風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)在通信基站中的應(yīng)用

孟 奇 ，陳 陽(yáng) ，呂宇欣 ，郝 穎 ，冬 雷

（1.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司內(nèi)蒙古分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010028；2.北京凱華網(wǎng)聯(lián)新能源技術(shù)有限公司，北京 100081；3.北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081）

隨著手機(jī)的普及，對(duì)手機(jī)信號(hào)的覆蓋率也提出了很高的要求，對(duì)于幅員遼闊的草原和山區(qū)要想做到信號(hào)全面覆蓋就要建立大量的基站，這些基站大都處于國(guó)家電網(wǎng)沒(méi)有覆蓋的地區(qū)。如果通過(guò)引入市電來(lái)開(kāi)通基站實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的覆蓋，需要花費(fèi)大量投資，平均每公里需要5～15萬(wàn)元，而且每年運(yùn)營(yíng)還要花費(fèi)大量的電費(fèi)。因此風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是解決邊遠(yuǎn)地區(qū)通信基站供電的最好方案之一，不僅在投資方面可以與引入市電相當(dāng)或者略低，而且每年可以節(jié)省大量電費(fèi)開(kāi)支，并減少二氧化碳的排放，為節(jié)能和環(huán)保做出貢獻(xiàn)。

1 風(fēng)能與太陽(yáng)能的配比

風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)是功率密度大，獲取容易，成本較低。其缺點(diǎn)主要是供電穩(wěn)定性極差。太陽(yáng)能供電的特點(diǎn)是比較穩(wěn)定，但是供電系統(tǒng)的成本非常高，占地面積比較大，系統(tǒng)功率密度和轉(zhuǎn)換效率均較低。

目前常用的太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝是改進(jìn)的西門(mén)子法，西門(mén)子工藝包括電爐熔煉生產(chǎn)冶金級(jí)硅 （MGSi）、氯氫化硅（硅烷）直驅(qū)與分餾提純及純硅烷氫還原等過(guò)程。存在諸多缺點(diǎn)和問(wèn)題：

（1）耗能大，如冶金級(jí)硅生產(chǎn)的耗電為1.2萬(wàn)kWh/t左右；

（2）成品率低，產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物及三廢，環(huán)境污染嚴(yán)重；

（3）對(duì)原料的要求較嚴(yán)格，有粒度和品位的要求；

（4）生產(chǎn)成本和價(jià)格偏高。

為了降低污染和能耗，人們開(kāi)發(fā)出了冶金法生產(chǎn)工藝。首先將金屬硅在真空環(huán)境下加熱熔化，利用電子束去除掉 P（磷）。然后在 Ar（氬）氣體中熔化，用等離子焊槍?zhuān)≒lasma Torch）去除 B（硼），凝固后提煉。應(yīng)用普通金屬提煉工序可將金屬雜質(zhì)的濃度降至0.1 ppmw以下。冶金法的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染排放，而且耗能低。生產(chǎn)每單位重量的多晶硅所耗的能源僅相當(dāng)于西門(mén)子法的1/5。通過(guò)鑄造法生產(chǎn)多晶硅可以有效提高太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)規(guī)模并降低成本，因此太陽(yáng)能電池是非常有競(jìng)爭(zhēng)潛力的新能源之一。

風(fēng)能與太陽(yáng)能功率在供電系統(tǒng)中的配比選定是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，首先要對(duì)通信基站當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源和太陽(yáng)能資源進(jìn)行長(zhǎng)期考察，根據(jù)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源狀況、系統(tǒng)可靠性要求以及投資的限額，確定風(fēng)電和太陽(yáng)能的比例關(guān)系。風(fēng)力和太陽(yáng)能配置容量比例一般為2：8～4：6，但是在特殊情況下可以不受這個(gè)比例的限制。

圖1為某風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的運(yùn)行特性曲線(xiàn)。從圖中可以看出，當(dāng)?shù)孛刻焯?yáng)能的發(fā)電量基本穩(wěn)定，而且不會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間的陰雨時(shí)間；而風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量較大，但是波動(dòng)性也很大，例如在2010年6月5日左右，當(dāng)時(shí)蓄電池電壓處于較低水平，蓄電池處于沒(méi)有充滿(mǎn)的狀態(tài)，但是較短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)力發(fā)電就可以將蓄電池充滿(mǎn)，日發(fā)電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)能提高的電量。但是到了9月份進(jìn)入枯風(fēng)期，風(fēng)力發(fā)電量非常小，甚至為零。主要供電由太陽(yáng)能承擔(dān)，因此太陽(yáng)能供電容量的選配必須能滿(mǎn)足系統(tǒng)的最低要求，而風(fēng)力發(fā)電成本較低，因此可以選配大一點(diǎn)滿(mǎn)足快速充電的特點(diǎn)。

