董佳琦，黃圣恩

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司信息能源所，北京 100080）

0 引 言

目前，世界各國面臨的氣候和能源危機(jī)越來越嚴(yán)重，威脅著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。在此背景下，綠色能源是新一輪技術(shù)革命中的經(jīng)濟(jì)增長點，是對全新發(fā)展模式的嘗試和探索。目前，以硅能源為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電是發(fā)展最為迅速的產(chǎn)業(yè)之一，西部大開發(fā)作為國家重大發(fā)展戰(zhàn)略，為光伏發(fā)電的發(fā)展和普及應(yīng)用創(chuàng)造了條件與機(jī)遇。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本原理

我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展已進(jìn)入高速發(fā)展階段，通信的數(shù)據(jù)量和規(guī)模均呈現(xiàn)不斷增大與上升的趨勢，對通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性要求也逐漸增加。太陽能是一種綠色可再生能源，在減少溫室氣體排放等方面發(fā)揮著重要的作用，被認(rèn)為是當(dāng)前世界上最具有發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。光伏發(fā)電技術(shù)已相對成熟，且運(yùn)行十分安全可靠，具有零環(huán)境污染、低運(yùn)行成本、無長距離傳輸損失、無中間轉(zhuǎn)換和機(jī)械運(yùn)動、建設(shè)周期短、運(yùn)行簡單高效以及兼容性好等優(yōu)點，在5G站點建設(shè)規(guī)劃中，可以將光伏能源與其他能源組成系統(tǒng)共同為基站設(shè)備提供動力保障?；谏鲜鰞?yōu)點，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在一定程度上為偏遠(yuǎn)地區(qū)站點供電困難提供解決方案[1]。

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能電池陣列產(chǎn)生的電能通過控制器對通信負(fù)載進(jìn)行供電或?qū)φ军c開關(guān)電源系統(tǒng)的蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)供電容量不足時，則由控制器控制開關(guān)電源系統(tǒng)對通信負(fù)載進(jìn)行供電。根據(jù)控制機(jī)理和系統(tǒng)組件的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要由光伏組件、控制器、蓄電池組、匯流箱以及其他輔助器件組成，以實現(xiàn)對太陽能的采集，并將其轉(zhuǎn)換為電能。

光伏組件是將多個多晶硅電池進(jìn)行串、并聯(lián)，并經(jīng)過嚴(yán)格組裝和封裝而成。其原理是在半導(dǎo)體中由光的入射引發(fā)光電效應(yīng)，單獨的半導(dǎo)體可以產(chǎn)生0.45 V的電壓，工作狀態(tài)下的電流為20～25 mA/cm2，通過將其進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后作為光伏發(fā)電電源使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器是實現(xiàn)多路光伏陣列對負(fù)載供電和蓄電池充電的控制設(shè)備，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為直流轉(zhuǎn)直流電源（Direct Current/Direct Current，DC/DC）型和直通型兩類，其主要功能是對光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行信息采集并記錄歷史數(shù)據(jù)，同時通過數(shù)據(jù)傳輸功能完成多個子光伏系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離控制和集中管理。蓄電池組主要對光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能進(jìn)行儲備，以便在電力或光照不足時為通信設(shè)備供電。匯流箱主要對系統(tǒng)中光伏電池陣列的電流進(jìn)行匯總，并統(tǒng)一接入到后端的逆變器或DC/DC變換器中，使得光伏電池與后端設(shè)備間的連接線纜大幅減少，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和部署效率。

2 通信基站太陽能疊光方案設(shè)計

通常情況下，通信專業(yè)設(shè)備和相關(guān)配套設(shè)備是基站負(fù)載的主要組成部分，如信號發(fā)射器、信號接收器、機(jī)房冷卻設(shè)備、照明設(shè)備以及備用電源等。因為基站面積有限，所以規(guī)劃設(shè)計基站供電系統(tǒng)時必須先滿足站點供電可靠性，其次考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[2]。根據(jù)通信設(shè)備總?cè)萘靠梢杂嬎愠鏊璧墓夥l(fā)電容量和蓄電池總?cè)萘浚罁?jù)光伏發(fā)電容量可以計算出光伏發(fā)電系統(tǒng)的占地面積和總體成本。

