潘全亮

（上海置信能源綜合服務(wù)有限公司，上海 200335）

0 引 言

5G基站建設(shè)是國家“新基建”的7大領(lǐng)域之一。當(dāng)前三大運(yùn)營商都在加大5G基站布局，隨著5G基站建設(shè)，西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)通信基站面臨著持續(xù)穩(wěn)定供電的壓力，同時運(yùn)營商面臨節(jié)能降耗、節(jié)約運(yùn)營成本、轉(zhuǎn)供電成本高昂以及基站能耗計(jì)量結(jié)算依據(jù)不清晰等困境[1,2]。如何為偏遠(yuǎn)及高原地區(qū)基站提供穩(wěn)定的供電方案，是目前通信基站發(fā)展的主要關(guān)注點(diǎn)之一。

四川甘孜鐵塔實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目位于四川甘孜藏族自治州折多山觀雪臺鐵塔機(jī)房，海拔約為4 300 m，日照資源豐富，全年日照時間為1 500 h以上，冬季最低氣溫為-25 ℃，周圍為牦牛放牧草場，農(nóng)配電供電不穩(wěn)定[3]。通過在基站建立低溫鈦酸鋰風(fēng)光儲綜合能源直流并網(wǎng)系統(tǒng)，將光伏、風(fēng)電、低溫鈦酸鋰儲能電池進(jìn)行有機(jī)融合，采用基站直流母線并網(wǎng)，避免常規(guī)光伏發(fā)電采用DC-AC-DC供電模式造成的多余電能轉(zhuǎn)換損失，為基站提供更高效節(jié)能的直流供電方案。系統(tǒng)可孤島運(yùn)行，采用多元化分布式供電系統(tǒng)，提高基站電網(wǎng)供電的可靠性，改善電能質(zhì)量。通過網(wǎng)頁端和手機(jī)端App監(jiān)控實(shí)現(xiàn)基站電源的遠(yuǎn)程管理；采用柔性組件減少項(xiàng)目鋼架投入，降低人力搬運(yùn)成本；采用低溫鈦酸鋰電池以實(shí)現(xiàn)在高原低溫極端條件下電池的正常放電，項(xiàng)目設(shè)計(jì)及技術(shù)闡述如下[4]。

1 技術(shù)方案

1.1 儲能負(fù)載計(jì)算

根據(jù)對川西高原地區(qū)甘孜等地基站的調(diào)研，300 W功率負(fù)載在陰天無光伏發(fā)電、無風(fēng)力發(fā)電等極端惡劣情況下要維持基站正常工作3天，電池裝機(jī)容量應(yīng)為 300 W×24 h×3 d/（0.77×1 000）≈ 28 kVAh，即需配置約28 kVAh的儲能電池。

1.2 儲能電池的選擇

考慮到當(dāng)?shù)貫楦咴貐^(qū)，其冬季極端氣溫近-25 ℃，夏季也面臨高溫等情況，因此需選擇滿足工作環(huán)境要求的電池系統(tǒng)。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，鉛酸電池能量密度太低、壽命太短；三元鋰電池?zé)岚踩暂^差；磷酸鐵鋰電池在低溫條件下充放電性能變差且低溫加熱方案存在加熱耗能及熱失控的風(fēng)險；鈦酸鋰電池具有良好的低溫工作性能及極高的安全性能[5]。綜合考慮采用鈦酸鋰電池，其使用壽命是磷酸鐵鋰使用壽命的5倍以上，并具有10 C的充放電倍率，且不燃燒、不爆炸，安全性高，可滿足本項(xiàng)目需求[6]。

儲能組包方案為采用48 V系統(tǒng)，選用21節(jié)串并聯(lián)方案，28 A·h低溫鈦酸鋰電池，總電量為28 kVAh，標(biāo)稱電壓為2.30 V，可選 C60138或60160規(guī)格型，工作溫度范圍為-45～45 ℃，放電深度80%。綜合考慮冗余，本項(xiàng)目選用77%的放電深度進(jìn)行電池設(shè)計(jì)，最大充放電倍率為10 C，配置鈦酸鋰電池專用電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）模塊監(jiān)控每一組電池電壓和內(nèi)阻，可通過電壓和內(nèi)阻的變化判斷該電池的化學(xué)性能，并能通過BMS模塊進(jìn)行單組電池的電池均衡，具有微型EMS電池管理功能，能定期進(jìn)行充放電管理[7]。此外，鈦酸鋰電池的循環(huán)壽命≥20 000次，電池的初始內(nèi)阻≤0.6 mΩ，放電終止電壓 1.5 V。

