通信基站节能减排新能源供电系统技术解决方案

节能减排新能源供电系统充分考虑通信基站供电系统的特点，以最直接的方式将新能源供电引入通信基站，其定位非常明确，就是作为基站原有市电供电系统的补充供电方式，通过使用新能源减少基站对常规能源的消耗，并减少因使用常规能源而产生的碳排放和污染气体排放，充分利用新能源。

2.1技术方案简述
 
　　节能减排新能源供电系统采用直流接入方式。在原有市电供电系统的基础上按照减排需要增加一定容量的风力发电机组和配套的控制器，新能源供电系统与原系统在整流器输出直流母线处并接，将新能源直接为蓄电池充电和负载供电。技术方案框图如下图所示，该方案配置了2套1kW风力发电机组为原供电系统补充新能源电能。风机控制器配置通讯接口，可将风力发电机组的运行参数上传至监控中心，也可将监控中心的操作命令下传至控制器。
 
2.1.1标准方案

　　该系统分为绿色能源供电系统和远程监控系统两个部分。
 
　　绿色能源供电系统：主要由2台风机、1套风机控制器、2台泄荷器组成。
 
　　远程监控系统：由远程监控模块、系统服务器、GSM网络（或者CDMA网络）组成。远程监控模块实时读取风机控制器的运行信息，并通过网络将数据反馈给系统服务器。
 
2.1.2 供电评估系统方案
 
　　该系统分为绿色能源供电系统、远程监控系统和绿色能源供电评估系统三个部分。
 
　　绿色能源供电系统：主要由2台风机、1套风机控制器、2台泄荷器组成。
 
　　绿色能源供电评估系统：包括风速测量模块和计量监控模块
 
　　风速测量模块：包括风速仪、风资源评估模块，测量现场实时风速通过远程监控进行记录，可有效了解现场的风资源情况；
 
　　计量监控模块：此模块包含三相交流电表，测量开关电源与通信负载消耗的市电电量；监测基站供电运行情况，切换模块，用于市电和绿色能源供电之间的切换
 
　　远程监控系统：由远程监控模块、系统服务器、GSM网络（或者CDMA网络）组成。远程监控模块实时读取风机控制器的运行信息，并通过网络将数据反馈给系统服务器。
 
2.2 工作原理简述

　　新供电系统在保证原供电系统不变的情况下，增加风力发电作为补充供电部分，风力发电系统只增加风力发电机、风机控制器部分，不需增加储能用蓄电池，系统容量可根据基站的功耗、节能减排比例和安装地的风力资源状况灵活确定。
 
　　风力发电系统通过控制器输出直流电并接入到系统电压直流母线，以蓄电池电压作为能量输出控制点，略高于开关电源模块的输出电压，高出值可控制在1V以内，不影响蓄电池的浮充性能，也不影响直流配电单元对通信负载的正常供电。
 
新能源供电系统运行时，可以按下述几种状态对系统的供电流向进行分析：
 
（1） 风力发电系统有直流输出但功率较小时：由于风机控制器的输出电压较开关电源模块略高，其输出电能被优先配置给负载使用，剩余不足部分功率将会由开关电源模块自动补足。
 
（2） 风力发电系统有直流输出且功率较大时：由于输出电能被负载优先使用，此时负载用电全部来自风力发电系统，原有开关电源模块的输出将基本降为零功率或处于待机状态。
 
（3） 当出现无风天气时，风力发电系统无功率输出：负载用电全部来源于原有开关电源系统，即恢复到原有供电方式；此时风机控制器处于待机状态。
 
（4） 以上各种供电状态均为系统内部的无缝切换，同时风力发电系统与原有市电系统互为热备份，在减少原有系统用电的同时进一步增强了系统供电稳定性和可靠性。
 
　　综上所述，只要风力发电系统工作，其所产生的电能都将被负载优先使用，使节能减排的效益最大化。而在无风条件下，风力发电系统不工作时，原有供电系统继续正常供电，新增系统对正常供电不产生任何影响。
 
2.3 系统特点
 
　　节能减排新能源供电系统深入分析了基站供电系统的应用特点，充分利用原有设备的特性，不需要对原系统进行任何改造，仅需按需要增加风力发电机组的数量即可轻松实现减排，是基站节能减排“开源”的优选方案。新能源供电系统紧密结合基站供电特点，具体表现在：

（1） 通信基站原有供电系统已经配置了一定数量的蓄电池组，新能源供电系统可充分利用原有设备，无需额外增加投资。
 
（2） 通信基站的负荷连续平稳，新能源供电系统可随时向负荷提供电能，实时消耗，无需较大容量的电能储存。
 
（3） 新能源供电系统通过风机控制器控制开关电源模块的输出电能，实时调整供电与用电之间的平衡，通过控制开关电源模块的输出特性，使新能源发电能够优先被负荷消耗。风机控制器实现了新能源供电与市电供电之间的合理调度，调度的目标是新能源发电量最大化和节能减排效果最大化。
 