目前，基站電源的供電方式主要包括以下幾種。一是高頻開關(guān)電源供電。此供電方式適用于電力供應(yīng)充足及便于供電的地區(qū)，不間斷電源作為配套設(shè)施以確保站點的全時間段運(yùn)行工作，保障通信網(wǎng)絡(luò)[3]。二是純光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。此供電方式僅采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對負(fù)載進(jìn)行供電，適用于電力供應(yīng)條件非常困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如海島或山區(qū)，此時光伏陣列的輸出功率需足夠大且符合天氣變化要求才能滿足基站負(fù)載的供電要求。三是光伏發(fā)電為主要能源并備用高頻開關(guān)電源。此供電方式安全級別較高，通常使用油機(jī)作為備電電源，主要用于核心機(jī)房或數(shù)據(jù)中心機(jī)房。四是風(fēng)光互補(bǔ)供電。此供電方式主要適用于風(fēng)力和太陽能資源十分充足且電力供應(yīng)條件較差的地區(qū)，實現(xiàn)風(fēng)能和太陽能分時或同時轉(zhuǎn)化為電能供電與基站負(fù)載，一定程度上增強(qiáng)了供電可靠性。

太陽能疊光方案是在基站已有電源的基礎(chǔ)上，通過增加太陽能發(fā)電作為供電輸入單元，并優(yōu)先使用其進(jìn)行供電，實際安裝僅滿足于基站負(fù)載功率的太陽能電池板。此方案中，利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)代替油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)市電發(fā)生故障時，使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)保障基站的正常供電；在無市電或市電供應(yīng)較差的海島和偏遠(yuǎn)地區(qū)，大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)作為第一供電系統(tǒng)保障基站負(fù)載的運(yùn)行工作。

2.1 傳統(tǒng)太陽能疊光方案設(shè)計

目前，絕大多數(shù)正在運(yùn)行的基站都采用蓄電池與油機(jī)組成的應(yīng)急供電方案。傳統(tǒng)的太陽能疊光方案是通過增加一套獨立運(yùn)行的太陽能供電系統(tǒng)，那么太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出的直流電與存量開關(guān)電源直流輸出是并聯(lián)關(guān)系，造成太陽能系統(tǒng)與開關(guān)電源相互獨立。疊光方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。由于要優(yōu)先使用太陽能供電，則太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出開路電壓應(yīng)高于開關(guān)電源，故在此方案中設(shè)置合適的太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓就至關(guān)重要，若設(shè)置的輸出電壓過高或過低則會大大降低太陽能的利用率。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

因開關(guān)電源系統(tǒng)對蓄電池具有一定的管理功能，在充電時能限制最大的充電電流以保護(hù)蓄電池的使用壽命，當(dāng)太陽能系統(tǒng)的輸出電壓超過系統(tǒng)的設(shè)定值時，過高的電壓會對電池造成過度充電。通常情況下，疊加的太陽能發(fā)電功率比負(fù)載功率高且有一定的安全容量，當(dāng)蓄電池需要充電時，多余的太陽能功率可以用于電池的充電，此時電池的充電電流會超過開關(guān)電源設(shè)定的最大充電電流，造成蓄電池的實際充電電流與開關(guān)電源的測量值有偏差，進(jìn)而影響對蓄電池的充電安全管理。開關(guān)電源系統(tǒng)還具備溫度補(bǔ)償功能，但因太陽能發(fā)電系統(tǒng)和開關(guān)電源系統(tǒng)是并聯(lián)且相互獨立的，故當(dāng)溫度下降時，會造成蓄電池的浮充電壓升高，導(dǎo)致太陽能的利用率不高；當(dāng)溫度升高時，太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓不變，造成電池加速充電失水。此時，若提高太陽能資源的利用率，則需要關(guān)閉開關(guān)電源系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償功能，但會造成蓄電池使用壽命的大幅降低。綜上所述，傳統(tǒng)的疊光方案雖然能夠增加太陽能資源的利用，但因系統(tǒng)的相互獨立，增加了運(yùn)維成本，整體運(yùn)行效率不高，未能真正做到高效綠色低碳運(yùn)行。

2.2 模塊化太陽能疊光方案設(shè)計

基于傳統(tǒng)疊光方案的設(shè)計思路，利用電力電子技術(shù)與數(shù)字信息技術(shù)相融合，將軟件和算法內(nèi)置于電源模塊的控制芯片中，實現(xiàn)了軟件可以定義硬件的相關(guān)功能，同時具備不同功能模塊間的高兼容性[4]。由于太陽能模塊和整流模塊的兼容性，通過同一個監(jiān)控模塊的控制，當(dāng)考慮太陽能功率大小、蓄電池需求電壓大小等因素時，均能優(yōu)先調(diào)度使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)，充分提高太陽能資源的利用率。同時對太陽能模塊和整流模塊的輸出電壓統(tǒng)一調(diào)整控制，并保持電池溫度補(bǔ)償?shù)耐叫裕_保蓄電池充放電管理功能發(fā)揮作用。

