元器件具备储能功能；Q1、Q2均为MOS 开关，驱动电路通过产生不同占空比的PWM 波，控制Q1、Q2这两个MOS 开关的开关通断，实现从光伏组件电压到蓄电池组电压的转换和能量传递功能。

图2 光伏控制器硬件的拓扑图Fig. 2 Topology diagram of PV controller hardware

2.2.2 软件设计

在MPPT 光伏控制器软件方面，采用MPPT控制算法，充分利用光伏阵列的输出功率，通过恒压控制算法使光伏发电系统实现恒压目标后，可在最大功率点附近采用扰动观察法进行下一步工作。与传统扰动观察法不同的是，此种算法在外界环境或负载发生突变时，MPPT 控制由恒压控制算法实现。因此，结合恒压控制算法的扰动观察法主要是对最大功率点附近的稳态特性进行优化，其扰动步长可远小于传统扰动观察法中的扰动步长，从而在稳态时可有效减小光伏发电系统在最大功率点附近的振荡现象。

MPPT 光伏控制器根据光伏阵列的输出电压判断光伏发电系统的工作状态，具体步骤为：1)若光伏阵列的输出电压在恒压控制算法设定的电压之外，执行恒压控制算法设定的电压；2)若光伏阵列的输出电压在恒压控制算法设定的电压之内，进行小步长的扰动观察法，逐步调整k时刻的光伏阵列电压Vk，直到接近光伏阵列的最大功率点电压Vm，此时光伏发电系统工作在最大功率点。

MPPT 控制算法的流程图如图3 所示。图中：V0为光伏阵列初始电压；I0为光伏阵列初始电流；P0为光伏阵列初始功率；Ik为k时刻的光伏阵列电流；Pk为k时刻的光伏阵列输出功率；Vref为恒压控制算法的参考电压；dV为扰动电压增量；D为占空比；Δd为扰动占空比。

图3 MPPT 控制算法的流程图Fig. 3 Flow chart of MPPT control algorithm

3 应用效果分析

将本文设计的油光互补能源系统批量应用于缅甸各地的通信基站，以缅甸仰光郊区通信基站的10 个站点(编号为S1～S10)为例，对该能源系统的运行数据进行分析。

应用于站点S1的油光互补能源系统中的光伏阵列装机容量为6.03 kW，在2021 年4 月16日该能源系统的实时发电数据如表2 所示。应用于站点S1的油光互补能源系统在2021 年4 月16日的实时输出功率如图4 所示。

表2 应用于站点S1 的油光互补能源系统在2021 年4 月16 日的实时发电数据Table 2 Real time power generation data of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 on April 16th，2021

图4 应用于站点S1 的油光互补能源系统在2021 年4 月16 日的实时输出功率Fig. 4 Real time output power of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 on April 16 th，2021

结合表2 和图4 可以发现：4 月16 日该能源系统的发电量为26.46 kWh；蓄电池组当天凌晨00:02 的电压为49.32 V，23:42 时电压降至49.17 V，但蓄电池组的剩余电量仅从46%下降到45%，这表明光伏发电量与负载用电量之间基本持平，光伏发电量能满足供电需求；柴油机当日未启动，节省柴油量为100%。当日MPPT 光伏控制器的最大输入功率约为3962 W(即光伏阵列的最大输出功率)，输出功率约为3897 W，转换效率高达98%，说明其内部损耗小。

应用于站点S1的油光互补能源系统在2021年4 月1—18 日的日发电量如图5 所示。

图5 应用于站点S1 的油光互补能源系统在2021 年4 月1—18 日的日发电量Fig. 5 Daily power generation capacity of diesel-PV hybrid energy system applied to site S1 from April 1st to 18th，2021

由图5 可知：在4 月1—18 日中该能源系统的日最高发电量为26.46 kWh，日最低发电量为10.46 kWh，日均发电量为21.30 kWh，接近负载的日均耗电量(24.00 kWh)。

4 月1—18 日S1～S10这10 个通信基站的日最大发电量统计结果如表3 所示。

表3 4 月1—18 日10 个通信基站的日最大发电量统计结果Table 3 Statistical results of daily maximum power generation capacity of 10 communication base stations during April 1st to 18th

从表3 可以看出：10 个通信基站中有8 个站点的能源系统日发电量大于24 kWh，达到设计指标，仅站点S4和S6的日发电量低于预期，经后期排查发现发电量低是因为光伏组件受到遮挡，光伏发电系统为非正常工作状态。8 个站点(不含站点S4和S6)的柴油机月平均启动频率均为1 次/天，每次启动时长均为2 h；每个站点每月柴油消耗量为61 L，对比原来的单一柴油机发电系统( 柴油机每天工作24 h，每月柴油消耗量为680 L)，可节省91% 的柴油消耗量。

将本文的油光互补能源系统与单一的柴油机发电系统的投资效益进行对比，对比结果如表4所示。

表4 两种供电模式的投资效益对比Table 4 Comparison of investment benefits between two power supply modes

从表4 可以看出：当采用单一柴油机发电系统时，通信基站原配置有1 台10 kW 的柴油机，每天24 h 处于运行状态，每月柴油消耗量约为680 L，按缅甸当地的柴油价格5 元/L 计算，每年的燃油成本为40800 元，柴油机运维成本按4000 元/年计算；基站每天耗电24 kWh，5 年的用电量为43800 kWh，5年用电总成本为25.4万元，平均LCOE 为5.8 元/kWh。

与采用单一柴油机发电系统相比，油光互补能源系统需新增1 套光伏发电系统，成本约为7万元；每月柴油消耗量约为61 L，相较于采用单一柴油机发电系统时的月柴油消耗量，月均可节省91%的柴油消耗量，每年的燃油成本为3672 元；油光互补能源系统的运维成本按2000元/年计，5 年用电总成本约为12.8 万元，平均LCOE 为2.93 元/kWh。此外，光伏发电系统每5 年更换一次蓄电池组，成本按3.5 万元计，10年的平均LCOE 则可降至2.19 元/kWh，仅为单一柴油机发电系统的40.1%。综上可知，通信基站采用油光互补能源系统的性价比远高于采用单一柴油机发电系统。