陸運(yùn)章,馬一山,郭 進(jìn),周 蒙,劉 松
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所,長(zhǎng)沙 410111)
隨著國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展,要求各電信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面越來(lái)越廣。但在電力資源短缺的地區(qū)和國(guó)家,比如中國(guó)西北地區(qū)的偏遠(yuǎn)山區(qū),或東南亞地區(qū)、非洲等,很多通信基站站點(diǎn)存在市電供電不穩(wěn)定,或與市電接入點(diǎn)距離較遠(yuǎn)、供電電纜架設(shè)成本昂貴等問(wèn)題,因此,如何保證這些通信基站在穩(wěn)定供電的同時(shí)降低費(fèi)用開(kāi)支是一個(gè)難題?;诔杀究紤],目前中國(guó)的電信運(yùn)營(yíng)商在西藏自治區(qū)、青海省等西北偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)的通信基站,以及緬甸、柬埔寨、尼泊爾等東南亞國(guó)家的電信運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的大部分通信基站,均采用離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)[1],其配備的儲(chǔ)能電池為鉛酸蓄電池[2]。
離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)是指由于當(dāng)?shù)貨](méi)有市電,將光伏發(fā)電作為主供電電源,柴油發(fā)電機(jī)或風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充供電電源的一種供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)主要由光伏組件、光伏控制器、儲(chǔ)能電池、中央控制器、通信模塊、直流負(fù)載、下電控制模塊,以及柴油發(fā)電機(jī)和整流器,或風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)能控制器等組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。該供電系統(tǒng)通過(guò)光伏控制器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,為直流負(fù)載供電或存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電池中,特別適合在太陽(yáng)能資源充足且電網(wǎng)無(wú)法覆蓋的地區(qū)應(yīng)用。
圖1 離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of power supply system of off-grid PV for communication base station
近年來(lái),以鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能電池的離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)在東南亞國(guó)家開(kāi)始大幅應(yīng)用。以緬甸為例,當(dāng)?shù)豑elenor公司、MPT公司、Ooredoo公司等電信運(yùn)營(yíng)商截至2019年底完成建設(shè)的離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)達(dá)到2000套以上。但在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)鉛酸蓄電池的使用壽命短、容量衰減快的問(wèn)題尤為突出。而磷酸鐵鋰電池具有高溫特性好、使用壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),基于此,本文通過(guò)對(duì)鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池這2種不同類(lèi)型的儲(chǔ)能電池在離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)中的使用情況進(jìn)行對(duì)比分析,探索了磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的特性及應(yīng)用差別,為采用磷酸鐵鋰電池的離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)提供系統(tǒng)控制策略的優(yōu)化依據(jù)。
鋰電池具有能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、自放電率小、無(wú)記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在電力儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。按照正極材料分類(lèi),鋰電池包括鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池等類(lèi)型。從市場(chǎng)應(yīng)用前景及技術(shù)成熟度來(lái)看,磷酸鐵鋰電池以成熟的技術(shù)成為當(dāng)前電力儲(chǔ)能領(lǐng)域的首選儲(chǔ)能電池類(lèi)型。