1.3 光伏裝機(jī)容量計(jì)算

光伏裝機(jī)容量的計(jì)算需根據(jù)基站負(fù)載確定，采用光伏供電作為主發(fā)電電源、風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充電源的模式，根據(jù)負(fù)載電流反向計(jì)算，發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量需要滿足日間負(fù)載使用以及儲能充電的裝機(jī)要求，需因地制宜根據(jù)每個站點(diǎn)的地形特點(diǎn)進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r進(jìn)行裝機(jī)容量的冗余調(diào)整[8]。

1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇

風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝先進(jìn)行風(fēng)電場的選址，因本項(xiàng)目風(fēng)場選址需就近安裝，綜合考慮地理位置、海拔高度等自然條件，結(jié)合交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施條件，山頂因運(yùn)輸及動荷載原因不宜安裝過大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，初步選型采用風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量為2 kW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的布置避開樹木及桿塔線路，并預(yù)留足夠的旋轉(zhuǎn)半徑及檢修半徑，為了便于安裝，桿件可采用組合式，配置地籠進(jìn)行混凝土基礎(chǔ)澆筑，采用拆卸式多節(jié)桿件或可放倒式三角支架安裝，便于運(yùn)維人員后期維護(hù)[9]。

1.5 電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

分布式光伏發(fā)電采用自發(fā)自用、直流并網(wǎng)方式，光伏系統(tǒng)直接通過最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）太陽能控制器輸出直流 48 V電壓，通過直流電纜經(jīng)保護(hù)空開匯入基站直流母線，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用48 V系統(tǒng)接入?yún)R流母線。光伏發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不經(jīng)DC-AC-DC轉(zhuǎn)換，采用MPPT控制器直接為設(shè)備及負(fù)載供電。經(jīng)計(jì)算及測試，MPPT系統(tǒng)采用最大電量跟蹤效率比傳統(tǒng)的DC-ACDC轉(zhuǎn)換綜合效率提高約10%[10-12]。直流方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.6 主要設(shè)備配置及組成

本項(xiàng)目主要設(shè)備組成有光伏組件、MPPT太陽能控制器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器、BMS電池管理模塊、低溫鈦酸鋰電池組串、直流母線、4G信息傳輸模塊、鋼制支架以及電纜等。

1.6.1 光伏系統(tǒng)

本項(xiàng)目選用320 W單晶硅疊瓦光伏組件，單體組件工作電壓為37 V，額定電流為8 A，采用3串10并的組串方案，組串后電壓約為111 V，最大電流為24 A，經(jīng)過并聯(lián)后利用合路器接入MPPT太陽能控制器，接入的原則為組串電流總和不超過控制器電流規(guī)格，控制器輸出經(jīng)保護(hù)開關(guān)并聯(lián)接入基站直流母線。

柔性光伏組件在高原地區(qū)應(yīng)用可有效降低項(xiàng)目的整體成本，在既有基站或新建基站場所已經(jīng)具有屋頂?shù)幕?，?yōu)先采用柔性光伏組件，可以減少鋼架安裝規(guī)模，降低項(xiàng)目建設(shè)成本，不具備屋頂安裝條件的基站可采用常規(guī)光伏組件，利用鋼支架安裝，為防止草原動物及人員對發(fā)電系統(tǒng)的破壞，光伏板架空高度宜大于 3 m。

1.6.2 MPPT太陽能控制器

MPPT太陽能控制器光伏輸入端耐壓150 V，最大直流輸出為100 A，具備44～57.6 V自適應(yīng)電壓輸出標(biāo)準(zhǔn)，兼容原有基站電池系統(tǒng)并新增鈦酸鋰鋰電系統(tǒng)。輸入輸出端具有過欠壓保護(hù)、防反接保護(hù)、電池溫度保護(hù)、機(jī)器溫度保護(hù)以及負(fù)載過流保護(hù)，具備4G通信傳輸功能、發(fā)電量計(jì)量功能以及本地調(diào)試管理功能，可遠(yuǎn)程進(jìn)行管理，實(shí)時存儲數(shù)據(jù)。

