邊遠(yuǎn)站點(diǎn)光伏自供電電源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

李龍剛， 任建平， 鄔小可

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028)

0 引言

本項(xiàng)目地處西北地區(qū)，為某邊遠(yuǎn)區(qū)域的邊界安防系統(tǒng)提供電源保障。 該區(qū)域周界沿線部署安防鐵塔近百座、監(jiān)控立桿近千根，禁區(qū)周界長(zhǎng)近2 000km， 部署點(diǎn)位涉及荒漠戈壁、山地、沙漠、谷地、濕地等多種地形，同時(shí)該區(qū)部分地區(qū)有季節(jié)性揚(yáng)沙、浮塵等天氣，且風(fēng)力較大。

周界安防鐵塔和攝像機(jī)監(jiān)控立桿部署區(qū)域無(wú)市電覆蓋，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，最好保障方式是建設(shè)相應(yīng)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)。 該供電系統(tǒng)在能滿足為鐵塔負(fù)載和立桿負(fù)載供電的前提下，還要能適應(yīng)以上各類應(yīng)用場(chǎng)景以及各站點(diǎn)的氣候條件，整個(gè)供電系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程一體化管理、維護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)信息、負(fù)載用電信息以及設(shè)備故障信息等可視化管理，并通過(guò)供電系統(tǒng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)電能本地存儲(chǔ)、系統(tǒng)自我診斷、無(wú)人值守、電池管理功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

建設(shè)一套適應(yīng)各類復(fù)雜環(huán)境，配置高效、合理，無(wú)人值守，智能運(yùn)維管理的“綠色”自供電電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)禁區(qū)周界安防鐵塔和監(jiān)控立桿設(shè)備的可靠電力供應(yīng)，同時(shí)通過(guò)電源監(jiān)控軟件對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行一體化管理。

1 輸入條件

1.1 氣象條件

該區(qū)域?qū)俚湫偷拇箨懶透珊敌詺夂騾^(qū)，氣候異常干旱、寒冷、多風(fēng)少雨，晝夜溫差大。 尤其在戈壁沙漠中，起風(fēng)頻率高、風(fēng)力強(qiáng)，一經(jīng)起風(fēng)，便飛沙走石， 能見度極低。 最高氣溫48℃， 最低氣溫-25.3℃，晝夜溫差達(dá)38.2℃[1]。 日照相當(dāng)豐富，總?cè)照諗?shù)大于2 990 h，無(wú)霜期平均210 天，該區(qū)域最差月份有效日照時(shí)間，弱光區(qū)取值為3.43 h/天；強(qiáng)光區(qū)取值為4.67 h/天。

1.2 用電負(fù)載分析

以其中比較典型的安防鐵塔為例，某承載設(shè)備主要包括陸地安防雷達(dá)、遠(yuǎn)程光電、監(jiān)控?cái)z像機(jī)、智能安防機(jī)箱等，設(shè)備供電明細(xì)見表1。

表1 安防鐵塔電明細(xì)

安防鐵塔承載設(shè)備主要為周界遠(yuǎn)程預(yù)警設(shè)備，意在為周界管控爭(zhēng)取寶貴的處理時(shí)間，意義重大。為了保證供電的可靠性，設(shè)計(jì)功耗按實(shí)際功耗的1.1 倍進(jìn)行供電配置。 設(shè)備都按連續(xù)工作考慮。

實(shí)際總功耗647W，設(shè)計(jì)按照實(shí)際功耗的1.1 倍考慮，即設(shè)計(jì)功耗為647W×1.1 ＝711.7W。

1.3 連續(xù)供電時(shí)間需求

所在區(qū)域內(nèi)的連續(xù)陰雨天數(shù)不超過(guò)3 天，極限不超過(guò)7 天，考慮到費(fèi)效比等因素，設(shè)備電源保障時(shí)間定為3 天(72 h)。

2 光伏系統(tǒng)容量確定

在純太陽(yáng)能供電系統(tǒng)配置公式中，一切均按照能量守恒定律進(jìn)行核算。 光伏板的配置需要滿足一日產(chǎn)生電能(按平均日照數(shù)算)應(yīng)滿足在連續(xù)的陰雨天內(nèi)設(shè)備的需要，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組正常充電[2]。 系統(tǒng)中所有能量均來(lái)自于太陽(yáng)能，在極端惡劣氣候下，完全由蓄電池提供后備能量供給，則蓄電池持續(xù)T小時(shí)，放出電量為U×I×T(UI乘積為負(fù)載功耗)；若設(shè)定需要用N天晴天來(lái)補(bǔ)充滿蓄電池虧欠的電量，則在N天內(nèi)，負(fù)載每日24 h 工作，負(fù)載共耗費(fèi)24×N×U×I，因此需要太陽(yáng)能在N天內(nèi)一共要補(bǔ)充回來(lái)UIT+24NUI，即U(IT+24NI)。

太陽(yáng)能每天有效日照為H，因此N天太陽(yáng)能配置容量需要在NH小時(shí)內(nèi)補(bǔ)充為上述消耗的總能量U(IT+24NI)，考慮系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率ρ，故可以得到公式(1):

S＝U(IT+ 24NI)/NHρ(1)

