基于物聯(lián)網(wǎng)的智能全并聯(lián)直流基站疊光系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

沈國平 付銳 吳響容 黃卓越 呂明

（1.浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州;2.杭州大光明通信系統(tǒng)股份有限公司，杭州）

1 引言

為了加快實現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展的“雙碳”目標，節(jié)能減排、提升系統(tǒng)能效、采用綠色能源是通信基站持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[1]。踐行低碳新理念，降低成本損耗已成為通信運營商的戰(zhàn)略目標。隨著光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用，開發(fā)光伏新能源實現(xiàn)基站供電的綠色優(yōu)化方案越來越引起各大運營商的重視。各大運營商紛紛引入“站點疊光”概念，對通信基站部署光伏，實現(xiàn)太陽能、電網(wǎng)、儲能電池多路供電[2]。為了更好地保障通信基站正常運行，提高基站綠色電能使用水平，在現(xiàn)有基站供電基礎(chǔ)上引入光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏供電，作為基站新能源建設(shè)方式，對緩解當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的用電負荷，促進通信基站的綠色發(fā)展具有積極的作用。

2 基站太陽能光伏

2.1 運營商基站

在移動通信系統(tǒng)中，目前運營商的基站分類一般分為宏基站、微基站和室分站三種。

2.1.1 宏基站

宏基站是移動通信系統(tǒng)中最基本的基站，其覆蓋面積大，可以滿足用戶對移動通信信號的要求。宏基站由于功率較大，需要一定的供電能力和建設(shè)成本，因此在建設(shè)中一般采用專用電源，通常部署于大型城市、交通樞紐等區(qū)域。

2.1.2 微基站

微基站是一種小型的基站設(shè)備[3]。它主要以機柜形式存在，是在室外人流相對集中的環(huán)境中部署的小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋面積小、覆蓋距離短、覆蓋效率高等特點。

2.1.3 室分站

室分站是指在建筑物內(nèi)部建立通信網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)無線信號覆蓋的一種基站。通常情況下，室內(nèi)分布系統(tǒng)包括有源和無源兩種類型。

本文研究的基站光伏智能疊光綠色能源系統(tǒng)主要是宏基站，宏基站相對都具有固定的建筑物，具有安裝光伏組件的條件。

2.2 太陽能光伏

太陽能作為一種清潔能源，其能量巨大、無污染、非地域受限性等優(yōu)勢，成為近些年來發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域之一，其能量輸出隨著光照強度、溫度等環(huán)境條件的改變而改變。

光伏發(fā)電通過將太陽的光能轉(zhuǎn)化成電能實現(xiàn)對負載供電[4]。將太陽能光伏系統(tǒng)引入通信基站，通過光伏適配器將太陽光的光能轉(zhuǎn)換為電能，最大程度利用太陽能給基站供電，保證通信基站正常運行，節(jié)能環(huán)保的同時也緩解了用電高峰時期的市電壓力，為市民的生活和工作提供保障。

3 基站光伏系統(tǒng)傳統(tǒng)方案存在的問題

3.1 高壓直流，安全性隱患大

傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)一般是光伏組件通過串聯(lián)，直流電壓達到500V～1000V（12kW 基站負載以下的一般光伏組件串聯(lián)達到此電壓），通過逆變器輸出380V 交流電壓供基站負載用，或通過并網(wǎng)柜并入國網(wǎng)電力系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)直流側(cè)電壓達到500V～1000V，其拉弧往往是各類光伏電站火災(zāi)事故的重要原因，安全風(fēng)險較大。

3.2 能量轉(zhuǎn)換損耗大

傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)需要經(jīng)過二次能量轉(zhuǎn)換，一次是直流500V～1000V 通過逆變器輸出380V 或220V 交流電，第二次能量轉(zhuǎn)換是通過基站開關(guān)電源將380V 交流電轉(zhuǎn)換48V 低壓直流電，供基站設(shè)備用電[5]。經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，將損耗光伏發(fā)電電能。

3.3 投資大

在我國，基站設(shè)備用電是-48V 直流系統(tǒng)[6]，傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)需要逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，需要通過并網(wǎng)柜將電能上傳國家電網(wǎng)。這就大大增加了設(shè)備投資。

