小议风光互补通信基站电源技术方案
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通信基站情况通信基站位于上海长江口外某海岛，北纬31.05°~31.29°N，东经121.77°~122.25°，东西长46.3km，南北宽25.9km。根据参考资料，该地区的风力和光伏资源情况如表1所示。由表1可知，该基站风力的年可利用能量和可利用小时数远大于光伏，因此，该基站重点以风力发电为主。风力发电可运行时间长，配合移动通信基站应用，可以做到即发即用，无需蓄电池存储，发电系统利用率高。光伏系统发电时间短，但比较稳定，配合蓄电池组应用充放电模式为通信设备供电。另外，蓄电池放电后的补充电容量也采用光伏发电。该移动通信基站包括一层机房和室外铁塔，太阳能电池板安装于机房屋顶平台，风机安装于铁塔上。光伏发电系统的占地面积约为300m2。
基站负荷情况因基站设备实际运行负荷值与设计负荷值可能存在差异，建议新能源系统配置设计时，应对同类型场景在用基站负荷进行实测，以基站典型负荷作为设计基础。智能通风设备共配置2台，考虑到其间歇工作状态，因此暂按1台设备估算。传输设备和监控设备均为基站正常配置。新增风光互补系统监测设备，参考基站监控设备进行估算。根据前述分析，本方案基站设备以其典型负荷值为基础依据，其他设备以参考负荷为依据，综合考虑后，基站设计负荷为1635W。另外，风光互补系统的运行周期较长，通信设备可能调换或者扩容，风光互补系统可根据实际情况进行扩容。
蓄电池容量计算根据基站业务需求、地理条件，结合风光互补发电系统造价以及维护等方面的情况，确定基站设备的后备蓄电池组保障时间为48h。由于目前磷酸铁锂电池存在技术和价格问题而尚未普及，成熟的光伏控制器和风机控制器都是基于铅酸电池充放电模式开发，专门用于磷酸铁锂电池的控制器比较少，也不够成熟。因此本方案选用胶体类型铅酸电池，该电池具有充放电次数多、使用寿命长、高温适应能力好等特点。风力发电机、光伏电池板容量配置本方案风光互补系统设计容量分两部分，一部分为基站设备用电，按风光系统日平均发电水平分比例配置，风力供电60％，光伏供电40％；另一部分为蓄电池补充电部分，全部由光伏发电系统提供，补充电容量按光伏发电系统从电池容量20％充至80％核算，为避免光伏充电容量配置过大，本方案中补充电容量按6天充满核算。根据当地气象部门提供的月平均风速、月平均日照小时数以及平均风速修正系数等，经计算分析，若要维持基站24h全天候运行，风力发电机和光伏电池板容量配置应如表3所示。
风光互补系统控制策略风光互补发电系统控制策略主要基于蓄电池管理，以蓄电池电压为控制核心，根据蓄电池的状态电压对各个控制器输出功率进行调节，详细如图2所示。通信设备需要连续稳定的电源供应，而风光互补系统具有不稳定性，因此需要依赖电池才能提供系统的稳定输出，所以电池状态是系统控制的核心。电池容量的估算有多种方法，与电压及电流都相关，控制系统中通过算法推算出电池的容量及状态。系统运行过程中，除蓄电池放电过低，发电系统的供电对于通信设备的用电均优于蓄电池的充电。系统控制器通过监测电池容量控制风光互补控制器的电力输出，如果蓄电池处于满容量状态，除设备用电外，需将多余的风力和光伏发电量卸除；如电池容量不足，除设备用电外，其余的风力和光伏发电量进入充电模式；如连续数日风力和阳光资源不佳，在蓄电池放电至容量过低时，为保护电池系统将发出停机告警信号，并切断用电设备。当资源恢复，系统监测到风光系统有发电量输出时，即为电池充电，当充电至电池容量可用时，开始启动通信设备供电。