針對模塊化太陽能疊光方案，光能利用率直接關(guān)系到節(jié)能效果和初始投資的大小，是疊光方案的關(guān)鍵技術(shù)。利用追蹤精度較高的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)，可以確保其始終工作在最佳功率點，轉(zhuǎn)換能量也比傳統(tǒng)技術(shù)多20%左右，故在同等光照條件下可以大幅度節(jié)約太陽能板的配置[5]。根據(jù)不同應(yīng)用場景可實現(xiàn)分階段部署，達(dá)到平滑疊光演進(jìn)的效果，同時太陽能疊光需合理的調(diào)度邏輯。在市電穩(wěn)定地區(qū)，太陽能不是充當(dāng)唯一的能量輸入角色，而是作為節(jié)能手段，實現(xiàn)市電與太陽能結(jié)合供電的效果，通過監(jiān)控模塊實現(xiàn)不同情況下太陽能模塊、整流模塊以及備用電池的綜合可靠調(diào)度，更好地調(diào)整節(jié)能效益和供電可靠性之間的平衡。

3 創(chuàng)新應(yīng)用實例

5G時代的通信網(wǎng)絡(luò)具有帶寬高、延時低、連接大等特點，其正在不斷賦能，推動社會發(fā)展變革。在部署與建設(shè)5G基站的過程中，面臨著站點數(shù)量激增、基站功耗劇增（約為4G基站的2～3倍）、機(jī)房空間不足、運(yùn)維能力不足等情況，造成5G基站存在建設(shè)成本高、周期長及運(yùn)維成本高等問題。基站空間不足和供電容量不足嚴(yán)重影響著5G建設(shè)速度，若在傳統(tǒng)供電系統(tǒng)方案中外加光伏發(fā)電系統(tǒng)后仍存在基站供電效率不高、智能化水平低、維護(hù)成本高等問題?；诃h(huán)境保護(hù)需求、行業(yè)政策引導(dǎo)和國家“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展戰(zhàn)略下，利用電力電子技術(shù)與信息處理技術(shù)的深度融合，引入數(shù)字供電技術(shù)和站點智慧運(yùn)維模式，提出了以多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）電源為核心，外加疊光技術(shù)的整套站點能源供電解決方案，具有多種能源輸入復(fù)用、多電壓輸出自適應(yīng)等功能，通過完成同類器件整合共享和定義軟件按需調(diào)度，實現(xiàn)太陽能清潔能源的即發(fā)即用。該方法相比傳統(tǒng)建站與運(yùn)行方式，建造成本及時間降低20%，單站能耗降低24%，助力通信網(wǎng)絡(luò)高效、便捷、低成本地快速部署。

該解決方案是基于5G一體化能源柜，外接輸入太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并搭配智能鋰電池，利用疊光模塊與其他模塊的兼容性，實現(xiàn)太陽能清潔能源作為基站供電系統(tǒng)的能源補(bǔ)充，通過智慧能源網(wǎng)管平臺的“錯峰用電”功能實現(xiàn)站點及節(jié)能降碳。對于不同應(yīng)用場景，均配置出不同設(shè)備連接方式的組網(wǎng)方案，如圖2所示。智能太陽能組件、疊光模塊、MIMO電源等部件均采用碳化硅的小體積器件制造。智能光伏板是一種高效單晶硅太陽能光伏組件，光學(xué)性能良好，能夠發(fā)揮出硅材料的優(yōu)良特性，同時支持遠(yuǎn)程故障定位的功能，實現(xiàn)硅資源“生產(chǎn)、傳輸、利用”的循環(huán)體系，打破原有化石能源制造原材料的生產(chǎn)使用體系，成為建設(shè)高效綠色能源系統(tǒng)的重要組成部分，促進(jìn)社會綠色發(fā)展。

圖2 不同解決方案示意圖

4 結(jié) 語

太陽能作為可再生資源，生產(chǎn)使用中不會造成任何污染，符合國家“碳達(dá)峰”“碳中和”的發(fā)展戰(zhàn)略。智能疊光方案可以解決綠色低碳建站需求，大大提高了通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，同時為基站的節(jié)能開源提供全新的思路，對落實基站綠色能源的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)有著積極且重要的意義，為推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)提供了有力的技術(shù)支撐。