式中，S為太陽(yáng)能電池組件的總?cè)萘浚琖p；U為系統(tǒng)母線電壓，本次要求為DC 48V，因此取值48，V；I為負(fù)載電流，取值711.7W/48V ＝14.8A，按中間環(huán)節(jié)無(wú)損耗考慮，A；T為蓄電池持續(xù)供電時(shí)間，本案站點(diǎn)設(shè)定為3 天后備，取值72，h；N為補(bǔ)足蓄電池極限能耗時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)需求取值為3，d；H為當(dāng)?shù)刈畈钤路萦行照諘r(shí)間，弱光區(qū)取值為3.43 h，強(qiáng)光區(qū)取值為4.67 h；ρ為控制系統(tǒng)效率，控制器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率取值0.9。

(1)強(qiáng)光區(qū)S＝8 113Wp

選擇單片規(guī)格為450Wp 的太陽(yáng)能組件，工作電壓Vmp 為41.0V，在48V 系統(tǒng)中，最小工作單元為3塊組串。 計(jì)算結(jié)果為需要配置21 塊450Wp，小計(jì)9 450Wp。

(2)弱光區(qū)S＝10 884Wp

選擇單片規(guī)格為450Wp 的太陽(yáng)能組件，工作電壓Vmp 為41.0V，在48V 系統(tǒng)中，最小工作單元為3塊組串。 計(jì)算結(jié)果為需要配置27 塊450Wp，小計(jì)12 150Wp。

3 電池容量計(jì)算及選擇

3.1 容量的確定

蓄電池組容量計(jì)算公式如式(2)所示[3]:

式中，Q為蓄電池容量，Ah；K為安全系數(shù)(一般在1～1.25)，本次取值為1.25；I為負(fù)載電流，取值711.7W/48V＝14.8A；T為蓄電池持續(xù)供電時(shí)間。本案站點(diǎn)設(shè)定為3 天后備，取值72，h；η為蓄電池放電容量系數(shù)，蓄電池最深放電深度取值為0.8；A為電池溫度系數(shù)(1/℃)，當(dāng)放電小時(shí)率≥10 時(shí)，取0.006，當(dāng)1≤放電率＜10 時(shí)，取0.008，當(dāng)放電率＜1時(shí)，取0.01；t為環(huán)境溫度，考慮到采用保溫措施，因此環(huán)境溫度取10℃。

經(jīng)計(jì)算，蓄電池組容量Q＝KIT/η[1-0.006(25-t)]＝1 830Ah。

3.2 電池種類的選擇

由于該區(qū)域最高氣溫48℃，最低氣溫-25.3℃，地表最高溫度為70℃，在這樣環(huán)境中對(duì)電池的工作效率提出了很高的要求。 下面就鉛酸、磷酸鐵鋰、鉛碳、鉛晶電池進(jìn)行性能比較(數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)內(nèi)具有代表性的廠家的技術(shù)參數(shù))，具體參見表2。

由于各點(diǎn)位環(huán)境較為惡劣，地處偏僻，日常維護(hù)困難，因此選用可靠性高、適應(yīng)環(huán)境性能好、壽命周期長(zhǎng)的電池作為儲(chǔ)能單元，根據(jù)表2 對(duì)比情況選用鉛晶電池。 查詢相應(yīng)鉛晶蓄電池規(guī)格后，選取單體規(guī)格為2V/800Ah 的鉛晶蓄電池，共48 節(jié)，每24節(jié)串聯(lián)，共2 組，構(gòu)成48V/1600Ah 電池組。

表2 蓄電池性能比較

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由光伏電池板系統(tǒng)、模塊電源、匯流排、蓄電池、DC/AC 逆變器及微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)組成。 在設(shè)備中存在DC 12V 用電設(shè)備，采用DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換為DC 12 電源供給，AC 220V 用電設(shè)備采用DC/AC轉(zhuǎn)換為AC 220V 電源供給，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖見圖1。

圖1 光伏系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

5 電源監(jiān)控系統(tǒng)

單個(gè)電源系統(tǒng)主要由單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)、電源設(shè)備管理系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及電源分配系統(tǒng)組成。 電源監(jiān)控軟件分為區(qū)域中心、分控中心和總控中心三層。 因此可通過(guò)一套軟件多級(jí)部署來(lái)實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)前端站點(diǎn)的多級(jí)管理。 以設(shè)備管理狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能系統(tǒng)及全部的供配電設(shè)備進(jìn)行綜合管理和監(jiān)測(cè)，對(duì)供電系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)信息、負(fù)載用電信息以及設(shè)備故障信息等實(shí)現(xiàn)可視化管理。 通過(guò)供電系統(tǒng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)電能本地存儲(chǔ)、系統(tǒng)自我診斷、無(wú)人值守、電池管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

監(jiān)控軟件主要功能包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和展示(如畫面、曲線、報(bào)表等)、系統(tǒng)自我診斷、事件告警及管理、控制與調(diào)節(jié)、電池管理、運(yùn)行管理等。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某工程所在地特點(diǎn)，從用電負(fù)荷容量確定、光伏板選擇、蓄電池種類及相應(yīng)電能儲(chǔ)存時(shí)間的確定等方面入手分析，并建立一套電源監(jiān)控軟件對(duì)電源系統(tǒng)的各部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，解決了點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣不宜管理、檢修難度大等一系列難題，對(duì)孤立安防設(shè)備的電源的保障提出解決方案，在類似項(xiàng)目中具有一定借鑒意義。