通信基站水氫發(fā)電機供電方案研究

薛俊偉，劉雨濛

（1.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.暨南大學，廣東 廣州 510632）

0 引 言

第5代移動通信新空口技術(shù)（5G New Radio，5G NR）為應用于更多應用場景提供了支撐，其服務(wù)范圍將延展至國民經(jīng)濟和社會生活的方方面面，改善人們的生產(chǎn)生活方式，促進社會的信息化和工業(yè)化。5G NR因具有低時延、高速率、大容量和強穩(wěn)定等優(yōu)勢，是下一階段移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。5G網(wǎng)絡(luò)深入發(fā)展，將彌補目前在長期演進（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)中移動網(wǎng)絡(luò)受到網(wǎng)絡(luò)性能限制而無法完整實現(xiàn)應用場景需求的不足。同時，豐富的應用也要求運營商加大對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資。

5G高頻網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，需要更多的基站提供信號連續(xù)覆蓋?；九涮自O(shè)施的完善和運維能力的增強，將直接影響網(wǎng)絡(luò)效果和通信質(zhì)量，以及基站建成后的社會效益和經(jīng)濟效益。通信基站的站址應該選擇在交通便利、環(huán)境適合和供電可靠的地方。偏遠郊區(qū)、高山密林和廣闊農(nóng)田等場景存在信號盲弱問題，嚴重影響遠程抄表、無人駕駛以及智慧農(nóng)業(yè)的實現(xiàn)。針對外電無法進入或者進入成本高的站點，設(shè)計使用水氫發(fā)電機供電的創(chuàng)新方案。通過對實際工程案例中成本、工期以及穩(wěn)定性等因素的分析，驗證了方案能夠以較低的安裝和運維成本及較短的工期解決疑難站點的外電引入問題[1]。

1 基站配套電源的要求

當前我國積極發(fā)展5G，并取得了領(lǐng)先優(yōu)勢。與4G LTE網(wǎng)絡(luò)不同，5G NR涵蓋的頻率范圍包括FR1/Sub-6GHz（0.45～ 6.0 GHz）和FR2/Above-6GHz（24.25～52.60 GHz）。高頻率下網(wǎng)絡(luò)傳輸損耗加大，要提供高質(zhì)量的連續(xù)覆蓋和容量保證，必須建設(shè)更密集的基站，設(shè)計更具科學性的分層疊加型網(wǎng)絡(luò)。配套電源對站點的投資和工期有較大影響，特別是外電疑難站點問題的解決一直是工程建設(shè)中需要管控的重點。5G基站能耗提高，承載的應用更多且重要，對配套電源的性能參數(shù)和保障能力也有更高的要求。

對于5G非獨立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）階段的新建基站，交流負荷要滿足16～20 kW配置，市電引入要采用不小于4 mm×25 mm的銅芯電纜或4 mm×35 mm的鋁芯電纜。環(huán)境惡劣的郊外和山野站，電纜應采用水泥包封直埋方式進行布放，敷設(shè)基本要求如下：

（1）室外直埋電纜敷設(shè)的深度：人行道最小70 cm，車行道最小80 cm；

（2）電纜上下應該均勻敷設(shè)10 cm厚的細沙或者軟土層作為基層，再鋪設(shè)混凝土、石板或磚等作為保護層。

另外，外電三相交流電的單相輸入電壓允許在187～243 V波動，如果市電不穩(wěn)，需要使用交流穩(wěn)壓器?；緫渲?套交直流供電系統(tǒng)，并做好后期擴容的冗余配置規(guī)劃。對于沒有固定油機的站點，一般要求安裝2組閥控式鉛酸蓄電池組或鐵鋰電池組，以滿足交流斷電后電池放電時間的要求：市區(qū)基站≥3 h，城郊及鄉(xiāng)鎮(zhèn)基站≥5 h，農(nóng)村及山區(qū)基站≥7 h。

2 水氫發(fā)電機供電方案

2.1 供電設(shè)備介紹

水氫發(fā)電機供電主要的動力源是水氫動力模塊，如圖1所示。這種新能源發(fā)電機的運行原理是將甲醇水燃料轉(zhuǎn)化為氫氣，并通過燃料電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能[2]。反應過程解決了質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）中燃料供給的問題，使用甲醇水燃料制取高純氫更加經(jīng)濟，且模塊提供了可觀的轉(zhuǎn)化率。

圖1 水氫動力模塊

水氫動力模塊是把化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，具有模塊化、無污染、性能高、價格低、體積小、便捷安裝、方便加料、供電穩(wěn)定以及放電時間久等特點。對于配套環(huán)境不允許或者接入外電成本過高的通信基站，使用水氫發(fā)電機供電是一個可以嘗試的解決方案。