2 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

太陽(yáng)能電池發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。硅原子有4個(gè)電子，如果在純硅中摻入5個(gè)電子的原子如磷原子，就成為帶負(fù)電的N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個(gè)電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)形成電勢(shì)差，成為太陽(yáng)能電池。當(dāng)太陽(yáng)光照射到P-N結(jié)后，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動(dòng)，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動(dòng)，形成電流。

太陽(yáng)能光伏電池陣列具有典型的非線(xiàn)性特性。太陽(yáng)能電池板的輸出不僅與太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度有關(guān)，還與溫度有關(guān)。

（1）太陽(yáng)能電池的短路電流隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，兩者近似為正比關(guān)系。在最大功率點(diǎn)之前，隨著太陽(yáng)能電池板輸出電壓的增大，輸出電流減小緩慢。但是，最大功率點(diǎn)是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)后，隨著輸出電壓的增大，輸出電流急劇減小，導(dǎo)致輸出功率亦急劇減小。太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓在各種光照條件下變化不大。

（2）太陽(yáng)能電池的最大輸出功率隨光照強(qiáng)度增強(qiáng)而變大，且在同一光照環(huán)境下僅有唯一的最大輸出功率。在最大功率點(diǎn)左側(cè)，輸出功率隨電池端電壓上升而增大，近似線(xiàn)性增大。最大功率點(diǎn)右側(cè)，輸出功率隨輸出電壓的增大而急劇下降。

最大功率跟蹤（MPPT）的方法有很多，如開(kāi)路電壓控制法OV（Open Voltage），恒定電壓控制法 CV（ConstantVoltage），擾動(dòng)觀測(cè)法 P&O（Perturb and Observe），增量電導(dǎo)法 IC（Incremental Conductance）， 模糊邏輯控制 法 FL（Fuzzy Logic）， 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 法 ANN （ArtificialNeutral Network）以及這些方法的改進(jìn)方法等[1]。在這些方法中，目前最常見(jiàn)的是P&O和IC，而P&O以其控制精度高、實(shí)現(xiàn)成本低，優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。

擾動(dòng)觀察法[2-3]，是一種基于實(shí)時(shí)控制的MPPT控制算法，它通過(guò)對(duì)電路施加某一幅度的擾動(dòng)，改變太陽(yáng)能光伏電池的工作狀態(tài)，同時(shí)觀察并計(jì)算太陽(yáng)能電池板實(shí)際輸出功率大小。得到當(dāng)前時(shí)刻值后，將其與前一時(shí)間值進(jìn)行比較，通過(guò)對(duì)比結(jié)果確定下次擾動(dòng)方向，最終得出目標(biāo)值，從而使得太陽(yáng)能電池板的工作輸出最終穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近。

但是在通信基站應(yīng)用當(dāng)中，太陽(yáng)能電池的容量一般在1 000 W～10 000 W甚至更大。因此需要多個(gè)太陽(yáng)能電池板串并聯(lián)組成太陽(yáng)能電池陣列向蓄電池和負(fù)載供電。而不同的太陽(yáng)能電池板的輸出特性并不一致，并且受到云層遮蔽、沙塵影響等會(huì)加劇不同太陽(yáng)能電池板輸出的不平衡。如圖2所示4塊太陽(yáng)能電池板所組成的陣列，由于每塊電池板的輸出特性不同使得總輸出特性曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)。因此擾動(dòng)觀察法在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，會(huì)陷入局部極值點(diǎn)。所以必須要有全局最優(yōu)搜索算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤功能。

3 風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)的特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有成本低、容量大等特點(diǎn)。但與太陽(yáng)能電池相比，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和安全性需要重點(diǎn)考慮。特別是在風(fēng)能資源比較好的地區(qū)和海島地區(qū)，陣風(fēng)和極端天氣的影響不容忽視。針對(duì)通信基站的應(yīng)用，還要考慮運(yùn)輸和安裝等方面的問(wèn)題。

由于很多通信基站安裝在比較高的山頂或者交通非常不便的地方，很多大型的運(yùn)輸和安裝工具無(wú)法到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝主要通過(guò)人工來(lái)完成，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單臺(tái)功率應(yīng)該選用1 kW～5 kW之間。利用先進(jìn)的塔架結(jié)構(gòu)可以通過(guò)有限的手工工具就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的安裝，因此比較適合于邊遠(yuǎn)地區(qū)、山頂、海島等通信基站應(yīng)用場(chǎng)合。

