張商州，陳垚

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

隨著移動(dòng)終端用戶的不斷發(fā)展，基站的覆蓋范圍也在不斷擴(kuò)大，基站數(shù)量更是高速增加。但在建設(shè)過(guò)程中，由于某些地區(qū)特殊的自然地理?xiàng)l件，經(jīng)常會(huì)遇到部分基站市電引入非常困難或者根本無(wú)法引入的情況，進(jìn)而造成無(wú)法在選定地點(diǎn)施工或者是以很高的代價(jià)來(lái)完成基站供電工作[1]。對(duì)于這類地方若接入市電供電，則要花費(fèi)大量資金進(jìn)行架桿鋪線，若采用單獨(dú)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，也需要較高的柴油儲(chǔ)運(yùn)成本。鑒于此，可以利用廣泛的自然能源，采用風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)可以很好的解決這類問(wèn)題，它不僅成本遠(yuǎn)低于長(zhǎng)距離小負(fù)荷供電電網(wǎng)，而且節(jié)約能源，減少了污染[2]。本文以鄭州地區(qū)風(fēng)力資源和光照資源為依照，針對(duì)通信基站的負(fù)荷運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)HOMER軟件仿真驗(yàn)證不同風(fēng)光配比情況下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)以及蓄電池的運(yùn)行狀況，為不同地區(qū)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)選擇合適的風(fēng)光配比提供借鑒。

1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)是利用風(fēng)能和太陽(yáng)能資源進(jìn)行發(fā)電，配備蓄電池作為輔助電源，主要組成有光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池組、逆變器、控制器等，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。在白天光照充足的情況下，系統(tǒng)主要利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電，電能一部分供負(fù)載使用，另一部分為蓄電池充電；在夜晚由于無(wú)光照，主要由風(fēng)力發(fā)電和蓄電池進(jìn)行供電，如果風(fēng)能充足，則可全部由風(fēng)能供電，也可為蓄電池進(jìn)行充電；蓄電池主要進(jìn)行儲(chǔ)能，進(jìn)行電能的調(diào)節(jié)和負(fù)載平衡；控制器主要進(jìn)行風(fēng)電、光電、蓄電池工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)，在新能源發(fā)電富裕時(shí)為蓄電池充電，在新能源發(fā)電不足時(shí)由蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充供電[3-4]。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 通信基站供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 通信基站供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以鄭州市某通信基站為例，假設(shè)基本用電功耗在1 000 W，附加10%的波動(dòng)情況，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度在HOMER軟件中可得出該地全年日照情況，另外根據(jù)中國(guó)氣象局統(tǒng)計(jì)資料，查得鄭州市地區(qū)各月平均風(fēng)速及平均氣溫，見(jiàn)表1所示。

將風(fēng)速、氣溫?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)入到HOMER軟件中，考慮到通信基站中設(shè)備基本都采用直流供電，供電系統(tǒng)采用直流供電方式，見(jiàn)圖2所示。由于HOMER軟件具有自尋優(yōu)功能，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不用給出光伏和風(fēng)力發(fā)電的具體裝機(jī)容量，可給出光伏和風(fēng)力發(fā)電容量范圍以及組件、風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)、設(shè)備價(jià)格等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇通用型直流發(fā)電機(jī)；蓄電池選擇2 V，1 000 AH的蓄電池串并聯(lián)形成48 V的蓄電池組，可在蓄電池設(shè)計(jì)界面看出不同蓄電池容量的情況下蓄電池的最佳放電電流，以及不同放電深度情況下蓄電池的使用壽命。

表1 基站氣象資料

圖2 通信基站供電系統(tǒng)

2.2 供電系統(tǒng)仿真驗(yàn)證分析

在完成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)、風(fēng)力資源數(shù)據(jù)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及蓄電池組設(shè)計(jì)之后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，得到在滿足系統(tǒng)負(fù)載需求的條件下，針對(duì)不同太陽(yáng)能資源以及風(fēng)力資源的環(huán)境情況下最小投資的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電配置清單，如表2所示。

對(duì)表2中的配置1運(yùn)行情況進(jìn)行分析，進(jìn)入Homer軟件仿真結(jié)果分析界面，選擇Electrical（電氣參數(shù)）對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。Electrical界面如圖3所示。

