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低成本、节能减排的基站后备动力保障——站点叠光方案
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发表于 2021-09-26 11:27:13  只看楼主 

摘要 “蓄电池备电+移动油机应急发电”是有市电区域最基本的基站后备动力保障配置方案。由于该种方案的诸多缺陷,使其造成基站断电故障的第一因素。传统叠加光伏方案存在太阳能利用不充分、影响电池充电管理等问题,采用兼容太阳能输入的开关电源系统叠光,可以低成本实现高效益。支持叠光的通信电源系统有利于在运维期间动态调整配置,针对应急发电上站次数较多的基站实施叠光,能最小化叠光投资,在提高动力保障的同时长期节省电费和应急发电成本。对于频繁需要上站应急发电的基站叠加小功率太阳能系统,可大幅度降低应急发电成本,并持续节省电费,投资回报周期小于三年。

 



电源作为通信系统的心脏,是通信网络建设的坚实基础和根本保障。目前可供通信基站使用的电源种类主要包括市电、柴油发电机、汽油及燃气轮发电机、风能发电、太阳能光伏供电、风光互补供电等。

 

据调查,目前我国通信基站的数目早已超过60万个,仅基站的年耗电量就已超过80亿kwh。如果考虑配套的空调、电源和传输设备,耗电量还将大幅增长。通信基站选用市电、柴油发电机、汽油及燃气轮发电机作为供电系统,一方面给运营商带来了较大的运营成本,同时也给环境带来巨大污染。顺应国家节能减排的战略政策,提升通信基站的节能环保性能,改变基站现有的供电方式,建设绿色通信基站,已逐渐成为一个不可忽视的重要问题。

 

1减少停电断站是通信动力系统建设与维护的第一要务

基站稳定运行是通信网络高可靠和高可用的基础,由于停电的不可避免和某些地域的供电质量不理想,基站需要合理的后备动力保障方案。目前,蓄电池+移动油机是最常用的后备动力保障方式。停电时,由蓄电池支持基站工作,当蓄电池因放电时间较长将要退服或出现故障时,移动油机将成为现实可用的备用电源,保障基站运行不中断。

移动油机后勤保障复杂,需要有人值守,有噪声和废气污染,使得这种应急发电保障有困难。通过对基站通信中断原因分析,平均57%网络中断与基础站配套相关,停电是引起网络中断的第一原因。

在基站容量一定的条件下,蓄电池容量取决于后备时长要求,后备时长必须大于应急发电上站时间,并留有足够的余量。对于频繁停电的基站,如果具备小型固定油机安装条件,可安装固定油机。不具备固定油机安装条件的基站,适当增配电池,如郊县、农村、山区的备电时长可分别增至5710h。对于通信负载平均功率为2kw的站点,备电7小时,需要配置一组500Ah蓄电池,电池成本很高。移动油机作为应急保障电源,停电时安排发电人员上站发电,需要支付应急发电费用。

应急发电成本包括上站人工费用、发电油费、移动油机摊销成本,上站人工费用与当地劳动力成本相关。以停电高发的农村站点为例,若平均月上站次数超过一次,按应急发电成本每次420元计,每年单站应急发电成本至少需要5040元,发电成本很高。

减少停电断站、提高通信网路质量是通信动力系统建设与维护的第一要务。采取增配蓄电池延长备电时长、提高应急上站发电次数或安装固定油机等,都可以降低停电断站率,提高通信网络质量,但是这些方案的成本都很高。站点叠光是一项对于低成本、高可靠、节能环保的实施方案。

 

站点叠光方案的原理

站点叠光方案是指在站点电源基础上叠加太阳能供电,安装仅满足通信负载功率需求的太阳能电池板,优先使用太阳能供电的方案。站点叠光方案的原理如图一所示(图中保留了应急柴油发电机组)图中,柴油发电机组是“蓄电池+移动油机”方案中的应急电源,只有在市电停电,且蓄电池的后备时间无法满足不间断供电的要求时,才用以应急供电。在采用站点叠光方案时,不再应用应急柴油发电机组,在市电发生故障时,才用太阳能光伏发电系统保障基站的正常供电。在无市电供应的海岛和边远地区,较大的容量的太阳能光伏发电系统作为主供电系统保障基站的正常供电。为保障基站的可靠运行,也可将柴油发电机组作为备用电源。

传统的光伏系统与电源是两套不同的系统,单独采用不同的监控,管理起来比较麻烦。站点叠光方案不但集成了太阳能供电功能,还集成了监控系统,做到两者的一体化管理,这无疑提升了运营管理的功率。另外,电源叠光还需要合理的调度逻辑。如前所述,与无市电地区的光混方案不同,市电稳定地区的太阳能不作为唯一的能量输入源,而是作为节能的手段,有时需要电网与光能结合供电;站点对供电可靠性的要求也相对更高。不过现在的站点一般配有备电电池,通过监控根据不同环境实现太阳能模块、整流模块与备用电池的综合可靠调度也早已经实现了,能够很好地实现节能效益和供电可靠性之间的平衡。

站点叠光方案的发展前景和应用

(1) 站点叠光方案的经济效益

叠光后,如果基站停电发生在有日照的时段,可以不需要应急发电。由于深夜通信业务较少,夜晚上站发电相对危险等因素,实际很少夜间发电。此外,由于移动油机普遍不防雨且室内发电危险,雨天一般也不发电。经过测算,采用叠光方案的站点,可以减少80%以上的上站应急发电成本,并降低由于应急发电不及时带来的断站风险。