相對(duì)于鋰電池而言,鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)前價(jià)格較低;缺點(diǎn)是能量密度低、使用壽命短,再加上鉛酸蓄電池中的鉛會(huì)污染環(huán)境,清潔成本高,因此其將逐漸被市場(chǎng)淘汰。
對(duì)磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的特性進(jìn)行對(duì)比分析。選擇單體3.2 V的磷酸鐵鋰電池和單體2.0 V的鉛酸蓄電池,在不同充、放電倍率下,二者的理論放電時(shí)的工作電壓-時(shí)間曲線和充電時(shí)的工作電壓-時(shí)間曲線如圖2、圖3所示。
圖2 理論的磷酸鐵鋰電池放電時(shí)和充電時(shí)的特性曲線Fig. 2 Theoretical characteristic curves of lithium iron phosphate battery during discharging and charging
圖3 理論的鉛酸蓄電池放電時(shí)和充電時(shí)的特性曲線Fig. 3 Theoretical characteristic curves of lead acid battery during discharging and charging
為對(duì)比磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的應(yīng)用情況,制作了一套演示應(yīng)用系統(tǒng),其接線示意圖如圖4所示。本演示應(yīng)用系統(tǒng)由光伏陣列、控制一體柜(包括MPPT光伏模塊、中控模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、下電控制開(kāi)關(guān))、儲(chǔ)能電池(磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池可以切換使用)和負(fù)載等部件組成。
圖4 演示應(yīng)用系統(tǒng)的接線示意圖Fig. 4 Schematic diagram of wiring of demonstration application system
本演示應(yīng)用系統(tǒng)的儲(chǔ)能電池采用2種電池,其中,磷酸鐵鋰電池的型號(hào)為SDA10-4820,額定電壓為48 V,容量為20 Ah;鉛酸蓄電池的型號(hào)為6-GFM-20,額定電壓為12 V,容量為20 Ah,4塊鉛酸蓄電池串聯(lián)組成額定電壓為48 V的儲(chǔ)能電池;2種儲(chǔ)能電池的理論存儲(chǔ)電量均為0.96 kWh。在演示應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,采用的負(fù)載為15 Ω的陶瓷繞線電阻。本演示應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)置了44 V的下電控制開(kāi)關(guān)值,當(dāng)系統(tǒng)被外接負(fù)載耗電到44 V以下時(shí),將自動(dòng)切斷外接負(fù)載,僅保留系統(tǒng)自身運(yùn)行必要部件(包括中控模塊、柜內(nèi)散熱風(fēng)扇、遠(yuǎn)程通信模塊,以及配套的電源轉(zhuǎn)換模塊)的運(yùn)行。此外,當(dāng)中控模塊檢測(cè)到環(huán)境溫度低于20 ℃時(shí),中控模塊會(huì)下發(fā)控制信號(hào)關(guān)閉系統(tǒng)的柜內(nèi)散熱風(fēng)扇,此時(shí)系統(tǒng)自身功耗約為20 W。
在演示應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,儲(chǔ)能電池采用鉛酸蓄電池時(shí),實(shí)測(cè)的鉛酸蓄電池充、放電時(shí)的工作電壓曲線與工作電流曲線如圖5所示。圖中:工作電流的正值表示充電,負(fù)值表示放電。
圖5 實(shí)測(cè)的鉛酸蓄電池充、放電時(shí)的工作電壓和 工作電流曲線 Fig. 5 Curves of measured working voltage and working current of lead acid battery during discharging and charging
根據(jù)圖5,對(duì)鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作電壓與工作電流曲線進(jìn)行分析:
1)鉛酸蓄電池浮充階段。隨著時(shí)間的推移,由于太陽(yáng)輻照量減小,鉛酸蓄電池的工作電壓逐漸降低,實(shí)測(cè)當(dāng)天17:25時(shí),鉛酸蓄電池的工作電壓達(dá)到53.26 V,一直處于浮充的狀態(tài),充電電流大于0 A。此時(shí)光伏發(fā)電一方面為鉛酸蓄電池維持浮充,另一方面為負(fù)載供電。
