摘 要： 通過風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)在通信基站上的應(yīng)用，可以有效解決市電引入非常困難的問題,，同時可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標,，為建設(shè)低碳社會做出應(yīng)有的貢獻。通過對太陽能發(fā)電系統(tǒng),、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng),、遠程監(jiān)控系統(tǒng)的分析，詳細介紹了風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)在通信基站上的實際應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng),；通信基站；最大功率點追蹤,；微觀選址,；遠程監(jiān)控
隨著手機的普及，對手機信號的覆蓋率也提出了很高的要求,，對于幅員遼闊的草原和山區(qū)要想做到信號全面覆蓋就要建立大量的基站,，這些基站大都處于國家電網(wǎng)沒有覆蓋的地區(qū)。如果通過引入市電來開通基站實現(xiàn)無線信號的覆蓋,，需要花費大量投資,，平均每公里需要5~15萬元，而且每年運營還要花費大量的電費,。因此風(fēng)光互補供電系統(tǒng)是解決邊遠地區(qū)通信基站供電的最好方案之一,，不僅在投資方面可以與引入市電相當或者略低，而且每年可以節(jié)省大量電費開支,，并減少二氧化碳的排放,，為節(jié)能和環(huán)保做出貢獻。
1 風(fēng)能與太陽能的配比
風(fēng)力發(fā)電的特點是功率密度大,，獲取容易,，成本較低。其缺點主要是供電穩(wěn)定性極差,。太陽能供電的特點是比較穩(wěn)定,，但是供電系統(tǒng)的成本非常高，占地面積比較大,，系統(tǒng)功率密度和轉(zhuǎn)換效率均較低,。
目前常用的太陽能電池的生產(chǎn)工藝是改進的西門子法,，西門子工藝包括電爐熔煉生產(chǎn)冶金級硅（MG-Si）、氯氫化硅（硅烷）直驅(qū)與分餾提純及純硅烷氫還原等過程,。存在諸多缺點和問題：
?。?）耗能大，如冶金級硅生產(chǎn)的耗電為1.2萬kWh/t左右,；
?。?）成品率低，產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物及三廢,，環(huán)境污染嚴重,；
（3）對原料的要求較嚴格,，有粒度和品位的要求,；
（4）生產(chǎn)成本和價格偏高,。
為了降低污染和能耗,，人們開發(fā)出了冶金法生產(chǎn)工藝。首先將金屬硅在真空環(huán)境下加熱熔化,，利用電子束去除掉P（磷）,。然后在Ar（氬）氣體中熔化，用等離子焊槍（Plasma Torch）去除B（硼）,，凝固后提煉,。應(yīng)用普通金屬提煉工序可將金屬雜質(zhì)的濃度降至0.1 ppmw以下。冶金法的整個生產(chǎn)過程無污染排放,，而且耗能低,。生產(chǎn)每單位重量的多晶硅所耗的能源僅相當于西門子法的1/5。通過鑄造法生產(chǎn)多晶硅可以有效提高太陽能電池的生產(chǎn)規(guī)模并降低成本,，因此太陽能電池是非常有競爭潛力的新能源之一,。
風(fēng)能與太陽能功率在供電系統(tǒng)中的配比選定是一個非常復(fù)雜的過程，首先要對通信基站當?shù)氐娘L(fēng)能資源和太陽能資源進行長期考察,，根據(jù)風(fēng)能、太陽能資源狀況,、系統(tǒng)可靠性要求以及投資的限額,，確定風(fēng)電和太陽能的比例關(guān)系。風(fēng)力和太陽能配置容量比例一般為2：8～4：6,，但是在特殊情況下可以不受這個比例的限制,。
圖1為某風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)的運行特性曲線。從圖中可以看出,，當?shù)孛刻焯柲艿陌l(fā)電量基本穩(wěn)定,，而且不會有較長時間的陰雨時間；而風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量較大，但是波動性也很大,，例如在2010年6月5日左右,，當時蓄電池電壓處于較低水平，蓄電池處于沒有充滿的狀態(tài),，但是較短的時間內(nèi)通過風(fēng)力發(fā)電就可以將蓄電池充滿,，日發(fā)電量遠遠高于太陽能提高的電量。但是到了9月份進入枯風(fēng)期,，風(fēng)力發(fā)電量非常小,，甚至為零。主要供電由太陽能承擔,，因此太陽能供電容量的選配必須能滿足系統(tǒng)的最低要求,，而風(fēng)力發(fā)電成本較低，因此可以選配大一點滿足快速充電的特點,。
