風光互補獨立供電系統(tǒng)在通信基站中的應(yīng)用

摘 要： 通過風光互補獨立供電系統(tǒng)在通信基站上的應(yīng)用，可以有效解決市電引入非常困難的問題，同時可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標，為建設(shè)低碳社會做出應(yīng)有的貢獻。通過對太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風能發(fā)電系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)的分析，詳細介紹了風光互補獨立供電系統(tǒng)在通信基站上的實際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 風光互補獨立供電系統(tǒng)；通信基站；最大功率點追蹤；微觀選址；遠程監(jiān)控

　隨著手機的普及，對手機信號的覆蓋率也提出了很高的要求，對于幅員遼闊的草原和山區(qū)要想做到信號全面覆蓋就要建立大量的基站，這些基站大都處于國家電網(wǎng)沒有覆蓋的地區(qū)。如果通過引入市電來開通基站實現(xiàn)無線信號的覆蓋，需要花費大量投資，平均每公里需要5~15萬元，而且每年運營還要花費大量的電費。因此風光互補供電系統(tǒng)是解決邊遠地區(qū)通信基站供電的最好方案之一，不僅在投資方面可以與引入市電相當或者略低，而且每年可以節(jié)省大量電費開支，并減少二氧化碳的排放，為節(jié)能和環(huán)保做出貢獻。
1 風能與太陽能的配比
　風力發(fā)電的特點是功率密度大，獲取容易，成本較低。其缺點主要是供電穩(wěn)定性極差。太陽能供電的特點是比較穩(wěn)定，但是供電系統(tǒng)的成本非常高，占地面積比較大，系統(tǒng)功率密度和轉(zhuǎn)換效率均較低。
目前常用的太陽能電池的生產(chǎn)工藝是改進的西門子法，西門子工藝包括電爐熔煉生產(chǎn)冶金級硅（MG-Si）、氯氫化硅（硅烷）直驅(qū)與分餾提純及純硅烷氫還原等過程。存在諸多缺點和問題：
　（1）耗能大，如冶金級硅生產(chǎn)的耗電為1.2萬kWh/t左右；
?。?）成品率低，產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物及三廢，環(huán)境污染嚴重；
?。?）對原料的要求較嚴格，有粒度和品位的要求；
?。?）生產(chǎn)成本和價格偏高。
　為了降低污染和能耗，人們開發(fā)出了冶金法生產(chǎn)工藝。首先將金屬硅在真空環(huán)境下加熱熔化，利用電子束去除掉P（磷）。然后在Ar（氬）氣體中熔化，用等離子焊槍（Plasma Torch）去除B（硼），凝固后提煉。應(yīng)用普通金屬提煉工序可將金屬雜質(zhì)的濃度降至0.1 ppmw以下。冶金法的整個生產(chǎn)過程無污染排放，而且耗能低。生產(chǎn)每單位重量的多晶硅所耗的能源僅相當于西門子法的1/5。通過鑄造法生產(chǎn)多晶硅可以有效提高太陽能電池的生產(chǎn)規(guī)模并降低成本，因此太陽能電池是非常有競爭潛力的新能源之一。
　風能與太陽能功率在供電系統(tǒng)中的配比選定是一個非常復(fù)雜的過程，首先要對通信基站當?shù)氐娘L能資源和太陽能資源進行長期考察，根據(jù)風能、太陽能資源狀況、系統(tǒng)可靠性要求以及投資的限額，確定風電和太陽能的比例關(guān)系。風力和太陽能配置容量比例一般為2：8～4：6，但是在特殊情況下可以不受這個比例的限制。
　圖1為某風光互補獨立供電系統(tǒng)的運行特性曲線。從圖中可以看出，當?shù)孛刻焯柲艿陌l(fā)電量基本穩(wěn)定，而且不會有較長時間的陰雨時間；而風力發(fā)電的發(fā)電量較大，但是波動性也很大，例如在2010年6月5日左右，當時蓄電池電壓處于較低水平，蓄電池處于沒有充滿的狀態(tài)，但是較短的時間內(nèi)通過風力發(fā)電就可以將蓄電池充滿，日發(fā)電量遠遠高于太陽能提高的電量。但是到了9月份進入枯風期，風力發(fā)電量非常小，甚至為零。主要供電由太陽能承擔，因此太陽能供電容量的選配必須能滿足系統(tǒng)的最低要求，而風力發(fā)電成本較低，因此可以選配大一點滿足快速充電的特點。

