沈國平 付銳 吳響容 黃卓越 呂明

（1.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州;2.杭州大光明通信系統(tǒng)股份有限公司，杭州）

1 引言

為了加快實現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展的“雙碳”目標(biāo)，節(jié)能減排、提升系統(tǒng)能效、采用綠色能源是通信基站持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路[1]。踐行低碳新理念，降低成本損耗已成為通信運營商的戰(zhàn)略目標(biāo)。隨著光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用，開發(fā)光伏新能源實現(xiàn)基站供電的綠色優(yōu)化方案越來越引起各大運營商的重視。各大運營商紛紛引入“站點疊光”概念，對通信基站部署光伏，實現(xiàn)太陽能、電網(wǎng)、儲能電池多路供電[2]。為了更好地保障通信基站正常運行，提高基站綠色電能使用水平，在現(xiàn)有基站供電基礎(chǔ)上引入光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏供電，作為基站新能源建設(shè)方式，對緩解當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的用電負(fù)荷，促進(jìn)通信基站的綠色發(fā)展具有積極的作用。

2 基站太陽能光伏

2.1 運營商基站

在移動通信系統(tǒng)中，目前運營商的基站分類一般分為宏基站、微基站和室分站三種。

2.1.1 宏基站

宏基站是移動通信系統(tǒng)中最基本的基站，其覆蓋面積大，可以滿足用戶對移動通信信號的要求。宏基站由于功率較大，需要一定的供電能力和建設(shè)成本，因此在建設(shè)中一般采用專用電源，通常部署于大型城市、交通樞紐等區(qū)域。

2.1.2 微基站

微基站是一種小型的基站設(shè)備[3]。它主要以機柜形式存在，是在室外人流相對集中的環(huán)境中部署的小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋面積小、覆蓋距離短、覆蓋效率高等特點。

2.1.3 室分站

室分站是指在建筑物內(nèi)部建立通信網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)無線信號覆蓋的一種基站。通常情況下，室內(nèi)分布系統(tǒng)包括有源和無源兩種類型。

本文研究的基站光伏智能疊光綠色能源系統(tǒng)主要是宏基站，宏基站相對都具有固定的建筑物，具有安裝光伏組件的條件。

2.2 太陽能光伏

太陽能作為一種清潔能源，其能量巨大、無污染、非地域受限性等優(yōu)勢，成為近些年來發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域之一，其能量輸出隨著光照強度、溫度等環(huán)境條件的改變而改變。

光伏發(fā)電通過將太陽的光能轉(zhuǎn)化成電能實現(xiàn)對負(fù)載供電[4]。將太陽能光伏系統(tǒng)引入通信基站，通過光伏適配器將太陽光的光能轉(zhuǎn)換為電能，最大程度利用太陽能給基站供電，保證通信基站正常運行，節(jié)能環(huán)保的同時也緩解了用電高峰時期的市電壓力，為市民的生活和工作提供保障。

3 基站光伏系統(tǒng)傳統(tǒng)方案存在的問題

3.1 高壓直流，安全性隱患大

傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)一般是光伏組件通過串聯(lián)，直流電壓達(dá)到500V～1000V（12kW 基站負(fù)載以下的一般光伏組件串聯(lián)達(dá)到此電壓），通過逆變器輸出380V 交流電壓供基站負(fù)載用，或通過并網(wǎng)柜并入國網(wǎng)電力系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)直流側(cè)電壓達(dá)到500V～1000V，其拉弧往往是各類光伏電站火災(zāi)事故的重要原因，安全風(fēng)險較大。

3.2 能量轉(zhuǎn)換損耗大

傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)需要經(jīng)過二次能量轉(zhuǎn)換，一次是直流500V～1000V 通過逆變器輸出380V 或220V 交流電，第二次能量轉(zhuǎn)換是通過基站開關(guān)電源將380V 交流電轉(zhuǎn)換48V 低壓直流電，供基站設(shè)備用電[5]。經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，將損耗光伏發(fā)電電能。

3.3 投資大

在我國，基站設(shè)備用電是-48V 直流系統(tǒng)[6]，傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)需要逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，需要通過并網(wǎng)柜將電能上傳國家電網(wǎng)。這就大大增加了設(shè)備投資。

3.4 管理工作量大

傳統(tǒng)基站光伏系統(tǒng)因增加了逆變器和并網(wǎng)柜，增加了設(shè)備的故障點，并網(wǎng)柜的維護(hù)保養(yǎng)一般都需要電力局負(fù)責(zé)實施，因此會增加協(xié)調(diào)管理的工作量。

