丁 瑜,鄧敏茜,程 喬

(1.南寧職業(yè)技術學院,廣西 南寧 530008;2.廣西建設職業(yè)技術學院,廣西 南寧 530007)

0 引言

近年來,我國通信事業(yè)得到了高速發(fā)展。與此同時,5G移動通信基站子系統(tǒng)的能耗也在不斷增加?？稍偕茉赐ㄐ烹娫聪到y(tǒng)的應用不僅滿足了國家節(jié)能減排的宏觀戰(zhàn)略要求,也降低了移動通信電源系統(tǒng)的建設、使用和維護成本。將可再生能源作為5G移動通信基站子系統(tǒng)的供電能源具有重要意義?；诖?本文提出了一種風、光組合式通信電源系統(tǒng),采用了MPPT跟蹤、PI控制等算法提高了系統(tǒng)的運行性能,探討了系統(tǒng)的實現技術路線。

1 5G移動通信基站子系統(tǒng)的負載情況

在不同的運行環(huán)境之下,與4G相比,5G移動通信基站子系統(tǒng)的同配置設備平均功耗增加了2～4倍,而后期基站子系統(tǒng)設備的升級、擴容將給通信電源系統(tǒng)帶來更大的考驗。在供電基礎設施建設較為落后、供電不穩(wěn)定的區(qū)域,保證5G移動通信基站子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行非常困難;在不具備市電引接條件的區(qū)域,基站子系統(tǒng)無法運行。

5G移動通信基站子系統(tǒng)的負載主要包括空調(或新風系統(tǒng))、照明、設備、AAU、有源天線等交直流負載,并留有適當余量,故也需要將直流電轉換成交流電給交流負載供電。5G移動通信基站子系統(tǒng)的正常運行關乎國計民生,不能有較長時間的斷網情況出現,如果地市級別出現大面積5G移動通信基站子系統(tǒng)掉網將被認定為相應級別的生產事故。因此,5G移動通信基站子系統(tǒng)對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定程度有著較高的要求。

2 可再生能源通信電源系統(tǒng)架構

可再生能源通信電源系統(tǒng)技術方案整體架構如圖1所示,采用風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)組合供電方式為基站子系統(tǒng)供電,以蓄電池作為整個通信電源系統(tǒng)的儲能、應急供電方式。圖1中粗線代表能量流、細線代表信息流,在直流母線與交流母線之間采用雙向AC/DC變流器作為整個通信電源系統(tǒng)的潮流協(xié)調控制器,實現各種能源組合、互補的協(xié)調控制。

圖1 可再生能源通信電源系統(tǒng)架構

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏效應是光伏發(fā)電的基本工作理論,即將太陽能轉變?yōu)殡娔?。當陽光照射太陽能電池板時,光的一部分被直接吸收。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將太陽能直接轉化為電能[1],在此過程中沒有其他物質能量的消耗,維護簡單,安全可靠性高,并且可以在很多場景下應用。國內外太陽能光伏產業(yè)在研發(fā)、生產和應用方面都獲得了長足進步,技術日趨成熟,將光伏發(fā)電系統(tǒng)高精度的控制算法引入通信電源系統(tǒng)有著重要的實踐意義。當光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載阻抗與光伏發(fā)電系統(tǒng)內阻一致時,光伏發(fā)電系統(tǒng)可以獲得相對較高的輸出功率,采用控制器動態(tài)地調整負載的外部特性獲得較高的輸出功率。因各地區(qū)日照情況不同,在5G網絡移動通信基站子系統(tǒng)的電源實踐應用中,建議選擇多片串聯的方式完成光能的收集。

2.2 風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)是風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的組合,既可作為節(jié)能減排的有效方案,也可以作為市電引入困難地區(qū)的5G移動通信基站電源使用。風力發(fā)電系統(tǒng)和相應的儲能系統(tǒng)相結合可以構建運行穩(wěn)定的5G移動通信基站的新型分布電源。根據渦輪風力結構、特點及應用場景的不同,風力發(fā)電機分為很多種。離網型風力發(fā)電系統(tǒng)因其發(fā)電功率較小、容量較小、安裝使用方便、維護成本低的特點,多應用于小型設備供電場景和偏遠地區(qū)。離網型風力發(fā)電系統(tǒng)通常將異步發(fā)電機和永磁發(fā)電機作為產能核心。

本系統(tǒng)風能發(fā)電部分將自勵異步發(fā)電機作為風電單元。由潮流協(xié)調控制器提供負載所需的不平衡電流和諧波電流,使自勵異步發(fā)電機的輸出電壓和電流為三相對稱的正弦波形,可使發(fā)電機額定運行,提高風電機組的利用率,降低系統(tǒng)的建設和運行費用,具有良好的經濟性。

2.3 蓄電池系統(tǒng)

