風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（一）

1、風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

典型的通信基站供電系統(tǒng)如圖1所示，主要由交流配電、整流器、蓄電池、直流配電等設(shè)備組成。市電正常情況下，市電直接給交流負(fù)載供電，通過(guò)整流器給直流負(fù)載供電和蓄電池充電。市電異常情況下，通過(guò)蓄電池給直流負(fù)載供電，或通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)切換由燃油發(fā)電機(jī)供電。綜合通信基站供電系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)，主要包括3個(gè)方面：（1）負(fù)載24h連續(xù)運(yùn)行，負(fù)荷平穩(wěn);（2）配置一定容量的蓄電池組;（3）整流器的輸出特性滿(mǎn)足蓄電池充電要求，輸出電流與蓄電池充電狀態(tài)相關(guān)。

圖1 ?通信基站供電系統(tǒng)原理框圖

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組、控制器、蓄電池組、直流負(fù)載等部分組成，該系統(tǒng)是集風(fēng)能、太陽(yáng)能及系統(tǒng)智能控制技術(shù)為一體的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?通信基站風(fēng)光互補(bǔ)節(jié)能供電系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)采用經(jīng)實(shí)踐確認(rèn)可行的直流接入模式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能光伏電池組通過(guò)控制器直接給基站蓄電池組充電和負(fù)載供電。直流接入所需設(shè)備較少，除風(fēng)力發(fā)電機(jī)和控制器外，無(wú)需增加額外設(shè)備，不足之處是直流接入無(wú)法直接為交流負(fù)載供電。直流接入充分利用基站供電系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)備，比較符合基站供電的特點(diǎn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔可靠，能量轉(zhuǎn)換效率較高，比傳統(tǒng)經(jīng)逆變器供電的方式提高效率20%左右。

2、通信基站風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1、通信基站情況

通信基站位于湖南中部某鄉(xiāng)一個(gè)山頭上，海撥高約1092m，且南北走向地勢(shì)開(kāi)闊，太陽(yáng)能和風(fēng)能資源較為豐富，年平均日照時(shí)數(shù)約為2000h，年平均有效風(fēng)時(shí)數(shù)為2500～3000h，全年平均風(fēng)力3～8級(jí)。該移動(dòng)通信基站為1層樓房，含有柴油發(fā)電機(jī)房，基站載頻數(shù)量為6個(gè)，2組500Ah蓄電池，設(shè)備總功耗大約為1kW，無(wú)空調(diào)。

2.2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

2.2.1、蓄電池容量計(jì)算

由于蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的后備電源，蓄電池的性能優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，故選用的閥控式密封鉛酸蓄電池要符合YD/T799—2002的要求，閥控式密封膠體蓄電池要符合YD/TI360—2005的要求。基站設(shè)備為直流-48V供電，故需采用48V蓄電池或蓄電池組。按基站的重要程度，一般來(lái)說(shuō)整個(gè)系統(tǒng)的后備工作時(shí)間要能達(dá)到3天的時(shí)間。但根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笄闆r分析，早晚風(fēng)力較大，中午陽(yáng)光較強(qiáng)，無(wú)風(fēng)無(wú)光日較少，且有市電接入，蓄電池容量配置為滿(mǎn)足基站內(nèi)所有用電設(shè)備1天需求即可。

系統(tǒng)總負(fù)載所需的蓄電池容量為：

Cb=（I×T×K）/（η×〔1+α（t-25）〕）

=100048×1×24×1.25/（1×〔1+0.006×（0-25）〕）

=625/0.85=735.29Ah

式中Cb為蓄電池的容量;I為負(fù)荷電流（A）;T為放電小時(shí)數(shù)（h）;K為安全系數(shù)，K=1.25;η為放電量系數(shù)，η=1;α為電池溫度系數(shù)（1/℃），α=0.006;t為電池實(shí)際所在地最低溫度，按0℃考慮。

經(jīng)過(guò)取整后，蓄電池的容量應(yīng)為800Ah/48V，現(xiàn)有的2組500Ah/48V蓄電池組可滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)資料全年風(fēng)力3～8級(jí)，即風(fēng)速為3～20m/s，年平均日照時(shí)數(shù)約為2000h。作為節(jié)能供電系統(tǒng)，光伏電池板和風(fēng)機(jī)的容量配置如表1。

表1 ?光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置表

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率與額定風(fēng)速選擇原則：雖然風(fēng)能本身并不需要使用費(fèi)用，但作為實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的發(fā)電設(shè)備卻需要成本，在節(jié)能減排風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率直接關(guān)系減排的效果，也直接關(guān)系投資的回報(bào)。相同額定功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，額定風(fēng)速不同時(shí)，發(fā)電量差別非常大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率必須與額定風(fēng)速聯(lián)系起來(lái)才有意義。以9m/s額定風(fēng)速與11m/s額定風(fēng)速的2臺(tái)1kW額定功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相互比較，在5m/s的年平均風(fēng)速和瑞利分布風(fēng)速條件下，9m/s額定風(fēng)速機(jī)組年發(fā)電量約2628kWh，而11m/s額定風(fēng)速僅為1825kWh，低額定風(fēng)速機(jī)組比高額定風(fēng)速機(jī)組多發(fā)了44%的電能。圖3給出了2kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線(xiàn)。圖4給出了年平均風(fēng)速分別為4m/s，5m/s，6m/s，7m/s時(shí)，低額定風(fēng)速機(jī)型與高風(fēng)速機(jī)型的年發(fā)電量差別。

圖3 ?風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率曲線(xiàn)

圖4 ?不同額定風(fēng)速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量比較

當(dāng)以節(jié)能減排為目的新能源供電系統(tǒng)大規(guī)模推廣時(shí)，安裝地點(diǎn)的風(fēng)速資源參差不齊，但通常低風(fēng)速資源較多，風(fēng)速資源豐富區(qū)少，因此，選擇低風(fēng)速機(jī)型尤顯重要。