3.4 管理工作量大

傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)因增加了逆變器和并網(wǎng)柜，增加了設(shè)備的故障點，并網(wǎng)柜的維護保養(yǎng)一般都需要電力局負責(zé)實施，因此會增加協(xié)調(diào)管理的工作量。

4 基站光伏智能疊光系統(tǒng)設(shè)計

DC-48V 疊光控制器系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，由太陽能光伏組件、光伏組件數(shù)字化適配器、低壓型智能匯流箱三部分組成，匯流箱輸出的直流電直接并入原基站開關(guān)電源和蓄電池能源系統(tǒng)。

4.1 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，其主要職責(zé)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能。由于太陽光能輻射分散，單位面積上的能量有限，因此，通常需要將N 個（N ≥2）太陽能電池板串聯(lián)或者并聯(lián)，組成光伏電池方陣，以此獲得穩(wěn)定、持久的太陽能資源，最終為負載供電。

本系統(tǒng)使用的光伏板是通過全并聯(lián)的方式組網(wǎng)，根據(jù)屋頂面積及實際場景進行組件裝機配置，可單組件擴容，保障投資收益最大化。

4.2 光伏組件數(shù)字化適配器

光伏適配器，即通用光伏DC/DC 模塊，安裝在每塊光伏組件背面，實現(xiàn)單個組件DC/DC 電源升壓[7]。光伏適配器將太陽能光伏組件電壓升壓轉(zhuǎn)換為48V 直流系統(tǒng)電壓，以并聯(lián)方式接入低壓型智能匯流箱，經(jīng)匯流箱匯流后接入基站/機房開關(guān)電源直流母排，最終將太陽能產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化成通信基站需要的電能，完成直流側(cè)疊光應(yīng)用。

運營商基站的電源通常使用380V，而基站內(nèi)部設(shè)備工作時需要使用-48V 直流電源。通常，每個基站會配置兩組蓄電池。當(dāng)基站停電時，蓄電池會為基站提供電力，這時電流最高可能會達到上百安培，具體數(shù)值取決于不同的基站和其耗電情況。一般基站在正常市電供電時，對電池浮充狀態(tài)，在負載供電母排上是-52V 到-54V 之間，在對電池均充狀態(tài)，在負載供電母排上是-55V 到-56V之間。

4.2.1 基站光伏組件選擇

光伏組件一般直接直流輸出是12VDC、24VDC、48VDC，移動基站一般均是-48V 直流系統(tǒng)，故基站光伏智能疊光系統(tǒng)可選擇550W 輸出開路電壓在48V～49.1伏的光伏組件。

4.2.2 基站光伏電池板串聯(lián)、并聯(lián)選擇

光伏組件單板輸出電壓不能滿足基站設(shè)備供電要求，要滿足基站設(shè)備供電要求，則可以通過光伏電池串聯(lián)后再降壓來實現(xiàn)，或通過單塊光伏電池通過適配器將輸出電壓升壓到滿足基站負載供電要求。本方案選擇所有光伏電池板電源輸出通過并聯(lián)，每個光伏電池板配置適配器，通過適配器將輸出電壓升壓到滿足基站負載供電要求的方案。

光伏電池板適配器實現(xiàn)單個組件DC/DC 升壓，對每塊光伏板通過MPPT 跟蹤調(diào)節(jié)，提升發(fā)電效率，安裝光伏組件背面。針對系統(tǒng)安全性，專門針對通信基站設(shè)計輸出電壓范圍，輸出高限閾值可調(diào)。設(shè)計輸出啟動無波動，不會對負載設(shè)備及蓄電池產(chǎn)生沖擊。單個光伏組件參數(shù)的采集，通過RS485 上傳到匯流箱。

4.2.3 基站光伏電池板數(shù)量設(shè)計原則

基站光伏電池板數(shù)量設(shè)計原則是基站總光伏電池板發(fā)電功率小于等于基站實際負載最大值功率。假設(shè)基站最大直流負載是5.3kW(不含電池均充時的功率)，一般基站正常工作時負載電壓是-53.6V，則基站負載電流最大98.88A。如選擇的光伏組件是550W 每塊，則選擇8塊光伏電池板。通過8 塊光伏電池板并聯(lián)，電池板最大輸出功率4.4kW，最大輸出電流82A，低于基站負載電流最大98.88A。8 塊光伏電池板適配器并聯(lián)接入智能匯流箱，并且每個適配器通過RS485 與匯流箱控制板通信。

