风光油、光油基站一体化独立供电系统研究与运营分析

1 风光油、光油基站一体化独立供电系统研究与运营分析摘要：风光油、光油基站供电系统概述、关键技术分析、运营效能分析一、概述新疆地处祖国西部，面积 166 万平方公里，具有丰富的风光资源，由于风能、 太阳能资源应用的局限性以及现有风能太阳能基站的技术水平使得该部分基站经常断站，严重影响到网络的运行质量与客户感知度，提升风能太阳能基站的运行质量、延长基站电池使用寿命、减少基站发电频次是风能、太阳能基站应用研究的课题。中国移动新疆公司自 2007 年起开始研究现网风能、 太阳能基站存在的问题，就如何解决上述问题开展课题研究，经过近约 4 年现网摸底研究找出解决上述问题的技术解决方案，从根本上解决太阳能、风能基站存在的问题。二、技术实现方案及创新点目前现网太阳能和风光互补存在蓄电池寿命短、停电维护频繁、通信质量差等问题，归根结底的原因为风光供电不足和蓄电池管理功能不完善。因此，我们从提升风光系统的效能和增加主动供电能力的保障两个方向探索，查找解决问题的根源。技术实现方案为选用具有最大功率跟踪（ MPPT）功能的太阳能（风能）控制器；增配具有自启动功能的小型高效直流柴油发电机，以提升系统的供电效能，加固系统供电的可靠性。系统的组成结构图如下：2 风光油一体化供电系统结构图此方案创新点： 1、实现了太阳能最大功率跟踪，系统效率比现网太阳能设备最大提高 32%。 解决了供电系统效率低的问题。 2、 能够控制太阳能的输出电压， 蓄电池管理做到真实意义的均浮充和温度补偿，解决了蓄电池使用性能下降快的问题。 3、能够克服连续恶劣天气引起的断电，实现全天候不间断供电，解决了风光电源对气候的绝对性依赖的问题。 4、能够自由设定各种能源的优先使用顺序，实现太阳能风能的优先利用，最大化的降低运行成本。三、相关关键技术描述1、太阳能电池的最大功率点和最大功率跟踪技术单晶硅和多晶硅太阳能电池有相同的输出特性曲线。 标称 12V的太阳能电池组件，工作电压在 17.5V 以下，其工作电流几乎是相同的。也即：当太阳能电池工作在 17.5V 时，具有最大的输出功率。这个特定电压值在曲线上对应的点， 就是太阳能电池的峰值工作点，工作在该点太阳能电池有最大的输出功率（峰瓦值） ，在此点以外，曲线上其他各点对应的功率值都比该点中心控制模块太阳能控制模块风能控制模块柴油机交流模块配电模块蓄电池组自启动模块太阳能方阵风力发电机高效直流柴油机负载3 小。太阳能电池的最大工作点是随工作温度的变化而反向变化的。显然，如果太阳能电池工作电压被蓄电池绑定死，太阳能电源系统是不能够工作在最大功率状态下的， 如何制作出能够自动跟踪太阳能电池最大功率点的控制设备，是解决太阳能电源效率低的关键所在。DC-DC变换稳压型太阳能控制器（简称直流变换稳压型）是采用开关电源模式工作的太阳能控制系统， 太阳能电池与蓄电池和负载分别在两个回路里，因此，太阳能电池的工作电压没有被蓄电池组绑定。在 DC-DC太阳能控制器的初级，太阳能电池与脉冲变压器初级串联成一个回路， 由太阳能电池最大功率跟踪电路（ MPPT）和 PWM电路控制，可任意调节太阳能电池的输入脉冲宽度，能够在负载需要大电流时，使太阳能电池的输出电压（初级线圈的电压）接近太阳能电池最大功率工作点电压 （一般 48V系统在 66V左右） ，实现太阳能电池的最大功率跟踪；蓄电池（负载）和脉冲变压器次级串联成另一个回路。脉冲变压器将初级线圈上 66V 左右的脉冲电压变换为次级43-56V 的脉冲电压， 经整流滤波后， 输送给蓄电池和负载。 