光伏裝機(jī)容量為9.6 kW，通信基站為48 V直流系統(tǒng)，為滿足設(shè)備穩(wěn)定及散熱要求，綜合考慮冗余后選擇配置3臺100 A的MPPT太陽能控制器。

1.6.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率為2 kW，額定電壓為48 V，風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速為2.5 m/s，額定風(fēng)速為11 m/s，安全風(fēng)速為45 m/s，具有超速自動剎車功能，主機(jī)重量為55 kg，風(fēng)輪直徑為3.4 m，葉片數(shù)量為3。葉片材質(zhì)采用尼龍纖維材質(zhì)，配置電磁制動，工作溫度滿足-40～80 ℃。風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接風(fēng)機(jī)控制器，桿件高度為5 m，配合拉索地籠安裝，地籠根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)出廠要求預(yù)埋，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的施工需充分考慮靜荷載和動荷載的安裝要求，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間牢固可靠。

1.6.4 通信模塊

通信模塊是用于現(xiàn)場信息采集和遠(yuǎn)程管理的傳輸媒介，可搜集儲能電池狀態(tài)、光伏系統(tǒng)發(fā)電狀態(tài)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)、BMS充放電狀態(tài)，進(jìn)行充放電電流、輸入輸出端電壓、日發(fā)電量和總發(fā)電量、運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)的監(jiān)測，信息上傳至綜合能源管理云平臺。數(shù)據(jù)通信模塊可選方案包括4G傳輸模塊、GPRS模塊、WiFi模塊，目前國內(nèi)基站的GPRS通信半徑約為5 km，4G基站覆蓋半徑約為2 km，考慮通信費(fèi)率及網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，在現(xiàn)場具有4G信號的情況下首先選擇4G傳輸模塊，其次選擇GPRS傳輸模塊。

2 系統(tǒng)云服務(wù)架構(gòu)

本項(xiàng)目所采用的云服務(wù)架構(gòu)是利用基站能源綜合管理平臺，在硬件配置上通過4G模塊進(jìn)行綜合能源發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。光伏發(fā)電及風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電信息通過RS485通信傳輸至4G模塊，由4G模塊利用公網(wǎng)傳輸至云服務(wù)器，云服務(wù)器接收并存儲數(shù)據(jù)，用戶端采用網(wǎng)頁瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server，BS）終端進(jìn)行管理或通過App終端進(jìn)行管理。風(fēng)光儲云服務(wù)器作為App終端訪問的主服務(wù)器，本地服務(wù)器作為輔助服務(wù)器，通過對云服務(wù)器的管理定期進(jìn)行本地數(shù)據(jù)備份及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)維護(hù)，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、計(jì)量、分析以及電池管理等功能。還可通過App及網(wǎng)頁端于調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行系統(tǒng)控制，系統(tǒng)具有API接口可共享開放協(xié)議，同時具備其他系統(tǒng)接入功能，能夠接入中國鐵塔基站動環(huán)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)云服務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)云服務(wù)架構(gòu)

3 結(jié) 論

本文通過對西部地區(qū)基站供電系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)一套低溫鈦酸鋰風(fēng)光儲綜合能源直流并網(wǎng)系統(tǒng)，研究了穩(wěn)定可靠的基站供電系統(tǒng)。結(jié)果表明，低溫鈦酸鋰風(fēng)光儲直流并網(wǎng)系統(tǒng)相比交流發(fā)電系統(tǒng)在電源效率轉(zhuǎn)換上減少了一次電能轉(zhuǎn)換，可避免交流系統(tǒng)多次轉(zhuǎn)換造成的能量損耗。直流發(fā)電方案的綜合效率更高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

在國家雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)指引下，清潔能源供電已是大勢所趨，基站綜合能源供電系統(tǒng)可通過頂層規(guī)劃、分步實(shí)施的方式有序推進(jìn)西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)基站清潔能源供電，本設(shè)計(jì)在為基站提供安全可靠清潔能源供電的同時，也為基站電力需求側(cè)響應(yīng)提供了降本增效的新思路，在川藏高原地區(qū)具有較大的推廣意義。