4.3 智能匯流箱

將光伏電池板適配器輸出并聯(lián)接入?yún)R流箱，匯流箱控制板通過RS485 采集光伏適配器工作狀態(tài)信息，形成物聯(lián)網(wǎng)組件級監(jiān)控。同時，匯流箱配置獨立直流電表對疊光系統(tǒng)發(fā)電量進行精準計量，實現(xiàn)精細化管理；在光伏板正常發(fā)電時，匯流箱控制板通過RS485 調(diào)整適配器輸出電壓高于開關(guān)電源母排電壓的1.5V～2V，保證優(yōu)先使用光伏電池板電能。

匯流箱內(nèi)直流計能電表通過RS485 接入?yún)R流箱控制板，匯流箱控制板自帶4G 無線模塊和以太網(wǎng)網(wǎng)口，可以通過4G 無線上傳到能耗平臺，同時可以通過以太網(wǎng)接入基站動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)有線/無線雙通道數(shù)據(jù)監(jiān)控。

智能匯流箱通過4G 模塊，將現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)及系統(tǒng)發(fā)電數(shù)據(jù)上傳至能耗運營管理平臺，實時監(jiān)測每個組件工作狀態(tài)、任何組件損壞可以快速定位，實現(xiàn)遠程運營管理，極大降低運維成本。此外，智能匯流箱具有輸入熔絲保護、直流防雷、輸出空開保護等完善的保護機制，能夠保證通信系統(tǒng)可靠運行。

基站智能疊光系統(tǒng)通過匯流箱的電源輸出端口連接至原有基站-48V 高頻開關(guān)電源直流母排，可實現(xiàn)優(yōu)先光伏發(fā)電為基站供電。開關(guān)電源接入點必須選擇在開關(guān)電源的一、二次下電接觸器與電池電流檢測分流器(或霍爾)之間母排上，接入點不能接在電池分流器下端或直流負載端，否則將影響電源系統(tǒng)對電池電流及負載電流檢測，造成電源系統(tǒng)控制邏輯異常?；竟夥B加供電系統(tǒng)要求匯流箱、光伏組件支架單獨進行接地，接地排原則上利用基站已有接地排。

5 甘肅某運營商張掖火車站基站光伏智能疊光綠色能源系統(tǒng)應(yīng)用案例設(shè)計

5.1 張掖火車站基站適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)

甘肅省的張掖市是太陽能資源較豐富的區(qū)域之一，其火車站基站樓頂有400 平方米，周圍沒有建筑物遮擋，環(huán)境適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。

5.2 張掖火車站基站光伏組件的選擇

張掖火車站基站直流負載功率5.6kW(不含蓄電池均充功率)，基站正常工作時直流電壓是-53.3V，基站負載電流在105A。選擇的光伏組件550W 每塊，通過8 塊光伏電池板并聯(lián)，電池板最大輸出功率可達4.4kW，最大輸出電流可達82A。

5.3 張掖火車站基站光伏智能疊光能源系統(tǒng)安裝后數(shù)據(jù)分析

從該站點運行數(shù)據(jù)可以看到：在2023年9月22日至9月28日這段時間內(nèi)，張掖火車站基站光伏智能疊光能源系統(tǒng)的總發(fā)電量達到了121.29KWh，平均每天發(fā)電17.3KWh。據(jù)統(tǒng)計張掖地區(qū)一般光伏年有效利用小時數(shù)是1611.88 小時，折算一年可正常光伏發(fā)電天數(shù)為200 天左右，則張掖地區(qū)一個基站一年可光伏發(fā)電3460KWh，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以直接減少市電用電量。

6 總結(jié)

本文針對基站光伏系統(tǒng)傳統(tǒng)方案存在的問題，在校企合作的基礎(chǔ)上設(shè)計的一款智能全并聯(lián)直流基站疊光系統(tǒng)，經(jīng)過實際安裝應(yīng)用，檢驗出可以減少市電用電量，緩解當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的用電負荷，延長基站標配的蓄電池壽命，降低基站的掉站率，縮減系統(tǒng)維護成本等優(yōu)勢，有益于構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會。同時，該系統(tǒng)安裝具有簡單可靠、發(fā)電效率高、運維智能、安全可靠及可行度高的特點，便于大范圍推廣。