2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的特點
　太陽能電池發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。硅原子有4個電子，如果在純硅中摻入5個電子的原子如磷原子，就成為帶負電的N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導(dǎo)體。當P型和N型結(jié)合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P-N結(jié)后，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動，形成電流。
　太陽能光伏電池陣列具有典型的非線性特性。太陽能電池板的輸出不僅與太陽能輻射強度有關(guān)，還與溫度有關(guān)。
　（1）太陽能電池的短路電流隨太陽輻射強度增強而變大，兩者近似為正比關(guān)系。在最大功率點之前，隨著太陽能電池板輸出電壓的增大，輸出電流減小緩慢。但是，最大功率點是個轉(zhuǎn)折點，該點后，隨著輸出電壓的增大，輸出電流急劇減小，導(dǎo)致輸出功率亦急劇減小。太陽能電池的開路電壓在各種光照條件下變化不大。
?。?）太陽能電池的最大輸出功率隨光照強度增強而變大，且在同一光照環(huán)境下僅有唯一的最大輸出功率。在最大功率點左側(cè)，輸出功率隨電池端電壓上升而增大，近似線性增大。最大功率點右側(cè)，輸出功率隨輸出電壓的增大而急劇下降。
　最大功率跟蹤（MPPT）的方法有很多，如開路電壓控制法OV（Open Voltage），恒定電壓控制法CV（ConstantVoltage），擾動觀測法P&O（Perturb and Observe），增量電導(dǎo)法IC（Incremental Conductance），模糊邏輯控制法FL（Fuzzy Logic），人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法ANN（Artificial Neutral Network）以及這些方法的改進方法等[1]。在這些方法中，目前最常見的是P&O和IC，而P&O以其控制精度高、實現(xiàn)成本低，優(yōu)勢更強。
　擾動觀察法[2-3]，是一種基于實時控制的MPPT控制算法，它通過對電路施加某一幅度的擾動，改變太陽能光伏電池的工作狀態(tài)，同時觀察并計算太陽能電池板實際輸出功率大小。得到當前時刻值后，將其與前一時間值進行比較，通過對比結(jié)果確定下次擾動方向，最終得出目標值，從而使得太陽能電池板的工作輸出最終穩(wěn)定在最大功率點附近。
　但是在通信基站應(yīng)用當中，太陽能電池的容量一般在1 000 W～10 000 W甚至更大。因此需要多個太陽能電池板串并聯(lián)組成太陽能電池陣列向蓄電池和負載供電。而不同的太陽能電池板的輸出特性并不一致，并且受到云層遮蔽、沙塵影響等會加劇不同太陽能電池板輸出的不平衡。如圖2所示4塊太陽能電池板所組成的陣列，由于每塊電池板的輸出特性不同使得總輸出特性曲線會出現(xiàn)多個極值點。因此擾動觀察法在實際應(yīng)用當中，會陷入局部極值點。所以必須要有全局最優(yōu)搜索算法來實現(xiàn)最大功率點追蹤功能。

3 風力發(fā)系統(tǒng)的特點
　風力發(fā)電系統(tǒng)具有成本低、容量大等特點。但與太陽能電池相比，風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性和安全性需要重點考慮。特別是在風能資源比較好的地區(qū)和海島地區(qū)，陣風和極端天氣的影響不容忽視。針對通信基站的應(yīng)用，還要考慮運輸和安裝等方面的問題。
　由于很多通信基站安裝在比較高的山頂或者交通非常不便的地方，很多大型的運輸和安裝工具無法到達施工現(xiàn)場，因此風力發(fā)電機的安裝主要通過人工來完成，所以風力發(fā)電機的單臺功率應(yīng)該選用1 kW~5 kW之間。利用先進的塔架結(jié)構(gòu)可以通過有限的手工工具就可以實現(xiàn)風機的安裝，因此比較適合于邊遠地區(qū)、山頂、海島等通信基站應(yīng)用場合。
　在通信基站的應(yīng)用中，風機的選址一般都要安裝在基站的附近，因此風機的微觀選址可以對風機的發(fā)電效率和安全性帶來至關(guān)重要的影響[4]。這是因為氣流通過障礙物，在下游會形成擾動區(qū)，在擾動區(qū)風速可能會降低，也可能有強的湍流對風力發(fā)電機組運行十分不利，甚至短時因湍流引起的陣風會造成風機機械損害。
要做好風機的微觀選址，就要盡量得到風電機組輪轂高度處代表年平均風速、平均風功率密度、風機位置全年風向、風能玫瑰圖，各月風向、風切變系數(shù)、湍流強度及粗糙度等[5-6]。還要考慮地形因素對風機的影響，山地對風速影響的水平距離，一般在向風面為山高的5～10倍，背風面為15倍。且山脊越高，坡度越緩，在背風面影響的距離越遠。
　為了提高風機發(fā)電效率，在風機選址時，首先要了解當?shù)仫L速和風向資源狀況，圖3為某通信基站的風向玫瑰圖，可以看出在基站的270°～300°方向的風頻較高。因此沒有特殊狀況的條件下，需要將風機的選址定于圖中280°方向的位置。