圖3中可以看出太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量為12 544 kWh·a-1，占系統(tǒng)總發(fā)電量的91%。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量為1 236 kWh·a-1，占系統(tǒng)總發(fā)電量的9%。系統(tǒng)總發(fā)電量超出負(fù)載消耗電量為4 466 kWh·a-1，超出比例為32.4%，系統(tǒng)發(fā)電量是系統(tǒng)用電量的1.32倍，系統(tǒng)安全。

表2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配置情況

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)仿真電氣參數(shù)

Homer軟件針對(duì)一天當(dāng)中不同時(shí)間以及一年當(dāng)中不同月份的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真分析。圖4和圖5分別是光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行情況，從圖4中得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的平均功率為1.43 kW，系統(tǒng)平均每天的發(fā)電量為34.4 kWh，從圖5中可以得到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的平均功率為0.14 kW，年發(fā)電量為1 236 kWh。由于風(fēng)力資源的分布特性，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在春冬季發(fā)電量較大，與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)不同之處是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全天都可能發(fā)電，能夠很好的彌補(bǔ)太陽(yáng)能發(fā)電集中在白天發(fā)電的不足，能夠很好的減少蓄電池的充放電次數(shù)以及減少蓄電池的放電深度，增加蓄電池的使用壽命。

進(jìn)入Homer軟件的Battery（蓄電池）參數(shù)界面，如圖6所示。Homer軟件根據(jù)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以及負(fù)載的運(yùn)行情況，對(duì)蓄電池組進(jìn)行了仿真分析。從圖Monthly Statistics中可以看出一年當(dāng)中不同月份蓄電池組的SOC狀態(tài)，分析了不同月份蓄電池組的運(yùn)行情況。Battery Bank State of Charge中可以看出不同月份中一天當(dāng)中蓄電池組的運(yùn)行情況，24：00到6：00之間蓄電池的SOC狀態(tài)一般比較低，負(fù)載主要依靠蓄電池組供電，6：00 到 18：00，負(fù)載主要依靠太陽(yáng)能發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電來(lái)運(yùn)行，同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)蓄電池組充電，蓄電池組SOC狀態(tài)不斷提高。縱觀一年的蓄電池SOC狀態(tài)，在1月、2月、11月、12月等月份蓄電池組充放電比較頻繁，由于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量有限，蓄電池經(jīng)常處于較低的SOC狀態(tài)。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況

圖5 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況

圖6 蓄電池運(yùn)行情況

在負(fù)載用電一定的情況下，同一地區(qū)不同的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配比決定了蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于配比合理的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，蓄電池的容量、放電深度以及充放電次數(shù)能夠大大減小，從而增加蓄電池的使用壽命，減小系統(tǒng)的運(yùn)行成本。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本一般占據(jù)著整個(gè)系統(tǒng)成本的主要部分，因此對(duì)于一個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，在滿足負(fù)載運(yùn)行條件的前提下，蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)是評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)好壞的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 仿真分析

以上只是針對(duì)配置一的情況下對(duì)系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，在此對(duì)不同風(fēng)光資源條件下的系統(tǒng)配置以及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。仿真結(jié)果如表3所示。

表3 光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電供能仿真結(jié)果

對(duì)表3中光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電供能比例進(jìn)行分析，可以看出在太陽(yáng)能一定的情況下，隨著風(fēng)力資源的增加系統(tǒng)配置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)功率減小，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量比例不斷增加。因此可以看出當(dāng)風(fēng)力資源或者太陽(yáng)能資源較豐富時(shí)可以適當(dāng)增大所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率或者太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)功率，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量呈現(xiàn)一個(gè)合適的比例。

3 結(jié)語(yǔ)

在風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如何配置光伏發(fā)電機(jī)的功率、風(fēng)力發(fā)電的功率以及蓄電池組的容量，在滿足負(fù)荷需求的前提下，使風(fēng)能和太陽(yáng)能資源得到充分的利用，負(fù)荷的供電可靠性較高，而系統(tǒng)成本最小，在設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。

本文以鄭州市地區(qū)太陽(yáng)能資源和風(fēng)力資源情況為依據(jù)，針對(duì)通信基站負(fù)載的運(yùn)行情況，利用HOMER仿真軟件對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。在不同太陽(yáng)能資源和風(fēng)力資源的情況下，HOMER仿真系統(tǒng)給出了不同的系統(tǒng)容量配置，本文對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)不同的自然資源情況，系統(tǒng)容量配置規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，對(duì)以后設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的容量配置具有一定的借鑒意義。