2)光伏發(fā)電與鉛酸蓄電池聯(lián)合供電階段。在17:25時(shí),鉛酸蓄電池的工作電壓為53.26 V、工作電流為0.18 A。在17:25~18:25這段時(shí)間內(nèi),太陽(yáng)輻照量持續(xù)減小,光伏發(fā)電功率低于負(fù)載需求功率,鉛酸蓄電池由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài),由光伏發(fā)電與鉛酸蓄電池聯(lián)合為負(fù)載供電,此階段時(shí)長(zhǎng)為1 h。
3)鉛酸蓄電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間)。到18:25時(shí),太陽(yáng)輻照量持續(xù)減小,光伏發(fā)電功率為零,鉛酸蓄電池開(kāi)始獨(dú)立為負(fù)載供電,此時(shí)放電時(shí)的工作電壓為49.38 V、工作電流為-3.4 A;在22:25時(shí),鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作電壓為43.19 V、工作電流為-3.2 A。18:25~22:25為鉛酸蓄電池獨(dú)立供電階段,時(shí)長(zhǎng)為4 h,從圖5的曲線可以看出,這個(gè)階段鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作電壓與放電時(shí)長(zhǎng)基本呈線性關(guān)系。
4)鉛酸蓄電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈非線性下降的區(qū)間)。到22:25時(shí),鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作電壓已降到44 V以下,觸發(fā)系統(tǒng)下電控制開(kāi)關(guān),負(fù)載被切斷,放電時(shí)的工作電流從-3.2 A減小到-0.4 A,僅留有系統(tǒng)自身運(yùn)行必要部件在運(yùn)行,此時(shí)系統(tǒng)自身功耗約為20 W。因?yàn)榍袛嗔素?fù)載,鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作電壓隨之又恢復(fù)到45.6 V。隨后從22:25到第2天凌晨01:25期間,由于負(fù)載減少,系統(tǒng)耗電緩慢,鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作電壓降至40.61 V,工作電流基本穩(wěn)定在-0.4 A,此區(qū)間時(shí)長(zhǎng)為3 h。
對(duì)鉛酸蓄電池存儲(chǔ)的電量進(jìn)行分析。在光伏發(fā)電與鉛酸蓄電池聯(lián)合供電階段,此階段時(shí)長(zhǎng)為1 h,根據(jù)功率與時(shí)間積分,此階段消耗的鉛酸蓄電池電量約為89.6 Wh;在鉛酸蓄電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間)內(nèi),此階段時(shí)長(zhǎng)為4 h,消耗的電量約為644.9 Wh;在鉛酸蓄電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈非線性下降的區(qū)間)內(nèi),觸發(fā)系統(tǒng)下電控制開(kāi)關(guān)后,此階段時(shí)長(zhǎng)為3 h,消耗的電量約為66.55 Wh。實(shí)測(cè)當(dāng)天,總消耗的鉛酸蓄電池電量約為0.801 kWh,實(shí)際存儲(chǔ)電量小于設(shè)計(jì)的理論存儲(chǔ)電量(0.96 kWh),符合使用要求。
對(duì)鉛酸蓄電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間)進(jìn)行分析。應(yīng)用的48 V儲(chǔ)能電池由4塊12 V的單體鉛酸蓄電池串聯(lián)組成,每塊12 V的鉛酸蓄電池由6塊2 V的單體電芯串聯(lián)組成,將48 V鉛酸蓄電池與單體鉛酸蓄電池放電時(shí)的工作電壓曲線(見(jiàn)圖3)進(jìn)行對(duì)比,可以看出:放電時(shí)的實(shí)測(cè)工作電壓曲線趨勢(shì)與理論工作電壓曲線趨勢(shì)始終保持一致。
在鉛酸蓄電池獨(dú)立供電階段,在其放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間,其工作電壓從50.28 V(對(duì)應(yīng)的單體電池放電時(shí)的工作電壓為2.08 V)降低到44.16 V(對(duì)應(yīng)的單體電池放電時(shí)的工作電壓為1.84 V),由此可以看出:放電期間,鉛酸蓄電池實(shí)測(cè)的工作電壓下降線性區(qū)間與理論的工作電壓下降線性區(qū)間十分吻合。
在演示應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,儲(chǔ)能電池采用磷酸鐵鋰電池時(shí),實(shí)測(cè)的磷酸鐵鋰電池充、放電時(shí)的工作電壓曲線與工作電流曲線如圖6所示。圖中:工作電流的正值表示充電,負(fù)值表示放電。
圖6 實(shí)測(cè)的磷酸鐵鋰電池充、放電時(shí)的工作電壓和 工作電流曲線Fig. 6 Curves of measured working voltage and working current of lithium iron phosphate battery during discharging and charging
