電力基礎設施薄弱地區(qū)的基站自供電技術研究

王亞會 周振宇 賈云健

摘要：提出基于可再生能源與柴油發(fā)電機互補的混合供電系統(tǒng)。通過深入分析多種混合供電系統(tǒng)的性能，給出了適用于坦桑尼亞邊遠地區(qū)基站供電的解決方案，緩解了邊遠地區(qū)電力基礎薄弱、基站供電穩(wěn)定性差等問題。同時，混合供電系統(tǒng)的建設降低了移動網(wǎng)絡運營商的發(fā)電成本以及溫室氣體的排放量。

關鍵詞：可再生能源；混合供電系統(tǒng)；移動網(wǎng)絡運營商；溫室氣體排放量

近年來，隨著無線通信技術的迅猛發(fā)展以及移動用戶數(shù)量的不斷增加，移動通信在農業(yè)、教育和礦業(yè)等諸多社會經濟部門發(fā)揮著重要的作用[1-2]。然而，亞太、非洲等地區(qū)的發(fā)展中國家以及邊遠地區(qū)，由于電力基礎設施薄弱、穩(wěn)定性差，基站供電的相關問題限制了移動通信的進一步發(fā)展。

以非洲的坦桑尼亞為例，到2014年，坦桑尼亞的電氣化率僅為36%，其中僅有11%的農村地區(qū)接入到配電網(wǎng)。由于電力供應不足，坦桑尼亞農村地區(qū)的移動基站主要采用柴油發(fā)電機供電，不僅能源效率低、運行成本高，而且溫室氣體排放量大，對環(huán)境產生了惡劣的影響。此外，一些并網(wǎng)基站也會受到甩負荷和頻繁斷電的影響，電力供應極不穩(wěn)定，通信服務質量難以得到保障。如果能為移動基站配備新能源發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以解決通信系統(tǒng)的供電問題，還可以有效降低溫室氣體排放以及供電成本[3]。

新能源種類繁多，主要包括太陽能、風能、水能、生物質能、潮汐能、地熱能和氫能等可再生能源[4]，其供電系統(tǒng)主要為太陽能和風力發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)利用光伏效應將太陽能光電板收集的太陽輻射能轉化為電能[5]，具有能源利用率高、設備簡單、易擴展、維護成本低等優(yōu)點。但是，太陽能發(fā)電易受到天氣影響，不能連續(xù)為用戶負荷供電，因此作為獨立供電系統(tǒng)時面臨巨大的挑戰(zhàn)。風力發(fā)電系統(tǒng)通過風機旋轉葉片將風的動能間接轉化為電能，其建設周期短、環(huán)境要求低、儲能豐富[6]。但是，風電場只能建立在風能資源豐富的地區(qū)，且風力發(fā)電機在雷暴中容易受損，還需要不斷完善風力供電系統(tǒng)。因此，在基站供電規(guī)劃和設計中，應綜合考慮新能源與柴油發(fā)電機互補的混合供電系統(tǒng)[7]。

近年來，印度、南非、尼日利亞、土耳其和澳大利亞等國家對混合供電系統(tǒng)展開了廣泛研究。研究內容大多涉及獨立發(fā)電機與太陽能和風能等可再生能源結合的混合供電系統(tǒng)[8-9]。研究表明：可再生能源發(fā)電，尤其是太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、柴油發(fā)電機結合，可以顯著降低柴油燃料消耗、系統(tǒng)運行和維護成本以及溫室氣體的排放量[10]。

盡管坦桑尼亞可再生資源豐富且潛力巨大，但是面向通信基站的混合供電系統(tǒng)尚未廣泛部署。因此，文中我們針對坦桑尼亞邊遠地區(qū)新能源基站建設所面臨的挑戰(zhàn)開展分析，研究新能源基站的架構及評估原理，并通過HOMER軟件對多種混合供電系統(tǒng)方案進行仿真驗證和結果分析，以提供經濟可行和環(huán)境友好的解決方案。

1 邊遠地區(qū)通信基站供電

現(xiàn)狀分析及挑戰(zhàn)

