平谷区发电机(可用于通信基站的风光电储纯绿色节能发电系统)

Posted 2023-05-25

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平谷区发电机(可用于通信基站的风光电储纯绿色节能发电系统)

目前，构建绿色通信机房，创新推广能源高效利用和新能源技术，提高风能、太阳能、新型蓄电池等新能源占比已成为国内各大电信运营商发展低碳经济，推进节能改造，实现节能减排目标的必经之路。同时，随着通信业务运营、持续的网络建设投资和铁塔互联网快速发展带来的冲击，电信运营商面临“成本增长过快，收入增长放缓”的压力，根据资料显示，仅中国联通每年需要缴纳的电费就超过百亿元，电费支出甚至超过了其员工薪酬福利的1/3。如果中国移动、中国电信和中国联通三大运营商的电费加起来这个数字就更为惊人了。

电信行业目前的能源消耗主要集中在分布广泛的基站中，基站能耗以电为主。能够做好基站的节能减排工作，就能有效的实现运营商全年节能减排的主要目标。在当今技术条件下，不可能大面积更换低功耗的基站设备，靠降低基站的有效功耗，很难实现大的突破。而应用新的绿色能源，替代或部分替代基站原有的能源供给，同时加强基站电费的精细化管理，已成为降低基站能源消耗和控制电力成本最有效的手段之一，对企业自身发展和社会发展都具有重大意义。

图1为目前通信基站供电电源系统广泛采用的拓扑结构，它主要由变电站或公共电网引入的交流市电、备用柴油发电机（留有移动油机应急接口）、市电油机切换开关、整流器、降压型直流变换器DC/DC、蓄电池组、逆变器以及机房直流负载和交流负载组成。在市电正常时，市电作为主用供电输入为基站提供交流电源，并经整流和直流变换后对蓄电池组进行浮充；在市电发生故障时，将启用柴油发电机或将移动油机运至市电故障基站，为站内设备发电供电，在油机缓慢启动过程中或者尚未到达前，机房通信设备由蓄电池组进行不间断供电，蓄电池组一般采用铅酸蓄电池作为直流备用电源。

图1 通信基站现有供电电源系统典型拓扑结构

基站现有供电电源系统采用铅酸蓄电池和柴油发电机作为应急供电设备，充分利用了铅酸蓄电池的低成本、安全可靠以及柴油发电机能够长时间供电的优点，基本上保证了基站持续稳定运行的目的，但这种电源配置模式却存在着诸多不利之处。首先，铅酸蓄电池体积大，质量重，可造成环境污染，备电时间不足，对周围环境要求苛刻，需要配置空调调节机房温度；其次，柴油发电机需要有人实时值守，有噪音污染和废气污染，影响环保，并且需要考虑通风、冷却、排烟、减震、消音等配套设施；最后，铅酸蓄电池长期处于浮充状态，易导致极板的硫酸盐化，致使寿命大大缩短，而柴油发电机长时间低怠速和小负荷运行则会损坏发动机，导致维护成本大大增加。

除此之外，传统的基站供电电源系统配置仅仅是从保供电的角度，即供电的稳定可靠性方面来考虑和实施，并没有触及和规划到节能降耗和控制电力成本方面，显然不符合当前国家提出的节能减排和建设绿色机房的战略目标。近年来，随着风能、太阳能等清洁能源的飞速发展以及锂离子电池、燃料电池等储能电池核心技术的突破，太阳能发电、风力发电等新能源发电技术逐渐应用于通信基站的供电上，锂离子电池以其体积小、能量比和功率比高、循环寿命长、充电时间短、安全和无污染等优点，也正逐步地替换原来的铅酸蓄电池，成为基站直流备用电源的主流。

中国移动某分公司和爱默生网络能源有限公司提出了一种对原有通信基站供电系统进行节能改造的光电互补解决方案，在市电供电的基础上增加了太阳能供电，如图2所示，该方案以太阳能优先供电，市电作为补充，提供“稳定”和“节能”两种工作模式，起到了节能减排的效果，通过试运行测试节能率在25%～30%之间。

图2 中国移动某分公司基站电源光电互补系统节能改造方案拓扑图

上述基站新能源应用方案从某种意义上说，改变了传统基站的电源供给结构及方式，帮助电信运营商达成了节能降耗的目的，同时有效提高了基站供电系统的可靠性，但是在当前大力提倡节能减排，发展绿色电信的背景下，并没有彻底扭转基站高能耗、电费总量大、电费占运营支出和收入比例高的严峻事实。通信基站供电电源系统要从根本上解决这一技术难题和商业痼疾，必须走全绿色能源路线，有效利用太阳能、风能及储能蓄电池交互供电的纯绿色节能发电系统，同时对基站用电进行精细化管理和调峰平谷策略。

与现有技术相比，本文从根本上改变了传统通信基站的电源供给结构及方式，提出了一种用于基站节能降耗的风光电储供电系统方案，结合太阳能电池板、风力发电机、锂电池组及公共电网进行交互供电的纯绿色节能发电系统，其拓扑结构如图3所示。

