李燕春，謝家林，樊成軍

（1.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310013；2.上海復(fù)旦大學(xué)航空航天系電子信息系，上海 200433；3.寧夏回族自治區(qū)無(wú)線電管理委員會(huì)辦公室，寧夏 銀川 750000）

0 引 言

QTX訓(xùn)練場(chǎng)地處荒漠，屬于戈壁地貌，太陽(yáng)能資源豐富，年日照小時(shí)數(shù)介于2 250～3 100 h，是我國(guó)光照資源最豐富的區(qū)域之一。同時(shí)訓(xùn)練基地地域開闊，年有效風(fēng)速小時(shí)數(shù)為8 128 h，場(chǎng)區(qū)邊緣便是寧夏回族自治區(qū)最大的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)之一，風(fēng)能資源集中。風(fēng)能與太陽(yáng)能在晝夜能量的互補(bǔ)性給場(chǎng)區(qū)建設(shè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)帶來了天然的優(yōu)異條件，但由于自然條件的不確定性導(dǎo)致了發(fā)電與用電負(fù)荷的不平衡，因此必須對(duì)其進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)與控制才能實(shí)際使用。兩者相互配合利用、因地制宜，充分利用它們?cè)诎l(fā)電效率上的時(shí)間差，從而建立起更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。隨著風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)日趨成熟以及行業(yè)政策的積極引導(dǎo)，建設(shè)成本快速下降，使得新能源的應(yīng)用更加廣泛。

從施工難度上考慮，訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)地處荒漠地帶，遠(yuǎn)離國(guó)家電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，戈壁荒漠區(qū)域建設(shè)成本和維護(hù)成本高，同時(shí)市電引入工程為直埋或架空線纜對(duì)作戰(zhàn)演練帶來了隱患。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)充分發(fā)揮場(chǎng)區(qū)自然資源，擺脫了對(duì)傳統(tǒng)資源的依賴，提升了基站通信的節(jié)能環(huán)保性能[1]。

1 場(chǎng)區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)

離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，風(fēng)力系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能量經(jīng)過各自的控制器變壓和整流后，將風(fēng)能和太陽(yáng)能以交直流電的形式輸送到匯流箱，并由瞬間能耗大小決定匯流箱上的電流方向。當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電量大于負(fù)載所需的電量時(shí)，則通過匯流箱將多余的能量送到蓄電池中儲(chǔ)存，當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電量小于負(fù)載所需電量時(shí)，蓄電池將能量轉(zhuǎn)換為直流電，從而為各負(fù)荷提供電能。

同時(shí)，蓄電池的充放特性還具有穩(wěn)定匯流箱電壓的作用。蓄電池作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，合理的控制其充放電深度，可極大提高使用壽命。因此對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電容量估計(jì)及發(fā)電控制、蓄電池容量配置等幾方面進(jìn)行研究，使容量配置相適[2]。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的核心組件為電流控制器，它能自動(dòng)控制光伏電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)的電能，將調(diào)整后的能量輸往直流或交流負(fù)載，如有多余的能量則按蓄電池的特性曲線對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)所發(fā)的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器將蓄電池儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能為負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池充滿后，控制器要及時(shí)泄能，防止蓄電池被過充。當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的放電深度達(dá)到閥值時(shí)，控制器要保護(hù)蓄電池不被過度放電，保護(hù)蓄電池。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量超過蓄電池存儲(chǔ)容量時(shí)，控制器必須將多余的能量消耗掉。

傳統(tǒng)的控制方式是簡(jiǎn)單地將假負(fù)載接到控制單元上，或?qū)⒉糠止夥l(fā)電板直接物理斷開，從而減少發(fā)電量。這種粗略的控制方式對(duì)蓄電池的充放沒有精確管控，多數(shù)情況下蓄電池還沒有充滿，能量卻消耗在假負(fù)載上，從而造成能量的浪費(fèi)。相對(duì)好點(diǎn)的做法是分層接上假負(fù)載，層次越多，步長(zhǎng)越精細(xì)，控制效果越好，但受制于物理空間約束，一般只能做到有限的五六級(jí)，效果仍不理想。最好的控制方式是采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）進(jìn)行柔性控制，通過微處理器不斷變換充電間隔，充電電壓始終穩(wěn)定在蓄電池的浮充電壓范圍內(nèi)，只是將多余的電能釋放到假負(fù)載上，從而保證最佳的蓄電池充電特性[3]。一款優(yōu)秀的風(fēng)光互補(bǔ)控制器的核心器件采用微處理器實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的儲(chǔ)能狀態(tài)，精確控制蓄電池的充電電壓和電流，使得外圍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且控制方式和控制策略靈活強(qiáng)大，從而延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