可再生能源發(fā)電方式具有相對不確定性,當風機和光伏電池的實際發(fā)電量有波動時,會引起5G通信電源系統(tǒng)的頻率和電壓變化,使其工作效率降低,并帶來一定的安全隱患。風能和光能雖然在時間上可以一定程度地形成互補發(fā)電,但是無法一直保持一種在線狀態(tài)。在特殊情況下,風光組合通信電源系統(tǒng)發(fā)電量可能無法滿足5G移動通信基站子系統(tǒng)各項負載正常運行的需要,會產生斷電掉站現象。而在風光組合通信電源系統(tǒng)可以高效工作的情況下,如果不能將產生的電能存儲起來,會出現嚴重的棄風和棄光現象。由于風能和光能都是間歇式能源的特點,所以必須配備相應的儲能設備以保證供電的穩(wěn)定[2]。儲能系統(tǒng)可以提高5G通信電源系統(tǒng)的控制效率,是保障通信設備不間斷供電的核心設備,有助于提高5G通信電源系統(tǒng)的可靠性和工作效率。

5G移動通信基站大多將閥控式密封鉛酸蓄電池作為主要的儲能設備,將風能和光能所提供的電能轉換成可以儲存的化學能,在可再生能源部分所提供的電能無法達到5G移動通信基站子系統(tǒng)運轉需求時,將儲存的化學能再次轉變成電能。本系統(tǒng)配套的蓄電池可以用鉛酸蓄電池、鋰電池、鐵鋰電池等,其容量根據移動通信基站子系統(tǒng)的建設區(qū)域、應用場景來靈活選擇,例如較為偏遠的區(qū)域、維護不便利的區(qū)域可以選擇容量相對大一點的蓄電池組,科學合理地設計蓄電池組的容量。

3 可再生能源通信電源系統(tǒng)的實現技術方案

3.1 主要控制算法

PI控制算法可靠性高、實現方便、魯棒性好。在本通信電源系統(tǒng)中,P控制按期望值對通信電源系統(tǒng)參數進行控制,P參數越大,比例調節(jié)器部分相對作用就越強,其動態(tài)響應相對較快。I控制器主要用于消除被控對象的穩(wěn)態(tài)誤差。

最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)主要特點是輸出功率與其控制器的輸出工作電壓存在一定的關系,當工作運行在最適電壓下,輸出功率可以達到最大值。MPPT是一種通過調節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài),使其產生電能的電氣系統(tǒng)。與傳統(tǒng)控制器相比,MPPT可以實時完成被控系統(tǒng)的跟蹤控制,動態(tài)地使被控對象運行在高效狀態(tài)。

3.2 DC/DC控制集成裝置技術方案

對于3個DC/DC控制裝置,若要分別進行設計,需要較高的代價,并且會增加故障點,所以需要研究三路DC/DC的集成化設計技術和拓撲結構,可以充分利用IGBT器件的6管集成功能,借助核心DSP實現三路DC/DC變換。集成DC/DC控制裝置以DSP微處理器為核心,可實現光伏發(fā)電與風力發(fā)電的最大功率點跟蹤,升壓斬波控制。

3.3 雙向變流器控制與電能質量調節(jié)裝置技術方案

用電負荷以5G移動通信基站子系統(tǒng)的空調(或新風系統(tǒng))、照明、設備等交直流負載為依據,并留有適當余量,故也需要將直流電轉換成交流電給交流負載供電。同時,考慮負載與電源的動態(tài)變化對系統(tǒng)設備可能造成影響,采用以MPPT跟蹤算法、PI控制算法為主的電能質量調節(jié)方法,引入電能質量調節(jié)功能,實現多路DC/DC、DC/AC能量的雙向流動,確保光伏發(fā)電、風力發(fā)電部分具有高效的MPPT功能,電壓的穩(wěn)定控制以及蓄電池的無損充放電控制,以提高用電負荷的電力供應質量。采用基于嵌入式的設計方案,選擇“浮點數字信號處理器DSP+智能功率模塊IPM”作為控制器的核心,并對各電源節(jié)點PI控制器的參數進行在線粒子群優(yōu)化[3],是具有高性價比的實踐方案。

3.4 電源節(jié)點的容量優(yōu)化配置與能量平衡技術方案

為提高系統(tǒng)的利用率和效率,需要對各電源節(jié)點的容量進行優(yōu)化配置,并且在實際投運后還需要考慮緯度、季節(jié)、光照、風力、儲能容量及電負荷等多因素,實時平衡各電源節(jié)點的發(fā)電量。各個光伏陣列節(jié)點通過各自的升壓型DC/DC變流器與直流母線相連,蓄電池組通過雙向DC/DC變流器與直流母線相連,各節(jié)點由各自的單向DC/DC變流器實現MPPT控制,以提高光伏電源的發(fā)電效率。各電源節(jié)點PI控制器的PI參數采用了在線粒子群優(yōu)化方法,進而加快了動態(tài)參數篩選的速度。

4 結語

本文在結合5G移動通信基站子系統(tǒng)現網運行特點的基礎之上,探討了一種可再生能源通信電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用在線粒子群優(yōu)化方法對多組電源節(jié)點PI控制器的參數進行實時調整,同時確保蓄電池的最優(yōu)充放電控制;采用嵌入式與現代變流技術將太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電、蓄電池充放電控制單元與電能質量調節(jié)單元進行整合優(yōu)化設計,形成“背靠背”的系統(tǒng)拓撲結構,最大化地實現電源與負載投切時電壓的穩(wěn)定控制。