图3 本发明所提出的通信基站供电电源系统拓扑结构图

该供电电源系统能量来源包括四个方面：太阳能电池板、风力发电机、公共电网及后备锂电池组，将风光发电、市电及电池储能有机结合起来为通信基站提供绿色、稳定和可靠的动力，不同于传统基站由市电、油机和铅酸蓄电池组成的供电系统，也不同于采用了新能源技术但却以市电为主、风光发电为补充、电池后备的现有新能源基站供电系统，它是以节能降耗和降低电力运营成本为目标，以风光储发电为主，市电为辅的纯绿色节能发电系统。

太阳能电池板和风力发电机与风光互补控制器组成风光互补发电系统，太阳能电池板的输出连接到风光互补控制器的光伏电池接口端，风力发电机的输出连接到风光互补控制器的风机接口端。因为工作于户外露天环境，两个接口处均通过防雷空开连接到浪涌保护器，浪涌保护器的作用是将雷击浪涌电流快速泄入大地，从而保护用电设备免遭雷击，防雷空开可以在浪涌保护器老化或损坏以后迅速切断其与主回路的连接，从而避免引起其他故障发生。另外，考虑到风力发电机在过风速下会出现过电压，威胁电机和系统安全，因此需要增加卸荷电阻保障系统安全，外部卸荷电阻连接到风光互补控制器的卸荷电阻接口，控制器根据过电压大小，自动控制内部与卸荷电阻相串联的双向可控硅导通角，稳定系统电压。

风光互补控制器是集风能控制和太阳能控制于一体的智能型控制器，充分利用风能和光能资源发电，减少采用单一能源可能造成的电力供应不足或不平衡的情况。控制器内部含有三相桥式整流电路和DC/DC直流变换电路，能把风力发电机输出的变化三相交流电转化成为48VDC直流电压，而太阳能电池板在有阳光的条件下输出电压一般都比较稳定，采用96片多晶硅太阳能电池片进行串联可以形成48VDC太阳能电池板，两路48VDC直流电压在控制器内部汇集后由蓄电池接口经过控制器直流输出开关后连接到外部-48VDC直流母线。

公共电网输出的380VAC三相交流市电经过防雷空开和浪涌保护器防护后连接至市电输入开关，然后流进三相电度表，再通过整流开关连接至整流器。三相电度表的作用是计量基站消耗的电能，电网公司则以此为依据来收取电费；整流器的作用是将三相交流电转换成513VDC左右的脉动直流电压，此电压输入到降压直流变换电路DC/DC后被转换成48VDC直流电压，并经过防反流二极管输出到-48VDC直流母线。

锂电池组可由多节单体电芯串并联成组构成48VDC直流后备电源，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用，它将风光互补发电系统输出的多余电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。锂电池组经过电池开关连接到充电限流模块，充电限流模块两端并联有电池放电开关和放电过渡二极管，并经由霍尔电流传感器后连接到-48VDC直流母线。

图4 充电限流模块内部电路原理图

根据马斯定律，锂电池的充放电是一个复杂的电化学过程，其可接受电流能力随着充电过程的进行而逐渐下降，因此单纯的按恒流或恒压充电不符合锂电池的充电特性和机理。恒压充电模式的起始充电电流很大，往往会造成电池的损坏；恒流充电模式在充电后期，电池受电能力下降，充电电流利用率和充电速率均会降低，并可能导致电池过充电而损坏。

充电限流模块的作用就是为了控制和调节-48VDC直流母线对锂电池组的充电电流，其内部电路原理图如图4所示，电池管理装置实时采样锂电池组内单体电芯的电压以及霍尔电流传感器的感应电流，根据电压和电流值按照马斯可接受电流曲线规律控制输出PWM脉冲驱动信号的占空比，从而达到智能调节充电电流的目的。

电池放电开关为高压继电器或者直流接触器，由电池管理装置进行控制，它和充电限流模块、放电过渡二极管一起实现锂电池组的充电保护、放电保护以及不间断切换功能。电池管理装置采用高可靠度元件，具有对锂电池组过压、欠压、过温、过载和短路保护功能以及对电池容量均衡的功能。电池管理装置对于采样得到的各种模拟量参数进行运算处理，并根据运算处理结果开展电池组剩余电量（SOC）、电池组健康状况（SOH）、电池组下一时刻最大充放电功率（SOP）等核心算法计算及相关逻辑保护判断动作。

锂电池组亏电时，电池管理装置断开电池放电开关，控制充电限流模块内部MOS管Q1栅极上的PWM脉冲驱动信号占空比来对锂电池组进行分阶段恒流充电，此时放电过渡二极管因受反向电压而截止；锂电池组满电时，电池管理装置断开充电限流模块，锂电池组处于待机备电状态；当-48VDC直流母线上功率不足以供给基站负载时，锂电池组通过放电过渡二极管不间断切换到直流母线上，开始提供储备能量，此时霍尔电流传感器感应到放电电流并输送到电池管理装置，电池管理装置立即闭合电池放电开关，短路放电过渡二极管，使锂电池组通过电池放电开关持续供能。放电过渡二极管为大功率电力二极管，具有1～2VDC电压降，如果持续通过大电流则会发热并产生较大功率损耗，它和电池放电开关巧妙组合，既实现了锂电池组的不间断切换，又可以避免产生发热和功耗。（本篇文章完）

限于文章篇幅，将在下一篇文章中讲解图3所示电源供电系统节能降耗和降低电力运营成本的工作过程及原理。

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