　　大型风力发电机组往往采用并网发电方式，将风电直接并入电网。随着风力发电技术的日趋成熟，小型风力发电机组也逐步采用并网技术，但作为并网设备的并网逆变器不仅价格较高，而且可靠性不高。通信基站节能减排新能源供电方案充分利用了负载连续运行的特点，将基站负载等效为局部小型电网，通过风机控制器实时调度常规能源发电设备（市电）和新能源发电设备（风力发电机）在局部小型电网内的供电比例，维持整个系统的正常有效运行。其结果是新能源几乎以全部利用的方式给负载供电，很好地解决了离网型新能源供电系统普遍存在的问题。因此，可以说，节能减排新能源供电系统将离网式风力发电机和电网巧妙地结合在一起，既避免了风电并网对电网的冲击，不需要昂贵的并网逆变器，又充分利用了风电，节约了电网的电能，基本达到了风电并网的效果。
 
2.4 风力发电机组的额定功率与额定风速

　　虽然风能本身并不需要使用费用，但作为实现能量转换过程的发电设备却需要成本，在节能减排新能源供电系统中，风力发电机组的效率直接关系减排的效果，也直接关系投资的回报。
 
　　相同额定功率的风力发电机组，额定风速不同时，发电量差别非常大。风力发电机组的额定功率必须与额定风速联系起来才有意义。以9m/s额定风速与11m/s额定风速的两台1kW额定功率风力发电机组比较，在5m/s的年平均风速和瑞利分布风速条件下，9m/s额定风速机组年发电量约2628kWh，而11m/s额定风速仅为1825kWh，低额定风速机组比高额定风速机组多发了44％的电能。下图给出了当年平均风速分别为4、5、6、7m/s时，低额定风速机型与高风速机型的年发电量差别。

　　当以节能减排为目的新能源供电系统大规模推广时，安装地点的风速资源参差不齐，但普遍来讲，低风速资源较多，风速资源丰富区少，因此，选择低风速机型尤显重要。
 
　　在风力发电机组额定功率的选择上，考虑到一般通信基站的功耗在几百至几千瓦不等，1kW额定功率的风力发电机是比较合适的。相对于较大功率的风力发电机，1kW风力发电机重量较轻，一般为几十公斤，运输和安装都非常方便。不同容量的新能源供电系统可根据基站的功耗、减排比例和安装地的风速条件灵活选择1kW风力发电机组的数量。
 
　　单纯以风力发电机组额定功率评估风力发电机组的最重要的要看同等风速下的发电而不是额定功率。一般基站的功耗在几百至几千瓦不等。作为一种可大量推广的标准方案，风力发电机组的单机容量选择非常重要。对于基站的用电规模，选择1kW作为标准单机容量应该是合适的。通过选择不同的单机数量，非常容易适合大多数基站的供电需求。并且，相对于较大功率的风力发电机，1kW风力发电机重量轻，一般为几十公斤，运输和安装都非常方便。可简单地根据基站的功耗、当地基本风速状况和减排比例，选择合适的单机数量。
 
2.5 风力发电机组安装方式
 
　　风力发电机组的通用安装方式有斜拉杆式、斜拉索式、独杆式，塔架形式又可分为单管塔、圆管桁架塔、角钢塔三种形式，安装方式的选择与应用场合有关。
 
　　通信基站一般都设置有较高通信杆塔。针对通信基站应用的特点，如果利用基站的通信杆塔直接将风力发电机组安装合适的高度，那么风力发电机组的整体成本将有较大幅度的下降，而且也省去了因安装风力发电机而产生的繁琐的征地程序。另外，将风力发电机直接安装于通信杆塔从形象上凸显了运营商践行绿色通信的决心和行动。
 
　　风力发电机组通信杆塔直接安装方式的关键问题是安装是否会影响杆塔本身的安全。附录1《角钢塔安装1kW风力发电机组的可行性分析》对塔上直接安装方式进行了详细的载荷计算，证明了标准通信塔杆上直接安装1kW风力发电机组的可行性。同时，针对非标准通信杆塔，给出了塔上直接安装相关建议。
 
下面给出了风力发电机组塔上安装的三种方式
 
1、单管塔
安装高度12-25米，两套风机总塔架重量为：300kg
 
2、圆管桁架塔（三角、四角）
安装高度12-25米，单套风机塔架重量为：190kg，两套总共约380kg
 
3、角钢塔安装（三脚、四角）
安装高度12-25米，单套风机塔架重量为：220kg，两套总共约440kg
 
2.6 新能源供电监控系统
 
　　新能源供电监控系统是节能减排新能源供电系统的重要组成部分。监控系统的主要任务是监测新能源供电系统运行数据，远程控制供电系统的运行状态。
 
　　监控系统内，所有的风机运行信息都一目了然，自动故障报警可大大减少人工巡检的工作量，保障风机设备的连续可靠运行。作为节能减排效果评估的最有效方式，远程监控系统可以提供大量的原始数据，真正实现节能减排目标的监测和评估。通过数据统计分析，能够为节能减排的有效推进提供宝贵的经验。