2 太陽(yáng)能發(fā)電容量計(jì)算

場(chǎng)區(qū)建設(shè)通信機(jī)房設(shè)備的典型功耗約為2.4 kW，綜合考慮到現(xiàn)有設(shè)備功耗及預(yù)留未來設(shè)備擴(kuò)容需求，本次建設(shè)供電系統(tǒng)建設(shè)容量為6 kW，不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）和油機(jī)確保在重大活動(dòng)時(shí)，蓄電池耗盡前有足夠的時(shí)間去現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)油機(jī)應(yīng)急供電。

QTX訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)是全國(guó)太陽(yáng)能資源開發(fā)綜合條件優(yōu)勢(shì)的地區(qū)之一，年日照時(shí)長(zhǎng)均大于3 000 h，經(jīng)查詢氣象軟件Meteonorm7的太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 Meteonorm7太陽(yáng)能輻射量

根據(jù)上述從權(quán)威Meteonorm7氣象軟件上可以查詢到每個(gè)月的太陽(yáng)能有效輻射量，本地區(qū)的全年有效輻射總量為1 909 kW·h/m2，換算成平均日有效輻射量約為達(dá)到5.23 kW·h/m2。該值是在太陽(yáng)能方陣仰角為40°時(shí)的有效值[4]。

太陽(yáng)能發(fā)電功率計(jì)算公式為：

式中，S光為太陽(yáng)能組件核算功率；J為冗余系數(shù)，本次取值為1.1，約有10%的冗余；S為單塊組件發(fā)電量，本次取值為440 W；D為平均日有效輻射量，通過查詢得知QTX訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)的平均日有效輻射量為5.23 kW·h/m2；η為太陽(yáng)能組件部分工作效率，太陽(yáng)能組件冗余系數(shù)取0.85；N為配置光伏組件板數(shù)量，QTX場(chǎng)區(qū)建設(shè)方案擬采用每陣列選配4塊功率為440 W/36 V的單塊組件串聯(lián)后組成陣列，每10個(gè)陣列并聯(lián)組成一個(gè)系統(tǒng)。

3 風(fēng)機(jī)發(fā)電容量計(jì)算

QTX訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)地處西北內(nèi)陸，每年冬春季風(fēng)力最強(qiáng)，場(chǎng)區(qū)處于賀蘭山腳下，屬于寧夏風(fēng)力資源最豐富的3大風(fēng)電場(chǎng)之一，風(fēng)力最大可達(dá)7～8級(jí)，最大風(fēng)速可達(dá)30 m/s，場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)臺(tái)風(fēng)，最大風(fēng)速在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可承受的范圍內(nèi)。由賀蘭山風(fēng)塔監(jiān)測(cè)情況可知，該區(qū)域主風(fēng)向和主風(fēng)能方向一致，以西北風(fēng)的風(fēng)能最大，頻次最高，風(fēng)向穩(wěn)定，春季大，秋季小。QTX訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明在10 m和50 m高度處的年有效風(fēng)速時(shí)數(shù)分別為 8 128 h 和 8 277 h，風(fēng)速頻次分別為 5.0 ～6.0 m/s和7.0～8.0 m/s，無(wú)破壞性風(fēng)速，風(fēng)速年內(nèi)變化小，年平均風(fēng)功率密度為210 W/m2和460 W/m2。根據(jù)表2《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估表》判定該風(fēng)場(chǎng)風(fēng)功率密度等級(jí)為4級(jí)，適合采用風(fēng)力發(fā)電[5]。

表2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估

風(fēng)力發(fā)電計(jì)算公式為：

式中，S風(fēng)為風(fēng)機(jī)核算功率；?為風(fēng)機(jī)啟動(dòng)效率，氣象條件評(píng)估為70%；Y為當(dāng)?shù)啬昶骄行r(shí)數(shù)，QTX訓(xùn)練場(chǎng)區(qū)風(fēng)機(jī)掛高約為 10 m，取 8 128 h；P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率，本次建設(shè)采用額定功率為5 kW的風(fēng)機(jī)。

通過上述風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電容量測(cè)算，新建風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)全天發(fā)電總?cè)萘繛椋?/p>

為保證機(jī)房24 h不間斷供電，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電總?cè)萘啃璐笥跈C(jī)房設(shè)備總能耗。機(jī)房總能耗為：

式中，E為機(jī)房設(shè)備能耗；S為機(jī)房設(shè)備峰值功率，取值為6 kW；t為工作時(shí)長(zhǎng)，取值為24 h；μ為負(fù)載系數(shù),取設(shè)備功耗標(biāo)稱值的80%。在具體建設(shè)方案上，可采用4塊功率為440 W/36 V的單塊組件串聯(lián)后組成一組陣列，每10個(gè)陣列并聯(lián)在一起組成一個(gè)系統(tǒng)，提供71.1 kW的光伏發(fā)電容量。風(fēng)力發(fā)電采用額定功率為5 kW的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，提供的發(fā)電容量為77.9 kW，同時(shí)將原有的3 kW光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)后并入新建風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