2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的特點
太陽能電池發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng),。硅原子有4個電子，如果在純硅中摻入5個電子的原子如磷原子,，就成為帶負電的N型半導(dǎo)體,；若在純硅中摻入有3個電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導(dǎo)體,。當P型和N型結(jié)合在一起時,，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池,。當太陽光照射到P-N結(jié)后,，空穴由N極區(qū)往P極區(qū)移動，電子由P極區(qū)向N極區(qū)移動,，形成電流,。
太陽能光伏電池陣列具有典型的非線性特性。太陽能電池板的輸出不僅與太陽能輻射強度有關(guān),，還與溫度有關(guān),。
（1）太陽能電池的短路電流隨太陽輻射強度增強而變大,，兩者近似為正比關(guān)系,。在最大功率點之前，隨著太陽能電池板輸出電壓的增大,，輸出電流減小緩慢,。但是，最大功率點是個轉(zhuǎn)折點,，該點后,，隨著輸出電壓的增大,，輸出電流急劇減小，導(dǎo)致輸出功率亦急劇減小,。太陽能電池的開路電壓在各種光照條件下變化不大,。
（2）太陽能電池的最大輸出功率隨光照強度增強而變大,，且在同一光照環(huán)境下僅有唯一的最大輸出功率,。在最大功率點左側(cè)，輸出功率隨電池端電壓上升而增大,，近似線性增大,。最大功率點右側(cè)，輸出功率隨輸出電壓的增大而急劇下降,。
最大功率跟蹤（MPPT）的方法有很多,，如開路電壓控制法OV（Open Voltage），恒定電壓控制法CV（ConstantVoltage）,，擾動觀測法P&O（Perturb and Observe）,，增量電導(dǎo)法IC（Incremental Conductance），模糊邏輯控制法FL（Fuzzy Logic）,，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法ANN（Artificial Neutral Network）以及這些方法的改進方法等[1],。在這些方法中，目前最常見的是P&O和IC,，而P&O以其控制精度高,、實現(xiàn)成本低，優(yōu)勢更強,。
擾動觀察法[2-3],，是一種基于實時控制的MPPT控制算法，它通過對電路施加某一幅度的擾動,，改變太陽能光伏電池的工作狀態(tài),，同時觀察并計算太陽能電池板實際輸出功率大小。得到當前時刻值后,，將其與前一時間值進行比較,，通過對比結(jié)果確定下次擾動方向，最終得出目標值,，從而使得太陽能電池板的工作輸出最終穩(wěn)定在最大功率點附近,。
但是在通信基站應(yīng)用當中，太陽能電池的容量一般在1 000 W～10 000 W甚至更大,。因此需要多個太陽能電池板串并聯(lián)組成太陽能電池陣列向蓄電池和負載供電。而不同的太陽能電池板的輸出特性并不一致,，并且受到云層遮蔽,、沙塵影響等會加劇不同太陽能電池板輸出的不平衡,。如圖2所示4塊太陽能電池板所組成的陣列，由于每塊電池板的輸出特性不同使得總輸出特性曲線會出現(xiàn)多個極值點,。因此擾動觀察法在實際應(yīng)用當中,，會陷入局部極值點。所以必須要有全局最優(yōu)搜索算法來實現(xiàn)最大功率點追蹤功能,。
3 風(fēng)力發(fā)系統(tǒng)的特點
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有成本低,、容量大等特點。但與太陽能電池相比,，風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，可靠性和安全性需要重點考慮。特別是在風(fēng)能資源比較好的地區(qū)和海島地區(qū),，陣風(fēng)和極端天氣的影響不容忽視,。針對通信基站的應(yīng)用，還要考慮運輸和安裝等方面的問題,。
由于很多通信基站安裝在比較高的山頂或者交通非常不便的地方,，很多大型的運輸和安裝工具無法到達施工現(xiàn)場，因此風(fēng)力發(fā)電機的安裝主要通過人工來完成,，所以風(fēng)力發(fā)電機的單臺功率應(yīng)該選用1 kW~5 kW之間,。利用先進的塔架結(jié)構(gòu)可以通過有限的手工工具就可以實現(xiàn)風(fēng)機的安裝，因此比較適合于邊遠地區(qū),、山頂,、海島等通信基站應(yīng)用場合。