設(shè)備具有如下性能特點。第一，發(fā)供電高效穩(wěn)定。PEMFC的能量轉(zhuǎn)換效率高達60%，而一般內(nèi)燃機發(fā)電機轉(zhuǎn)換效率只有30%左右，同時甲醇水燃料的價格低廉，只有化石燃料價格的40%。第二，運行平穩(wěn)無污染。PEMFC在發(fā)電過程中不涉及燃燒，安全可靠無污染。水氫發(fā)電機除了燃料輸送泵和風扇送風外沒有其他機械運轉(zhuǎn)部件，工作時整機震動輕微，聲音強度可以控制在55 dB以內(nèi)。發(fā)電過程中燃料消耗后排放物只含有水和少量二氧化碳，不產(chǎn)生硫化物、氮化物和粉塵顆粒物等有害物質(zhì)，環(huán)境友好。第三，模塊組合成本低。模塊化產(chǎn)品體積小重量輕，可以按需定制，移動不受地域條件限制，能在極端環(huán)境下運行，環(huán)境適應能力強，非常適合安裝于配套困難的基站。模塊可以方便快捷地組裝為所需規(guī)格的水氫發(fā)電機，運行壽命可達8年以上，已經(jīng)廣泛應用于汽車、會展以及通信等行業(yè)。在基站中使用，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)維護間隔長，能有效降低維護成本。

2.2 供電方案實現(xiàn)

水氫發(fā)電機供電可以使用交流和直流兩種方案。傳統(tǒng)的基站交流供電方式需要將水氫發(fā)電機的輸出進行逆變，不僅影響能效，還需要保留配電箱以及進行整流輸出，安裝調(diào)試麻煩[3]。采用直流供電只需將交流空調(diào)和照明設(shè)備等換為直流產(chǎn)品，同時增加水氫發(fā)電監(jiān)控模塊，與原有的基站動力環(huán)境監(jiān)控模塊通信，如圖2所示。

圖2 水氫發(fā)電機直流供電

為滿足新建基站交流負荷16～20 kW的配置要求，使用MRFC-EV10（單模塊額定功率10 kW）2臺組合。模塊質(zhì)量為28 kg，體積為484 mm×280 mm×800 mm，單位甲醇發(fā)電量大于2.2 Wh/g，熱電聯(lián)產(chǎn)效率大于80%，并可即時啟動，滿足基站建設(shè)使用標準。在惡劣環(huán)境、無外電條件下，可以增設(shè)備用燃料箱來增加系統(tǒng)運行時間，節(jié)省人工成本。需要注意，甲醇燃料箱宜安裝在加料方便處，并做好防震、防盜以及防異物落入的保障[4]。機房內(nèi)空間不足的情況下，可考慮布放在機房外，并做好隱蔽。實際應用中，需根據(jù)基站用電需求合理設(shè)置冗余燃料箱數(shù)量。

2.3 方案測試結(jié)果

選擇3個基站作為通信基站水氫發(fā)電機供電方案改造點，根據(jù)試點基站運行情況得到如下測試數(shù)據(jù)。

基站A：山站，若引入外電，高壓路由約600 m，高壓施工送電時間約1個月，新增變壓器成本47萬元，低壓線路650 m費用21萬元，外電協(xié)調(diào)費23萬元，合計造價91萬元。實際水氫發(fā)電機供電20 kW，組裝測試總時間3 d，總費用46.68萬元。運行6個月共出現(xiàn)停電告警15次，同時收到電池熔絲告警達89次。維護人員核查數(shù)據(jù)后懷疑是系統(tǒng)誤報。查實15次停電告警是因為機房交流空調(diào)當時沒有更換，改造電力時使用逆變器對供電系統(tǒng)造成影響。后經(jīng)改造，將交流空調(diào)換為直流空調(diào)后，系統(tǒng)隨后無告警。

基站B：偏遠農(nóng)場站，業(yè)主無法提供外電引入。水氫發(fā)電機供電20 kW，組裝測試總時間3 d，總費用40.13萬元。設(shè)備安裝完成后運行6個月，機器保持穩(wěn)定運行，無停電告警。

基站C：景區(qū)站，若引入外電，高壓路由約1 km，高壓施工送電時間約1個月，新增變壓器成本51萬元，低壓線路1.1 km費用42萬元，外電協(xié)調(diào)費18萬元，合計造價111萬元。常規(guī)外電方案無法在基站開通的規(guī)定工期內(nèi)完成，因此使用水氫發(fā)電機供電。實際水氫發(fā)電機供電20 kW，組裝測試總時間4 d，總費用43.25萬元。設(shè)備安裝完成后運行6個月，機器運行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)停電告警。

3 結(jié) 論

通信基站水氫發(fā)電機供電方案在傳統(tǒng)市電引入成本高、引入工期長的情況下，可以用很低的造價和很短的工期完成機房電力的改造，實現(xiàn)基站穩(wěn)定運行。PEMFC以甲醇為燃料，成本低廉、綠色環(huán)保、能效極高，只需要每60 d左右進行一次人工燃料添加。5G基站對于配套電源有更高的要求，在偏遠郊區(qū)、高山密林以及廣闊農(nóng)田等場景，外電的進入比較困難。配合水氫發(fā)電機供電方案，可以在這些環(huán)境下快捷地實現(xiàn)設(shè)備運行，同時降低運營成本。