在变压器降压过I13V 蓄电池组充电电压17V 太阳能最佳工作电压22V 开路电压峰值工作电流短路电流OU太阳能电池峰值工作电压 17VM P P T功能可增加的功率范围电 位 式 太 阳能 电 源 的 太阳 能 方 阵 输出功率范围蓄 电 池 稳 压 工作电压 13V4 程中，电压降低，电流增大，因此直流变换稳压型控制器的输出电流大于太阳能方阵提供的输入电流。 此点也说明直流变换稳压太阳能控制器输入输出电压差异越大，体现出的效能提升也越高。太阳能电池方阵工作电压的提高， 大大降低了串联在初级回路的太阳能电池内阻的损耗， 提高了太阳能电池的输出效率。 在 25℃标准环境下， 太阳能电池的输出效率 μ =太阳能输出电压 / 太阳能电池电动势 μ =66/68=97.5%，考虑到脉冲变压器的磁损和线路的铜损， 直流变换稳压太阳能控制器的工作效率可以在 95%以上。由于直流变换稳压型太阳能电源的输入不受蓄电池电位的影响，控制器的工作效率在蓄电池充饱前不变，因此，太阳能控制器的效率就是系统的整体工作效率。在蓄电池电压为 43V亏欠状态下， 直流变换稳压型太阳能电源系统的工作效率约为 95%，蓄电池稳压式太阳能系统的工作效率为 63.3%，两者相比高出约 32%。当蓄电池接近饱满 （ 53V）时，蓄电池组已经不再需要大电流充电，此时， MPPT电路会自动被 PWM电路替代，使蓄电池处于 均充 状态。可见蓄电池电压越低、系统的输入输出电压差越大，具有 MPPT功能的太阳能电源体现出的效能就越大。因此，具有 MPPT功能的太阳能控制器首先提高了太阳能电池68-70VV 内阻太阳能方阵输出电流太阳能方阵输出电压U I 65-69V I O＞ Ii 控制模块输出电流I i 脉冲变压器控制模块输出电压U O 43-56V 负载蓄电池MPPT +pwm DC-DC 太阳能功率控制模块整 流滤波5 太阳能系统的整体工作效率。其次， DC-DC直流变换稳压型太阳能控制器对蓄电池具有多重保护和管理功能：1) 太阳能系统具有独立稳压输出功能，能够真正实现对蓄电池组的均浮充管理。2) 在蓄电池电压低时太阳能电源系统对蓄电池电能的补充越快，快速的补充蓄电池的电能不仅使蓄电池获得了更长久的供电能力，减少蓄电池的深放几率，从而提高了系统整体的供电可靠性。3) 太阳能系统设计有蓄电池中间温度传感器，实现蓄电池组温度补偿功能。4) 中控模块能够自动按照太阳能——市电（风能）——蓄电池的用电顺序使用电能，并且当上一级能量不足时，欠缺部分会自动由下一级能量补足，提升系统可靠型。2、高效轻巧自启动直流柴油发电机技术太阳能、风能的使用完全依赖于天气的好坏， 不能全保证无间断的通信供电，普通的柴油发电机体积大、重量高、效率低、搬运困难，在应用到太阳能、风能基站需要增配开关电源，应用不经济。风光电源基站配置高效节能自启动直流柴油发电机，可以彻底解决供电保障和蓄电池深放电的难题。高效轻巧的直流柴油发电机效率达到 92%； 5KW的直流柴油发电机重量为 70KG， 48V输出电流可达 90A， 而普通交流 5KW柴油发电机的重量为 125KG，转换为直流电流约为 60A。油机自启动模块能够自由设定柴油机启动的工作电压， 能够在连续恶劣天气中， 风光电能微弱、 蓄电池面临亏电临界状态下，迅速启动柴油发电机，为负载供电，并为蓄电池补充能量，帮助风光电源度6 过最脆弱的时刻。 因此， 配置了自启动油机的风光电源可以保证不间断的供电。根据站点气象条件，合理配置风光油的比例，可以控制柴油发电机每年启动的次数不超过 12 次，真正实现经济可靠的绿色通信供电。3、一体化的风光油智能控制系统风光油一体化的智能控制器是由中控模块管理下的 DC-DC太阳能功率模块、 DC-DC风能模块和 DC-DC交流（油机）模块组成。