根據(jù)圖6,對(duì)磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓與工作電流曲線進(jìn)行分析:
1)磷酸鐵鋰電池浮充階段。實(shí)測(cè)當(dāng)天15:00前后,磷酸鐵鋰電池的電壓達(dá)到54 V,一直處于浮充的狀態(tài)。此時(shí)光伏發(fā)電一方面為磷酸鐵鋰電池維持浮充,另一方面為負(fù)載供電。隨著時(shí)間的推移,到16:00左右,太陽(yáng)輻照量減小,磷酸鐵鋰電池的工作電壓逐漸降低,但仍屬于浮充狀態(tài),充電電流大于0 A。
2)光伏發(fā)電與磷酸鐵鋰電池聯(lián)合供電階段。在16:10時(shí),磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓為49.79 V、工作電流為-0.48 A。16:10~18:00這段時(shí)間內(nèi),太陽(yáng)輻照量持續(xù)減小,光伏發(fā)電功率低于負(fù)載需求功率,磷酸鐵鋰電池由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài),由光伏發(fā)電與磷酸鐵鋰電池聯(lián)合為負(fù)載供電,此階段時(shí)長(zhǎng)為1.83 h。
3)磷酸鐵鋰電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間)。到18:00時(shí),太陽(yáng)輻照量持續(xù)減小,光伏發(fā)電功率為零,磷酸鐵鋰電池開(kāi)始獨(dú)立為負(fù)載供電,此時(shí)磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓為48.86 V、工作電流為-3.34 A;在22:50時(shí),磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓為46.81 V、工作電流為-3.31 A。18:00~22:50為磷酸鐵鋰電池獨(dú)立供電階段,此階段時(shí)長(zhǎng)為4.83 h,從圖6的曲線可以看出:該階段磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓與放電時(shí)長(zhǎng)基本呈線性關(guān)系。
4)磷酸鐵鋰電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈非線性下降的區(qū)間)。在22:50~23:20這個(gè)時(shí)間段,磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓從46.81 V下降到44.10 V,下降速率較快,放電時(shí)的工作電壓與放電時(shí)長(zhǎng)基本呈非線性關(guān)系,但放電時(shí)的工作電流維持在-3.31 A,此區(qū)間時(shí)長(zhǎng)為0.5 h。從23:20開(kāi)始,磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓降到44 V以下,觸發(fā)系統(tǒng)下電控制開(kāi)關(guān),負(fù)載被切斷,工作電流從-3.30 A減小到-0.44 A,僅留有系統(tǒng)自身運(yùn)行必要部件在運(yùn)行,此時(shí)系統(tǒng)自身功耗約為20 W。從00:20開(kāi)始,磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓降到42.0 V以下,觸發(fā)內(nèi)部欠壓保護(hù)開(kāi)關(guān),磷酸鐵鋰電池放電回路被切斷。
對(duì)磷酸鐵鋰電池存儲(chǔ)的電量進(jìn)行分析。在光伏發(fā)電與磷酸鐵鋰電池聯(lián)合供電階段,此階段時(shí)長(zhǎng)為1.83 h,根據(jù)功率與時(shí)間積分,此階段消耗的磷酸鐵鋰電池電量約為187 Wh;在磷酸鐵鋰電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間)內(nèi),此階段時(shí)長(zhǎng)為4.83 h,消耗的電量約為800 Wh;在磷酸鐵鋰電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈非線性下降的區(qū)間)內(nèi),在觸發(fā)系統(tǒng)下電控制開(kāi)關(guān)前,此階段時(shí)長(zhǎng)為0.5 h,消耗的電量約為75 Wh;在觸發(fā)系統(tǒng)下電控制開(kāi)關(guān)后,此階段時(shí)長(zhǎng)為1 h,消耗的電量約為17 Wh。實(shí)測(cè)當(dāng)天,總消耗的磷酸鐵鋰電池電量約為1.08 kWh,實(shí)際存儲(chǔ)電量略大于設(shè)計(jì)的理論存儲(chǔ)電量(0.96 kWh),符合使用要求。
對(duì)磷酸鐵鋰電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間)進(jìn)行分析。應(yīng)用的48 V儲(chǔ)能電池由15塊3.2 V的單體磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成,將其與單體磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓曲線(見(jiàn)圖2)進(jìn)行對(duì)比,可以看出:放電時(shí)的實(shí)測(cè)工作電壓曲線趨勢(shì)與理論工作電壓曲線趨勢(shì)始終保持一致。