在通信基站的應(yīng)用中,，風(fēng)機的選址一般都要安裝在基站的附近,，因此風(fēng)機的微觀選址可以對風(fēng)機的發(fā)電效率和安全性帶來至關(guān)重要的影響[4]。這是因為氣流通過障礙物,，在下游會形成擾動區(qū),，在擾動區(qū)風(fēng)速可能會降低，也可能有強的湍流對風(fēng)力發(fā)電機組運行十分不利,，甚至短時因湍流引起的陣風(fēng)會造成風(fēng)機機械損害,。
要做好風(fēng)機的微觀選址，就要盡量得到風(fēng)電機組輪轂高度處代表年平均風(fēng)速,、平均風(fēng)功率密度,、風(fēng)機位置全年風(fēng)向、風(fēng)能玫瑰圖,，各月風(fēng)向,、風(fēng)切變系數(shù)、湍流強度及粗糙度等[5-6],。還要考慮地形因素對風(fēng)機的影響,，山地對風(fēng)速影響的水平距離,，一般在向風(fēng)面為山高的5～10倍，背風(fēng)面為15倍,。且山脊越高,，坡度越緩，在背風(fēng)面影響的距離越遠,。
為了提高風(fēng)機發(fā)電效率,，在風(fēng)機選址時，首先要了解當?shù)仫L(fēng)速和風(fēng)向資源狀況,，圖3為某通信基站的風(fēng)向玫瑰圖,，可以看出在基站的270°～300°方向的風(fēng)頻較高。因此沒有特殊狀況的條件下,，需要將風(fēng)機的選址定于圖中280°方向的位置,。
風(fēng)機的微觀選址除了對風(fēng)向的考慮，還要注意風(fēng)機選址周圍的地勢盡量比較平緩,，不能有較大的地形起伏,，也不能有其他過高的障礙物，以免產(chǎn)生的湍流在極端氣候條件下?lián)p害風(fēng)機和槳葉,。
4 遠程監(jiān)控技術(shù)
風(fēng)光互補供電的通信基站一般位于比較偏遠的地區(qū),，因此遠程監(jiān)控技術(shù)非常重要。遠程監(jiān)控主要包括：
?。?）遙測,。負載總電流、太陽能電池方陣輸出電壓,、太陽能電池方陣輸出電流,、蓄電池充電/放電電流、蓄電池母排電壓,、蓄電池運行狀態(tài)（浮充,、均充），風(fēng)力發(fā)電機組輸出電壓,、風(fēng)力發(fā)電機組輸出電流,。
（2）遙信,。直流輸出過流告警,，熔斷器/斷路器故障告警，太陽能電池方陣工作狀態(tài)（投入/撤出）,、太陽能組件方陣故障告警,、蓄電池電壓告警，風(fēng)力發(fā)電機組工作狀態(tài)（投入/撤出）、風(fēng)力發(fā)電機組控制器故障,、輸出過壓告警,、輸出欠壓告警、負載下電告警,、風(fēng)機故障告警。
?。?）遙控,。遠程遙控風(fēng)機制動、解除制動,。風(fēng)機控制器與太陽能控制器起動,、停機，參數(shù)設(shè)定等,。
通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實時獲取風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)以及蓄電池的工作狀態(tài),。該系統(tǒng)不僅需要檢測各種工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)，還需要對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置和控制操作,。利用參數(shù)設(shè)置功能可以實現(xiàn)遠程系統(tǒng)優(yōu)化控制,。利用控制指令還可以控制系統(tǒng)的起動、停車等操作,，這個功能在極端天氣例如風(fēng)暴來襲之前可以人工方式將風(fēng)機制動,，更加安全地保護系統(tǒng)的正常運行。利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以大大降低系統(tǒng)的維護成本,，提高系統(tǒng)的效率,，見圖4。
通過風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)在通信基站上的應(yīng)用,，可以有效解決市電引入非常困難或者根本無法引入的問題,，同時在基站建設(shè)中引入太陽能和風(fēng)能等可再生能源實現(xiàn)節(jié)能降耗目標，為建設(shè)低碳社會做出應(yīng)有的貢獻,。風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng),，在實際應(yīng)用中需要對整個系統(tǒng)綜合考慮以便使系統(tǒng)的應(yīng)用效果最佳。
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