风光油光油基站一体化独立供电系统研究与运营分析.doc

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：
负载
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

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。
I
13V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
O
U
太阳能电池峰值工作电压17V
MPPT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13V

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。

Ii
I O＞Ii

DC-DC 太阳能功率控制模块
太阳能方阵输出电流

MPPT
+pwm
控制模块输出电流
脉冲变压器

太阳能方阵
输出电压
UI 65-69V
控制模块
输出电压
UO 43-56V
太阳能电池
整流滤波

负载
内阻

68-70VV
蓄电池

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
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。