在光伏發(fā)電與磷酸鐵鋰電池聯(lián)合供電階段和磷酸鐵鋰電池獨(dú)立供電階段(放電時(shí)電壓呈線性下降的區(qū)間),磷酸鐵鋰電池放電時(shí)的工作電壓從49.79 V(對(duì)應(yīng)的單體電池放電時(shí)的工作電壓為3.32 V)降低到46.81 V(對(duì)應(yīng)的單體電池放電時(shí)的工作電壓為3.12 V),由此可以看出:放電期間,磷酸鐵鋰電池實(shí)測(cè)的工作電壓下降線性區(qū)間與理論的工作電壓下降線性區(qū)間十分吻合。
對(duì)磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比。
1)在放電過(guò)程中,鉛酸蓄電池工作電壓不能很好保持在額定電壓值附近,工作電壓從50.28 V降低到44.16 V,鉛酸蓄電池工作電壓曲線與放電時(shí)長(zhǎng)基本呈線性關(guān)系,放電速率較快;觸發(fā)系統(tǒng)下電控制開(kāi)關(guān)后,鉛酸蓄電池工作電壓回彈值較大,鉛酸蓄電池內(nèi)的實(shí)際容量略小于標(biāo)稱(chēng)容量。
2)在放電過(guò)程中,磷酸鐵鋰電池工作電壓比較平穩(wěn),從49.8 V降低到46.8 V,磷酸鐵鋰電池的工作電壓曲線與放電時(shí)長(zhǎng)基本呈線性關(guān)系,且磷酸鐵鋰電池內(nèi)的實(shí)際容量略大于標(biāo)稱(chēng)容量。
該應(yīng)用效果對(duì)比結(jié)果對(duì)儲(chǔ)能電池采用磷酸鐵鋰電池時(shí)光伏控制器充放電策略配置的借鑒與意義在于:
1)當(dāng)磷酸鐵鋰電池的工作電壓達(dá)到50 V以上時(shí),該電池基本處于充滿(mǎn)狀態(tài),存儲(chǔ)電量接近飽和。工作電壓從50 V上升到54 V這個(gè)區(qū)間時(shí),應(yīng)逐漸限制光伏控制器的輸出功率,因此可將光伏控制器均充階段轉(zhuǎn)浮充階段的電壓值設(shè)置在54 V。磷酸鐵鋰電池的工作電壓達(dá)到54 V后,應(yīng)進(jìn)一步限制光伏控制器的輸出功率,使磷酸鐵鋰電池保持在浮充階段。
2)磷酸鐵鋰電池放電時(shí),其工作電壓變化較為平穩(wěn),在其工作電壓從49.8 V降低到46.8 V這個(gè)過(guò)程中,磷酸鐵鋰電池的工作電壓曲線與放電時(shí)長(zhǎng)基本呈線性關(guān)系,其工作電流可以穩(wěn)定在所需值;而工作電壓從46.8 V降低到42.0 V這個(gè)過(guò)程中,電池內(nèi)部存儲(chǔ)電量較少,工作電壓降低速度較快。光伏控制器的下電控制開(kāi)關(guān)值建議設(shè)置在46.8 V,這樣可以避免因系統(tǒng)自身的損耗導(dǎo)致磷酸鐵鋰電池電量放空而引發(fā)保護(hù)斷電,導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。
本文對(duì)鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰電池這2種不同類(lèi)型的儲(chǔ)能電池的特性及其在離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析和對(duì)比。由于磷酸鐵鋰電池具有高溫特性好、使用壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),且隨著新能源領(lǐng)域尤其是鋰電池行業(yè)的快速發(fā)展,未來(lái)磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的差價(jià)會(huì)逐漸減小,甚至磷酸鐵鋰電池的價(jià)格可能更低,以磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能電池的離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)必將在通信市場(chǎng)大放異彩。
對(duì)于擬配置磷酸鐵鋰電池的新建離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng),或者是需要升級(jí),擬采用磷酸鐵鋰電池替換鉛酸蓄電池的老式離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng),需根據(jù)磷酸鐵鋰電池的充、放電特性,尤其是針對(duì)其放電時(shí)的工作電壓曲線呈線性的區(qū)間時(shí)間長(zhǎng)、工作電壓下降點(diǎn)均與鉛酸蓄電池不同這些特點(diǎn),在配置控制策略時(shí)對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化,比如:下電控制電壓值和限流充電電壓值的設(shè)定,可以充分利用儲(chǔ)能電池的容量,這樣可以更好地保護(hù)離網(wǎng)光伏通信基站供電系統(tǒng)本身,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。