本文采用調查問卷的方法，分析坦桑尼亞邊遠地區(qū)通信基站供電現(xiàn)狀以及新能源基站建設所面臨的挑戰(zhàn)。問卷對象為坦桑尼亞多個移動網(wǎng)絡運營商（包括Tigo Tanzania、Airtel Tanzania、Vodacom Tanzania和TTCL Public Company Limited）的電信工程師，合計21人。

針對坦桑尼亞通信基站供電來源的調查結果如圖1所示，主要結論如下：首先，通信基礎設施的主要電力來源仍然是電網(wǎng)和柴油發(fā)電機（95%），僅有19%的受訪者指出一些運營商利用太陽能發(fā)電為基礎設施供電；其次，對于邊遠地區(qū)的基站，由于電網(wǎng)穩(wěn)定性差，主要采用柴油發(fā)電機作為電力來源（62%），而太陽能發(fā)電所占的比例很少（19%）；最后，無論是基礎設施還是邊遠地區(qū)基站供電，風力發(fā)電的應用均非常少。由此可見：可再生能源不是坦桑尼亞通信網(wǎng)絡基礎設施的主要電力來源，其原因如表1所示。結果顯示：高昂的安裝成本（95%）、不可預測的天氣情況（95%）、技術人員（57%）的缺乏和可再生能源設備不足（76%）等因素是目前新能源基站建設所面臨的主要挑戰(zhàn)。綜上所述，移動網(wǎng)絡運營商未廣泛利用可再生能源為其基礎設施供電。

2 新能源基站架構及評估原理

對于基站供電困難的邊遠地區(qū)而言，新能源與柴油發(fā)電機互補的混合供電系統(tǒng)是一種經濟可行的解決方案。通信基站的混合供電系統(tǒng)一般由太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、柴油發(fā)電機和蓄電池組成。文中，我們主要考慮以下4種供電方式：

（1）柴油發(fā)電機獨立供電系統(tǒng)，用符號S0表示；

（2）風力發(fā)電與柴油發(fā)電機互補供電系統(tǒng)，用符號S1表示；

（3）太陽能發(fā)電與柴油發(fā)電機互補供電系統(tǒng)，用符號S2表示；

（4）風力發(fā)電、太陽能發(fā)電與柴油發(fā)電機互補的供電系統(tǒng)，用符號S3表示。

圖2介紹了風力發(fā)電、太陽能發(fā)電與柴油發(fā)電機互補供電系統(tǒng)結構示意圖（S3），包括基站、發(fā)電機、控制器和儲能裝置4部分。在該系統(tǒng)中，將太陽能和風能作為主要能源，柴油發(fā)電機作為備用能源。當發(fā)電量超過負荷需求時，過剩電能被存儲在電池組中；當發(fā)電量不能滿足基站負荷需求時，柴油發(fā)電機和電池組將為基站供電。

為了定量地分析混合供電系統(tǒng)的環(huán)境友好性、經濟可行性和發(fā)電穩(wěn)定性，我們考慮了凈現(xiàn)值（NPC）、能源成本（COE）、可再生能源發(fā)電量比例（RGR）、溫室氣體排放量等評價指標，并對不同系統(tǒng)配置的性能指標進行比較分析。

（1）NPC

系統(tǒng)的NPC指一個生命周期內所有成本減去該期間收益的值。成本包括投資成本、重置成本、運行和維護成本、燃料成本。如果產生溫室氣體，成本中還包括氣體排放處罰。凈現(xiàn)值如式（1）：

（2）COE

COE指每千瓦時電力的平均成本，通過將年度發(fā)電成本除以總用電量來計算，即：

（3）RGR

RGR由可再生能源的年度總發(fā)電量除以所有能源的年度總發(fā)電量來計算，即：

（4）二氧化碳排放量

溫室氣體是化石燃料燃燒的產物。碳排放量（CEQ），如二氧化碳（CO2）排放量計算如式（4）：

3 系統(tǒng)性能評估

本研究的可再生能源數(shù)據(jù)取自坦桑尼亞中部辛吉達地區(qū)，這個研究區(qū)域為西經4.8118°—5.4684°，北緯34.6976°—34.357°。通過HOMER軟件對不同的供電系統(tǒng)建模，并對離網(wǎng)和并網(wǎng)供電系統(tǒng)的不同設計進行評估。在本研究中，HOMER軟件的主要輸入包括柴油發(fā)電機、太陽能光伏電池、風力發(fā)電機、基站負荷需求、逆變器等系統(tǒng)組件的成本，以及用于模型優(yōu)化的其他相關數(shù)據(jù)。同時，HOMER軟件將NPC、COE、溫室氣體排放量和RGR作為輸出，對一年的數(shù)據(jù)進行仿真。