4 基站光伏智能疊光系統(tǒng)設(shè)計

DC-48V 疊光控制器系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，由太陽能光伏組件、光伏組件數(shù)字化適配器、低壓型智能匯流箱三部分組成，匯流箱輸出的直流電直接并入原基站開關(guān)電源和蓄電池能源系統(tǒng)。

4.1 太陽能光伏組件

太陽能光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，其主要職責(zé)是將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能。由于太陽光能輻射分散，單位面積上的能量有限，因此，通常需要將N 個（N ≥2）太陽能電池板串聯(lián)或者并聯(lián)，組成光伏電池方陣，以此獲得穩(wěn)定、持久的太陽能資源，最終為負(fù)載供電。

本系統(tǒng)使用的光伏板是通過全并聯(lián)的方式組網(wǎng)，根據(jù)屋頂面積及實際場景進(jìn)行組件裝機配置，可單組件擴(kuò)容，保障投資收益最大化。

4.2 光伏組件數(shù)字化適配器

光伏適配器，即通用光伏DC/DC 模塊，安裝在每塊光伏組件背面，實現(xiàn)單個組件DC/DC 電源升壓[7]。光伏適配器將太陽能光伏組件電壓升壓轉(zhuǎn)換為48V 直流系統(tǒng)電壓，以并聯(lián)方式接入低壓型智能匯流箱，經(jīng)匯流箱匯流后接入基站/機房開關(guān)電源直流母排，最終將太陽能產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化成通信基站需要的電能，完成直流側(cè)疊光應(yīng)用。

運營商基站的電源通常使用380V，而基站內(nèi)部設(shè)備工作時需要使用-48V 直流電源。通常，每個基站會配置兩組蓄電池。當(dāng)基站停電時，蓄電池會為基站提供電力，這時電流最高可能會達(dá)到上百安培，具體數(shù)值取決于不同的基站和其耗電情況。一般基站在正常市電供電時，對電池浮充狀態(tài)，在負(fù)載供電母排上是-52V 到-54V 之間，在對電池均充狀態(tài)，在負(fù)載供電母排上是-55V 到-56V之間。

4.2.1 基站光伏組件選擇

光伏組件一般直接直流輸出是12VDC、24VDC、48VDC，移動基站一般均是-48V 直流系統(tǒng)，故基站光伏智能疊光系統(tǒng)可選擇550W 輸出開路電壓在48V～49.1伏的光伏組件。

4.2.2 基站光伏電池板串聯(lián)、并聯(lián)選擇

光伏組件單板輸出電壓不能滿足基站設(shè)備供電要求，要滿足基站設(shè)備供電要求，則可以通過光伏電池串聯(lián)后再降壓來實現(xiàn)，或通過單塊光伏電池通過適配器將輸出電壓升壓到滿足基站負(fù)載供電要求。本方案選擇所有光伏電池板電源輸出通過并聯(lián)，每個光伏電池板配置適配器，通過適配器將輸出電壓升壓到滿足基站負(fù)載供電要求的方案。

光伏電池板適配器實現(xiàn)單個組件DC/DC 升壓，對每塊光伏板通過MPPT 跟蹤調(diào)節(jié)，提升發(fā)電效率，安裝光伏組件背面。針對系統(tǒng)安全性，專門針對通信基站設(shè)計輸出電壓范圍，輸出高限閾值可調(diào)。設(shè)計輸出啟動無波動，不會對負(fù)載設(shè)備及蓄電池產(chǎn)生沖擊。單個光伏組件參數(shù)的采集，通過RS485 上傳到匯流箱。

4.2.3 基站光伏電池板數(shù)量設(shè)計原則

基站光伏電池板數(shù)量設(shè)計原則是基站總光伏電池板發(fā)電功率小于等于基站實際負(fù)載最大值功率。假設(shè)基站最大直流負(fù)載是5.3kW(不含電池均充時的功率)，一般基站正常工作時負(fù)載電壓是-53.6V，則基站負(fù)載電流最大98.88A。如選擇的光伏組件是550W 每塊，則選擇8塊光伏電池板。通過8 塊光伏電池板并聯(lián)，電池板最大輸出功率4.4kW，最大輸出電流82A，低于基站負(fù)載電流最大98.88A。8 塊光伏電池板適配器并聯(lián)接入智能匯流箱，并且每個適配器通過RS485 與匯流箱控制板通信。