在通信基站的應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)的選址一般都要安裝在基站的附近，因此風(fēng)機(jī)的微觀選址可以對(duì)風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率和安全性帶來(lái)至關(guān)重要的影響[4]。這是因?yàn)闅饬魍ㄟ^(guò)障礙物，在下游會(huì)形成擾動(dòng)區(qū)，在擾動(dòng)區(qū)風(fēng)速可能會(huì)降低，也可能有強(qiáng)的湍流對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行十分不利，甚至短時(shí)因湍流引起的陣風(fēng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)機(jī)械損害。

要做好風(fēng)機(jī)的微觀選址，就要盡量得到風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處代表年平均風(fēng)速、平均風(fēng)功率密度、風(fēng)機(jī)位置全年風(fēng)向、風(fēng)能玫瑰圖，各月風(fēng)向、風(fēng)切變系數(shù)、湍流強(qiáng)度及粗糙度等[5-6]。還要考慮地形因素對(duì)風(fēng)機(jī)的影響，山地對(duì)風(fēng)速影響的水平距離，一般在向風(fēng)面為山高的5～10倍，背風(fēng)面為15倍。且山脊越高，坡度越緩，在背風(fēng)面影響的距離越遠(yuǎn)。

為了提高風(fēng)機(jī)發(fā)電效率，在風(fēng)機(jī)選址時(shí)，首先要了解當(dāng)?shù)仫L(fēng)速和風(fēng)向資源狀況，圖3為某通信基站的風(fēng)向玫瑰圖，可以看出在基站的 270°～300°方向的風(fēng)頻較高。因此沒(méi)有特殊狀況的條件下，需要將風(fēng)機(jī)的選址定于圖中280°方向的位置。

風(fēng)機(jī)的微觀選址除了對(duì)風(fēng)向的考慮，還要注意風(fēng)機(jī)選址周?chē)牡貏?shì)盡量比較平緩，不能有較大的地形起伏，也不能有其他過(guò)高的障礙物，以免產(chǎn)生的湍流在極端氣候條件下?lián)p害風(fēng)機(jī)和槳葉。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

風(fēng)光互補(bǔ)供電的通信基站一般位于比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)非常重要。遠(yuǎn)程監(jiān)控主要包括：

（1）遙測(cè)。負(fù)載總電流、太陽(yáng)能電池方陣輸出電壓、太陽(yáng)能電池方陣輸出電流、蓄電池充電/放電電流、蓄電池母排電壓、蓄電池運(yùn)行狀態(tài)（浮充、均充），風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電流。

（2）遙信。直流輸出過(guò)流告警，熔斷器/斷路器故障告警，太陽(yáng)能電池方陣工作狀態(tài)（投入/撤出）、太陽(yáng)能組件方陣故障告警、蓄電池電壓告警，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作狀態(tài)（投入/撤出）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器故障、輸出過(guò)壓告警、輸出欠壓告警、負(fù)載下電告警、風(fēng)機(jī)故障告警。

（3）遙控。遠(yuǎn)程遙控風(fēng)機(jī)制動(dòng)、解除制動(dòng)。風(fēng)機(jī)控制器與太陽(yáng)能控制器起動(dòng)、停機(jī)，參數(shù)設(shè)定等。

通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)以及蓄電池的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)不僅需要檢測(cè)各種工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)，還需要對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制操作。利用參數(shù)設(shè)置功能可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)優(yōu)化控制。利用控制指令還可以控制系統(tǒng)的起動(dòng)、停車(chē)等操作，這個(gè)功能在極端天氣例如風(fēng)暴來(lái)襲之前可以人工方式將風(fēng)機(jī)制動(dòng)，更加安全地保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以大大降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的效率，見(jiàn)圖4。

通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)在通信基站上的應(yīng)用，可以有效解決市電引入非常困難或者根本無(wú)法引入的問(wèn)題，同時(shí)在基站建設(shè)中引入太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，為建設(shè)低碳社會(huì)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)綜合考慮以便使系統(tǒng)的應(yīng)用效果最佳。

[1]劉卓，劉克富，趙海洋，等.智能太陽(yáng)能最大功率跟蹤系統(tǒng)[J].光源與照明，2010，6（2）：34-38.

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[3]HOUGH P.Trends in solar energy research[M].New York：Nova Science Publishers，2006.

[4]連捷.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估及微觀選址[J].電力勘察設(shè)計(jì)，2007，4（2）：71-73.

[5]董宏，張飄.通信用光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]都志杰，馬麗娜.風(fēng)力發(fā)電[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.