基站监控系统
一般基站均配置动力环境集中监控系统以方便维护人员进行远程监控维护。海岛基站由于新增风光互补系统及人员现场维护难度大的特点，监控系统需根据基站特点补充对风光互补发电系统各控制器的监控，包括风力、光伏、气候监测设备，用于记录相关信息等。此外，由于图像监控的优势，机房内、外安装视频监控设备分别对通信设备和风光互补系统设备进行图像监控。所有机房环境监控和风光互补系统运行实时信息经基站集中监控系统传送至监控中心，供监控中心远程查看及控制。机房环境监控和风光互补系统运行及监测信息由于信息量大，监控中心存储不方便，所有原始历史数据均在现场存储，然后通过无线方式进行远程查询、下载。（1）机房环境监控机房环境监控包括对机房内部及外部环境状况的监控，机房内部环境状况包括机房门禁、门磁、机房温度/湿度、烟雾、水浸等；另外，还包括机房智能通风系统运行状态。机房外部环境状况主要包括室外温度、湿度等。通信设备安装在室内，风力发电机组和光伏电池板均安装在室外，室内、外设备的现场情况可以通过实时图像进行远程监控。（2）风光互补系统监控风光互补系统监控主要对发电运行情况进行监控，主要内容包括风光互补发电系统状态信息和现场可利用新能源信息等。蓄电池组方面主要包括蓄电池组工作状态、电压、剩余容量、温度等，风力方面主要包括风力发电机组运行状态，风机控制器输出电压、输出电流、发电功率、发电量等信息。光伏方面主要包括光伏发电模块运行状态，光伏控制器输出电压、输出电流、发电功率、发电量等信息。现场可利用新能源监测信息包括现场光辐射量传感器、塔上风速仪的现场实时数据信息。本方案利用集中控制器的无线通信模块实现电源系统和监控中心之间的无线通信和远程监控。远程监控中心能获得电源系统的工作情况和历史数据，如风力发电量、太阳能发电量、蓄电池充放电历史、系统故障历史等。积累的历史数据同时存储于本地并上传于监控中心，便于数据分析，为以后其他站点应用做基础。（3）其他基站配置小型逆变器，用于通信系统调试、抢修等临时用电。
技术应用特点
风光互补发电技术应用特点如下。•风光互补发电技术充分利用海岛地区丰富的自然资源以满足通信基站的电力需求，相比单独风力发电或光伏发电能获得更稳定的输出，可配备更少的储能蓄电池。如需达到更高的供电可靠性，可配置柴油发电机，在风光互补系统无发电量时对基站供电。但柴油发电机组运行后需要维护和补充柴油，而该海岛属于无人岛，维护困难。•通信基站负荷连续平稳，风光互补发电技术应用在各级控制器调节下保证风能和太阳能优先满足负荷需求，若电能有富余则为蓄电池充电，电能不足则由蓄电池补充。•风光互补发电系统控制器采用专业工业控制器进行深度开发，能保证电源系统稳定、可靠运行。整个系统的软件控制充分考虑多种工作情况，采用闭环控制方式，故障情况下可以自动停止运行。控制器已经通过了实用化验证，能保证系统正常运行。•风光互补发电技术充分利用可再生能源，该基站日耗电量为40kWh，年节约市电量14600kWh，在节能的同时也实现零排放。同时，该电源系统也为运营商节约了引入市电的投资和系统维护成本，运营商可以很快收回初期投资。
结束语
在电网无法到达的海岛或山区等边远地区，风光互补发电技术是一种理想的通信基站电源解决方案。合理的容量配置和系统控制就可满足基站负荷的需求，并大大减少投资成本和维护成本。风光互补电源系统在海岛通信基站具有广泛的应用前景，也符合国家实施节能减排、低碳经济的发展战略需求。
作者：胡燕张子浩马丹单位：中国电信股份有限公司上海分公司中国科学院上海高等研究院