3.1 參數(shù)設置

在模型建立中，考慮的負荷為54千瓦時/天，峰值負荷為668 kW·h，發(fā)電機的額定功率為7.5 kW。將風能和太陽能作為主要能源，并從SWAT數(shù)據(jù)庫的全球天氣數(shù)據(jù)[11]獲得研究區(qū)域的風速和太陽輻射數(shù)據(jù)。本研究還從不同供應商網(wǎng)站獲得基站供電系統(tǒng)各種組件的成本數(shù)據(jù)，如表2所示。

3.2 結果分析

在環(huán)境方面，移動網(wǎng)絡運營商需要降低溫室氣體排放量，以減少其對環(huán)境的污染和對全球變暖的影響。各系統(tǒng)具體的溫室氣體排放量如表3所示。

仿真結果表明：S0系統(tǒng)每年產生約27.227 t二氧化碳，S3系統(tǒng)每年僅排放約3.122 t二氧化碳。在混合供電系統(tǒng)中，通過將太陽能發(fā)電產生的過剩電能儲存在電池組中，降低柴油發(fā)電機的運行時間，減少化石燃料的燃燒，降低溫室氣體排放量。因此，混合供電系統(tǒng)更有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

在經濟方面，S2系統(tǒng)更具成本效益。表4給出了不同供電系統(tǒng)的經濟分析。結果顯示：S2系統(tǒng)為凈現(xiàn)值和能源成本提供了更經濟的解決方案。與S0系統(tǒng)相比，S2系統(tǒng)的NPC降低了130 246美元，能源成本降低了0.512美元/千瓦時。雖然混合供電系統(tǒng)的初始投資成本高，但是隨著技術的進步，太陽能和風力發(fā)電成本逐漸降低，這將會促進新能源發(fā)電的廣泛部署。

在供電方面，混合供電系統(tǒng)具有更大的發(fā)電潛力?；旌瞎╇娤到y(tǒng)發(fā)電量如表5所示。與S0系統(tǒng)和S1系統(tǒng)相比，S2系統(tǒng)和S3系統(tǒng)的可再生能源發(fā)電量最大，可再生能源比例約為83%。其中主要為太陽能發(fā)電，其發(fā)電量超過系統(tǒng)總發(fā)電量的80%。與太陽能發(fā)電相比，風能的貢獻并不顯著，例如S3系統(tǒng)中風力發(fā)電量僅占總發(fā)電量的0.6%，而柴油發(fā)電機的發(fā)電量約為14%。

以上結果表明：該站址在利用太陽能發(fā)電為邊遠網(wǎng)絡基礎設施供電方面具有更大的潛力，并且發(fā)電量大，能夠滿足負荷需求。

圖3進一步顯示了S3系統(tǒng)在10月份的發(fā)電量與負荷需求。結果表明：S3系統(tǒng)不僅能夠滿足用戶負荷需求，并且所產生的過剩電能還可以存儲在儲能裝置中，從而可以在峰值期間使用。

同時結果顯示：太陽能發(fā)電幾乎可以滿足白天所有負荷需求，而柴油發(fā)電機和風力發(fā)電機則在太陽能發(fā)電量不足時使用，例如在夜間沒有光照的時候。

4 結束語

本研究調查了移動網(wǎng)絡運營商利用可再生能源為其基礎設施供電所面臨的挑戰(zhàn)。通過對不同的系統(tǒng)進行仿真和分析，獲得經濟可行的混合供電系統(tǒng)模型。由于風能的發(fā)電量并不顯著，所以S2系統(tǒng)不僅對環(huán)境友好，而且更加經濟可行，并為坦桑尼亞移動網(wǎng)絡運營商的基站供電問題提供了可持續(xù)的解決方案。研究結果對研究人員、政府管理人員、政策制定者、電網(wǎng)公司和環(huán)境部門都有很大的幫助，并且可以為研究可再生能源為坦桑尼亞偏遠地區(qū)供電所起的作用提供有用的數(shù)據(jù)。

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