4 蓄電池容量計(jì)算

在整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)建設(shè)中，蓄電池是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，占整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)成本的大部分，因此合理設(shè)計(jì)蓄電池容量對(duì)使用壽命至關(guān)重要。在太陽(yáng)能風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，一般來說，蓄電池的儲(chǔ)能要大于設(shè)備的功耗，這樣才能保證系統(tǒng)正常工作[6]。蓄電池組容量的計(jì)算公式為：式中，Q為蓄電池容量；K為保險(xiǎn)系數(shù)，一般取1～1.25，本次取值為1.1；I為負(fù)載電流，取整為50 A；T為蓄電池最大持續(xù)供電時(shí)間，本次設(shè)定為8 h備電；φ為蓄電池放電深度系數(shù)，取0.5；t為環(huán)境溫度，因機(jī)房安裝空調(diào)，故本次取蓄電池工作溫度為15 ℃。

5 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)策略

目前，研究風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的兩個(gè)關(guān)鍵問題是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電容量規(guī)劃及小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性問題[7]。

5.1 發(fā)電容量規(guī)劃

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量規(guī)劃應(yīng)考慮負(fù)載用電特征和當(dāng)?shù)靥?yáng)能、風(fēng)能的資源狀況等因素的影響。同時(shí)要為負(fù)載提供可靠穩(wěn)定的電力，就必須對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備功耗特征做完整的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算所有設(shè)備的最大功耗和平均功耗，統(tǒng)計(jì)出日平均用電量和最大用電量，最大用電量是選擇逆變器容量的依據(jù)，日平均用電量則是選擇風(fēng)機(jī)功率、光伏組件和蓄電池組容量的依據(jù)[8]。項(xiàng)目實(shí)施地的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源狀況是光伏組件和風(fēng)機(jī)功率選擇的重要依據(jù)，一般根據(jù)氣象條件來確定光伏組件數(shù)量和風(fēng)機(jī)類型，再按負(fù)載的日用量考慮安全冗余系數(shù)，最后設(shè)計(jì)整體組網(wǎng)方案。

5.2 風(fēng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)

小型風(fēng)機(jī)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)上有了長(zhǎng)足進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，但可靠性一直沒有得到有效解決。出于成本的考慮，項(xiàng)目建設(shè)中很少采用先進(jìn)的液壓控制技術(shù)，只是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，采用簡(jiǎn)單的機(jī)械控制方式對(duì)小型風(fēng)機(jī)在大風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行限速。機(jī)械限速結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是小型風(fēng)機(jī)的機(jī)頭或某個(gè)部件處于動(dòng)態(tài)支撐狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)在風(fēng)洞試驗(yàn)條件下，可以反映出良好的限速特性，但場(chǎng)區(qū)內(nèi)自然環(huán)境惡劣，風(fēng)速風(fēng)向存在很大的變化性和隨機(jī)性，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向很難適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速變化劇烈，使得動(dòng)態(tài)支撐部件不可避免地會(huì)引進(jìn)振動(dòng)從而造成結(jié)構(gòu)件的損壞[9]。

目前，業(yè)界共識(shí)是風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件越少，可靠性越高。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由3個(gè)運(yùn)動(dòng)部件組成，一是驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪，二是尾翼驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的機(jī)頭偏航，三是葉輪側(cè)偏限速部件。風(fēng)輪和尾翼運(yùn)動(dòng)部件不可缺少，這也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)，實(shí)踐中運(yùn)動(dòng)部件故障率并不高，主要是限速保護(hù)機(jī)構(gòu)損壞的情況多。因此，在風(fēng)速較大時(shí)，特別是蓄電池已經(jīng)充滿的情況，應(yīng)采用手動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)或采用側(cè)偏停機(jī)等人工控制風(fēng)力機(jī)停機(jī)[10]。

6 結(jié) 論

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為邊遠(yuǎn)通信基站的獨(dú)立系統(tǒng)，除了需要提供不間斷的電力能源，并對(duì)發(fā)電容量和自然資源條件進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估外，對(duì)蓄電池依賴性也很強(qiáng)，蓄電池是保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定和持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵部件。采用膠體蓄電池可以明顯延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高蓄電池深度充放電恢復(fù)性和次數(shù)，同時(shí)由于風(fēng)光發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，需要對(duì)電池的充放電進(jìn)行有效的管理，采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制蓄電池充放電對(duì)延長(zhǎng)蓄電池使用壽命不失為一種有效的管理手段。