系统具有按太阳能——市电（风能）——蓄电池的先后次序自动选择使用能量，当上一级能量不足时，不足部分由下一级能量自动补足，充分利用了风光资源，保证了只有在最关键时才使用蓄电池的能量，最大限度地延长了蓄电池的供电时间，节约了电能。4 、系统应用结论1) 风光油一体化控制器的采用，完善了系统能量的分配管理。2) MPPT+DC-DC稳压技术提升了系统工作效率，降低了系统投资。3) 一体化控制系统使各种资源集中化控制管理，提升了系统可靠性，为集中监控奠定了基础。4) 自启动直流发电机，加固了系统供电的安全性，提升蓄电池寿命。5) 高效率应用系统，实现了节能减排。四、系统运营与效能分析2009 年中国移动分别针对干燥、 暴热的新疆沙漠基站试点， 试点站点分别为： 风光互补供电系统 （新疆沙 3） 、 风光油互补供电系统 ( 新疆伴行公路 ) 。试点站运营情况如下：沙三基站原为纯太阳能基站， 整改前主要运行费用是来自频繁的应急发电，原因为太阳能电源配置偏小和对蓄电池的管理不当，造成蓄电池组性能7 迅速劣化。根据系统数据统计分析，整改前，沙三站从 2009 年 2 月 25 日到4 月 15 日， 51 天内断电 19 次，维护人员维护 19 次，累计发电 96 小时，发电量 174.9 度， 耗油 276 升，基站中断时长 139.42 小时。每次人员平均车旅成本 1690 元 / 次× 21 次 =35490元， 油料 276× 5.5 元 / 升 =1518元， 该站平均现场发电成本 211 元 / 度。 推算出维护费为 264861 元 / 年。 整改后增加了 4台 1KW风机，采用了 MPPT太阳能一体化控制器，系统从 2009 年 4 月 15 日到 8 月 21 日， 129 天内中断 1 次，由此推算出年维护费约 88287 元 / 年，约2.4 年收回投资。伴行公路基站原为纯太阳能基站， 整改前运行费用主要来自频繁的应急发电。其原因是原太阳能电源配置偏小和对蓄电池的管理不当，造成蓄电池组性能迅速劣化，增加了维护量。根据数据统计分析， ，整改前，伴行公路从 2009 年 2 月 25 日到 4 月 21 日， 55 天内断电 23 次， 维护人员维护 25 次，累计发电 134.5 小时， 发电量 257.78 度， 耗油 399 升， 基站中断时长 67.39小时。人员平均车旅成本 1690 元 / 次× 25 次 =42250 元，油料 399× 5.5 元 /升 =2194.5 元，平均现场发电成本 202 元 / 度。推算出维护费为 295000 元 /年。整改后增加 2 台 1KW风机和一台具备有自启动特性的直流柴油油机，采用了 MPPT太阳能一体化控制器， 系统从 2009 年 4 月 21 日到 8 月 21 日， 122天内系统未中断， 由此推算出年维护费约 98333 元 / 年， 约 2.6 年收回投资。附件：试点基站配置与运行数据8 基站名称太阳能基站极板总容量（ WP）基站电池容量基站负荷夏季平均日中断时长夏季月中断次数冬季平均日中断时长冬季月中断次数整改前沙三基站 3200WP 2*500AH 13A 7 小时 30 次 12 小时 28 次伴行公路基站 4480WP 2*500AH 13A 7 小时 25 次 11 小时 28 次整改后沙三基站（风光互补）更换太阳能控制器（ MPPT)，增加 4台 1KW风机中断 1 次， 09 年 5 月 5 日中断 2 小时 4 分， 主要原因基站电池性能劣化，发电时间不足 8 小时 . 伴行公路基站（风光油互补）更换太阳能控制器（ MPPT)，增加 2台 1KW风机 , 增加 1 台 5KW直流自启油机 整改至今未发生中断。