4.3 智能匯流箱

將光伏電池板適配器輸出并聯(lián)接入?yún)R流箱，匯流箱控制板通過RS485 采集光伏適配器工作狀態(tài)信息，形成物聯(lián)網(wǎng)組件級監(jiān)控。同時，匯流箱配置獨立直流電表對疊光系統(tǒng)發(fā)電量進(jìn)行精準(zhǔn)計量，實現(xiàn)精細(xì)化管理；在光伏板正常發(fā)電時，匯流箱控制板通過RS485 調(diào)整適配器輸出電壓高于開關(guān)電源母排電壓的1.5V～2V，保證優(yōu)先使用光伏電池板電能。

匯流箱內(nèi)直流計能電表通過RS485 接入?yún)R流箱控制板，匯流箱控制板自帶4G 無線模塊和以太網(wǎng)網(wǎng)口，可以通過4G 無線上傳到能耗平臺，同時可以通過以太網(wǎng)接入基站動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)有線/無線雙通道數(shù)據(jù)監(jiān)控。

智能匯流箱通過4G 模塊，將現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)及系統(tǒng)發(fā)電數(shù)據(jù)上傳至能耗運營管理平臺，實時監(jiān)測每個組件工作狀態(tài)、任何組件損壞可以快速定位，實現(xiàn)遠(yuǎn)程運營管理，極大降低運維成本。此外，智能匯流箱具有輸入熔絲保護(hù)、直流防雷、輸出空開保護(hù)等完善的保護(hù)機制，能夠保證通信系統(tǒng)可靠運行。

基站智能疊光系統(tǒng)通過匯流箱的電源輸出端口連接至原有基站-48V 高頻開關(guān)電源直流母排，可實現(xiàn)優(yōu)先光伏發(fā)電為基站供電。開關(guān)電源接入點必須選擇在開關(guān)電源的一、二次下電接觸器與電池電流檢測分流器(或霍爾)之間母排上，接入點不能接在電池分流器下端或直流負(fù)載端，否則將影響電源系統(tǒng)對電池電流及負(fù)載電流檢測，造成電源系統(tǒng)控制邏輯異常。基站光伏疊加供電系統(tǒng)要求匯流箱、光伏組件支架單獨進(jìn)行接地，接地排原則上利用基站已有接地排。

5 甘肅某運營商張掖火車站基站光伏智能疊光綠色能源系統(tǒng)應(yīng)用案例設(shè)計

5.1 張掖火車站基站適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)

甘肅省的張掖市是太陽能資源較豐富的區(qū)域之一，其火車站基站樓頂有400 平方米，周圍沒有建筑物遮擋，環(huán)境適合安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。

5.2 張掖火車站基站光伏組件的選擇

張掖火車站基站直流負(fù)載功率5.6kW(不含蓄電池均充功率)，基站正常工作時直流電壓是-53.3V，基站負(fù)載電流在105A。選擇的光伏組件550W 每塊，通過8 塊光伏電池板并聯(lián)，電池板最大輸出功率可達(dá)4.4kW，最大輸出電流可達(dá)82A。

5.3 張掖火車站基站光伏智能疊光能源系統(tǒng)安裝后數(shù)據(jù)分析

從該站點運行數(shù)據(jù)可以看到：在2023年9月22日至9月28日這段時間內(nèi)，張掖火車站基站光伏智能疊光能源系統(tǒng)的總發(fā)電量達(dá)到了121.29KWh，平均每天發(fā)電17.3KWh。據(jù)統(tǒng)計張掖地區(qū)一般光伏年有效利用小時數(shù)是1611.88 小時，折算一年可正常光伏發(fā)電天數(shù)為200 天左右，則張掖地區(qū)一個基站一年可光伏發(fā)電3460KWh，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以直接減少市電用電量。

6 總結(jié)

本文針對基站光伏系統(tǒng)傳統(tǒng)方案存在的問題，在校企合作的基礎(chǔ)上設(shè)計的一款智能全并聯(lián)直流基站疊光系統(tǒng)，經(jīng)過實際安裝應(yīng)用，檢驗出可以減少市電用電量，緩解當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的用電負(fù)荷，延長基站標(biāo)配的蓄電池壽命，降低基站的掉站率，縮減系統(tǒng)維護(hù)成本等優(yōu)勢，有益于構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會。同時，該系統(tǒng)安裝具有簡單可靠、發(fā)電效率高、運維智能、安全可靠及可行度高的特點，便于大范圍推廣。