基于5G移動(dòng)通信基站的可再生能源通信電源系統(tǒng)研究

丁 瑜,鄧敏茜,程 喬

(1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530008;2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)通信事業(yè)得到了高速發(fā)展。與此同時(shí),5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的能耗也在不斷增加?？稍偕茉赐ㄐ烹娫聪到y(tǒng)的應(yīng)用不僅滿足了國(guó)家節(jié)能減排的宏觀戰(zhàn)略要求,也降低了移動(dòng)通信電源系統(tǒng)的建設(shè)、使用和維護(hù)成本。將可再生能源作為5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的供電能源具有重要意義?；诖?本文提出了一種風(fēng)、光組合式通信電源系統(tǒng),采用了MPPT跟蹤、PI控制等算法提高了系統(tǒng)的運(yùn)行性能,探討了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線。

1 5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的負(fù)載情況

在不同的運(yùn)行環(huán)境之下,與4G相比,5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的同配置設(shè)備平均功耗增加了2～4倍,而后期基站子系統(tǒng)設(shè)備的升級(jí)、擴(kuò)容將給通信電源系統(tǒng)帶來(lái)更大的考驗(yàn)。在供電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為落后、供電不穩(wěn)定的區(qū)域,保證5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常困難;在不具備市電引接條件的區(qū)域,基站子系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。

5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的負(fù)載主要包括空調(diào)(或新風(fēng)系統(tǒng))、照明、設(shè)備、AAU、有源天線等交直流負(fù)載,并留有適當(dāng)余量,故也需要將直流電轉(zhuǎn)換成交流電給交流負(fù)載供電。5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的正常運(yùn)行關(guān)乎國(guó)計(jì)民生,不能有較長(zhǎng)時(shí)間的斷網(wǎng)情況出現(xiàn),如果地市級(jí)別出現(xiàn)大面積5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)掉網(wǎng)將被認(rèn)定為相應(yīng)級(jí)別的生產(chǎn)事故。因此,5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)對(duì)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定程度有著較高的要求。

2 可再生能源通信電源系統(tǒng)架構(gòu)

可再生能源通信電源系統(tǒng)技術(shù)方案整體架構(gòu)如圖1所示,采用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)組合供電方式為基站子系統(tǒng)供電,以蓄電池作為整個(gè)通信電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能、應(yīng)急供電方式。圖1中粗線代表能量流、細(xì)線代表信息流,在直流母線與交流母線之間采用雙向AC/DC變流器作為整個(gè)通信電源系統(tǒng)的潮流協(xié)調(diào)控制器,實(shí)現(xiàn)各種能源組合、互補(bǔ)的協(xié)調(diào)控制。

圖1 可再生能源通信電源系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏效應(yīng)是光伏發(fā)電的基本工作理論,即將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋．?dāng)陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池板時(shí),光的一部分被直接吸收。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能[1],在此過(guò)程中沒(méi)有其他物質(zhì)能量的消耗,維護(hù)簡(jiǎn)單,安全可靠性高,并且可以在很多場(chǎng)景下應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用方面都獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步,技術(shù)日趨成熟,將光伏發(fā)電系統(tǒng)高精度的控制算法引入通信電源系統(tǒng)有著重要的實(shí)踐意義。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載阻抗與光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)阻一致時(shí),光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獲得相對(duì)較高的輸出功率,采用控制器動(dòng)態(tài)地調(diào)整負(fù)載的外部特性獲得較高的輸出功率。因各地區(qū)日照情況不同,在5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的電源實(shí)踐應(yīng)用中,建議選擇多片串聯(lián)的方式完成光能的收集。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的組合,既可作為節(jié)能減排的有效方案,也可以作為市電引入困難地區(qū)的5G移動(dòng)通信基站電源使用。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合可以構(gòu)建運(yùn)行穩(wěn)定的5G移動(dòng)通信基站的新型分布電源。根據(jù)渦輪風(fēng)力結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景的不同,風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為很多種。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其發(fā)電功率較小、容量較小、安裝使用方便、維護(hù)成本低的特點(diǎn),多應(yīng)用于小型設(shè)備供電場(chǎng)景和偏遠(yuǎn)地區(qū)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常將異步發(fā)電機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)作為產(chǎn)能核心。

本系統(tǒng)風(fēng)能發(fā)電部分將自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)作為風(fēng)電單元。由潮流協(xié)調(diào)控制器提供負(fù)載所需的不平衡電流和諧波電流,使自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流為三相對(duì)稱的正弦波形,可使發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行,提高風(fēng)電機(jī)組的利用率,降低系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用,具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 蓄電池系統(tǒng)

可再生能源發(fā)電方式具有相對(duì)不確定性,當(dāng)風(fēng)機(jī)和光伏電池的實(shí)際發(fā)電量有波動(dòng)時(shí),會(huì)引起5G通信電源系統(tǒng)的頻率和電壓變化,使其工作效率降低,并帶來(lái)一定的安全隱患。風(fēng)能和光能雖然在時(shí)間上可以一定程度地形成互補(bǔ)發(fā)電,但是無(wú)法一直保持一種在線狀態(tài)。在特殊情況下,風(fēng)光組合通信電源系統(tǒng)發(fā)電量可能無(wú)法滿足5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)各項(xiàng)負(fù)載正常運(yùn)行的需要,會(huì)產(chǎn)生斷電掉站現(xiàn)象。而在風(fēng)光組合通信電源系統(tǒng)可以高效工作的情況下,如果不能將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來(lái),會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象。由于風(fēng)能和光能都是間歇式能源的特點(diǎn),所以必須配備相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備以保證供電的穩(wěn)定[2]。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提高5G通信電源系統(tǒng)的控制效率,是保障通信設(shè)備不間斷供電的核心設(shè)備,有助于提高5G通信電源系統(tǒng)的可靠性和工作效率。