3-5年是合理的投资回顾周期。某一实例,叠光方案总投资2.2万元,只要每年节省超过4400元,就值得投资。一个2KW站点年省电按2920元计,只需要每年节省1480元应急发电费用既可满足5年投资回报要求。按每次发电成本380元计,对于年上站应急发电需求4辞以上的站点,都值得投资叠光方案。如果太阳能发电可获得补贴,如0.42/度,每年补贴1226元,加之站点都或多或少存在应急发电需求,对所有具备安装太阳能条件的站点普遍叠光,会具备非常好的投资回报。一个单位营商2G/4G站点或两个运营商单制式共享站典型负载平均功率接近2KW,可配置一个3KW太阳能模块和9×250Wp太阳能电池板,只需要净占地面积13平方米。当安装面积不足时,可以欠配安装,如只安装1.5kw太阳能电池板,停电时不足的功率由电池补充,使原来的只能备电3H的站点(300Ah电池)在阳光较好时备电时长延长至12h以上,同样能大幅度减少应急发电次数。

(2) 技术成熟,站点电源叠光实用性提高

当前,叠光技术已经发展得比较成熟,站点叠光能够带来切实持续的效益。但在实际应用中,站点叠光方案尚需解决三大问题:如何降低部署成本、太阳能发电更加高效以及统一管理界面(见图2

①  传统站点叠光方案

目前绝大多数正在运行的站点都是按蓄电池+移动油机的应急方案建造的。在运用站点叠光方案时,通常采用图一所示的方案,称之为传统站点叠光方案。

传统叠光方案指在站点内增加一套独立的太阳能系统,太阳能模块输出的直流电直接与存量开关电源直流输出并联,太阳能系统与开关电源互相独立。由于需要优先使用太阳能,太阳能系统输出的开路电压应高于开关电源。对于传统叠光方案来说,太阳能系统输出电压设置非常关键,不合适的设置会导致部分甚至全部太阳能被浪费。当开关电源或太阳能系统电压测量电路出现偏差时,也可能发生同样的结果。此外,开关电源均充时,由于电源输出电压更高,这段时间内太阳能无法被利用。

开关电源具备蓄电池管理功能,能限制最大充电电流以保护蓄电池使用寿命。当太阳能系统输出高于设置时,过高的电压使电池过充。由于叠加的太阳能功率大于负载功率是常态,在蓄电池需要充电时,多余的太阳能功率也会对电池进行充电,使电池充电电流大于开关电源设定的充电限流值,蓄电池实际充电电流与开关电源系统测量值不一致,不利于蓄电池充电管理。

开关电源都有温度补偿功能,但开关电源温度补偿功能无法与太阳能系统关联,温度降低时,电源浮充电压升高,导致太阳能浪费;而温度升高时,太阳能输出电压不变,使电池加速充电失水。如果取消开关电源温度补偿功能,太阳能可以得到充分利用,但会影响蓄电池的使用寿命。

为了充分利用太阳能,保护电池寿命,对于传统叠光方案需要准确配置太阳能电池板数量,谨慎设置太阳能系统和开关电源电压,并取消电池温度补偿功能,在温度变化不大的室内站点使用。

太阳能通信基站光伏控制系统介绍.jpg

② 模块化的站点叠光方案

随着电力电子技术与数字信息技术融合发展,电源模块控制芯片内含软件和算法,使硬件功能可由软件定义,称为“软电源”(SDP,Software Defined Power,可以很方便地实现不同功能模块兼容。太阳能模块与整流模块兼容就是典型的软电源特性,采用兼容太阳能的开关电源系统,就能任何适合的站点在电源模块位置插入太阳能模块,不需要采购独立的太阳能控制系统,除了太阳能电池板采购及安装费用外,只需要从开关电源厂家购买一个太阳能模块即可。

由于太阳能模块与整流机模块兼容,通过同一个监控模块控制,不论太阳能功率大小,也不论蓄电池需求电压高或低,都会优先调度使用太阳能,使太阳能全部得到利用。太阳能模块和整理模块的输出电压统一控制,并与电池温度补偿同步,蓄电池充放电管理功能完全不受影响。因此,部署站点时宜优选支持叠光功能的电源系统,引导全行业电源向多功能兼容方向发展。对于存量宜叠光站点,如果存量电源部署高效电源且无法直接替换高效模块,优先采用多功能高效电源改造。

在新建通信基站时,建议采用模块化的站点叠光方案。

③ 通信基站叠光供电方案的应用

通信基站的叠光供电方案,在全球不同市电场景下已经得到成功的部署,在欧洲等市电稳定地区站点也陆续应用,持续在业务与环境两方面产生显著的效益。

意大利某运营商一向注重节能减排,是叠光供电方面较为领先的运营商。

某大型跨国运营商的新能源混合供电也应用甚广。自2007年以来,华为公司与其合作新能源创新解决方案,并成功应用于不同的子网,取得了良好的效果,实现二氧化碳排放大幅减少。

近日,索瑞德中标中国铁塔股份有限公司西部某省分公司2016年全省新建基站太阳能产品采购项目,索瑞德将为客户提供稳定高效的光伏控制系统解决方案,保质保量地满足基站工程建设需求,在提高动力保障的同时为客户长期节省电费和应急发电成本。

随着可再生能源的发展和经济效益,社会效益的充分体现,太阳能叠光供电

、风光互补供电、燃料电池供电等新型的供电构架将在通信基站获得更加广泛的应用。

结束语

引入太阳能为站点供电,不但为站点的节能减排提供了清洁高效的新型解决方案,而且只能可靠、支持不同场景下的平滑叠光演进。成熟化的技术能有效帮助运营商打造优化环保的星级站点。



 

参考资料

                                       叠光创新,低成本实现基站动力高保障,C114中国通信网

 

作者简介

                                          林芫君男,本科毕业,深圳索瑞德电子有限公司技术部,开发工程师。


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