5G移動(dòng)通信基站大多將閥控式密封鉛酸蓄電池作為主要的儲(chǔ)能設(shè)備,將風(fēng)能和光能所提供的電能轉(zhuǎn)換成可以儲(chǔ)存的化學(xué)能,在可再生能源部分所提供的電能無(wú)法達(dá)到5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需求時(shí),將儲(chǔ)存的化學(xué)能再次轉(zhuǎn)變成電能。本系統(tǒng)配套的蓄電池可以用鉛酸蓄電池、鋰電池、鐵鋰電池等,其容量根據(jù)移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的建設(shè)區(qū)域、應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)靈活選擇,例如較為偏遠(yuǎn)的區(qū)域、維護(hù)不便利的區(qū)域可以選擇容量相對(duì)大一點(diǎn)的蓄電池組,科學(xué)合理地設(shè)計(jì)蓄電池組的容量。

3 可再生能源通信電源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)方案

3.1 主要控制算法

PI控制算法可靠性高、實(shí)現(xiàn)方便、魯棒性好。在本通信電源系統(tǒng)中,P控制按期望值對(duì)通信電源系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行控制,P參數(shù)越大,比例調(diào)節(jié)器部分相對(duì)作用就越強(qiáng),其動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較快。I控制器主要用于消除被控對(duì)象的穩(wěn)態(tài)誤差。

最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)主要特點(diǎn)是輸出功率與其控制器的輸出工作電壓存在一定的關(guān)系,當(dāng)工作運(yùn)行在最適電壓下,輸出功率可以達(dá)到最大值。MPPT是一種通過(guò)調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài),使其產(chǎn)生電能的電氣系統(tǒng)。與傳統(tǒng)控制器相比,MPPT可以實(shí)時(shí)完成被控系統(tǒng)的跟蹤控制,動(dòng)態(tài)地使被控對(duì)象運(yùn)行在高效狀態(tài)。

3.2 DC/DC控制集成裝置技術(shù)方案

對(duì)于3個(gè)DC/DC控制裝置,若要分別進(jìn)行設(shè)計(jì),需要較高的代價(jià),并且會(huì)增加故障點(diǎn),所以需要研究三路DC/DC的集成化設(shè)計(jì)技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以充分利用IGBT器件的6管集成功能,借助核心DSP實(shí)現(xiàn)三路DC/DC變換。集成DC/DC控制裝置以DSP微處理器為核心,可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤,升壓斬波控制。

3.3 雙向變流器控制與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置技術(shù)方案

用電負(fù)荷以5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)的空調(diào)(或新風(fēng)系統(tǒng))、照明、設(shè)備等交直流負(fù)載為依據(jù),并留有適當(dāng)余量,故也需要將直流電轉(zhuǎn)換成交流電給交流負(fù)載供電。同時(shí),考慮負(fù)載與電源的動(dòng)態(tài)變化對(duì)系統(tǒng)設(shè)備可能造成影響,采用以MPPT跟蹤算法、PI控制算法為主的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)方法,引入電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能,實(shí)現(xiàn)多路DC/DC、DC/AC能量的雙向流動(dòng),確保光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電部分具有高效的MPPT功能,電壓的穩(wěn)定控制以及蓄電池的無(wú)損充放電控制,以提高用電負(fù)荷的電力供應(yīng)質(zhì)量。采用基于嵌入式的設(shè)計(jì)方案,選擇“浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器DSP+智能功率模塊IPM”作為控制器的核心,并對(duì)各電源節(jié)點(diǎn)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行在線粒子群優(yōu)化[3],是具有高性價(jià)比的實(shí)踐方案。

3.4 電源節(jié)點(diǎn)的容量?jī)?yōu)化配置與能量平衡技術(shù)方案

為提高系統(tǒng)的利用率和效率,需要對(duì)各電源節(jié)點(diǎn)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置,并且在實(shí)際投運(yùn)后還需要考慮緯度、季節(jié)、光照、風(fēng)力、儲(chǔ)能容量及電負(fù)荷等多因素,實(shí)時(shí)平衡各電源節(jié)點(diǎn)的發(fā)電量。各個(gè)光伏陣列節(jié)點(diǎn)通過(guò)各自的升壓型DC/DC變流器與直流母線相連,蓄電池組通過(guò)雙向DC/DC變流器與直流母線相連,各節(jié)點(diǎn)由各自的單向DC/DC變流器實(shí)現(xiàn)MPPT控制,以提高光伏電源的發(fā)電效率。各電源節(jié)點(diǎn)PI控制器的PI參數(shù)采用了在線粒子群優(yōu)化方法,進(jìn)而加快了動(dòng)態(tài)參數(shù)篩選的速度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在結(jié)合5G移動(dòng)通信基站子系統(tǒng)現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上,探討了一種可再生能源通信電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用在線粒子群優(yōu)化方法對(duì)多組電源節(jié)點(diǎn)PI控制器的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,同時(shí)確保蓄電池的最優(yōu)充放電控制;采用嵌入式與現(xiàn)代變流技術(shù)將太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池充放電控制單元與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)單元進(jìn)行整合優(yōu)化設(shè)計(jì),形成“背靠背”的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),最大化地實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載投切時(shí)電壓的穩(wěn)定控制。