| 摘要：在国内供给侧结构性改革中,积极响应国家能源变革,扩大新能源占比、开展能源生产和消费革命、推动能源结构转型,构建铁塔通信基站安全、稳定、经济的现代化能源体系,彰显企业社会责任。 |
一、建设要求原则
1）光伏发电,通过太阳能产生的绿色能源为基站提供电力保障,达到降低基站负荷用电需求,节约用电成本的目的。光伏发电系统采用自发自用,余电上网卖电模式,光伏组件的安装容量根据单元塔最大容量安装。光伏组件采用市场通用型多晶硅组件(或单晶硅),安装方便。光伏发电采用双极化系统,市电正常时光伏系统优先选择并网,获得国家和地方补贴,市电断电时,系统自动切换到光伏离网系统,输出48V直流电,继续为蓄电池和负载供电,保证直流供电系统的稳定性。
2）利用退役的动力电池进行梯次利用,梯次电池组循环性能方面及成本优势,达到节省建设和运营成本目的。梯次电池模组按照19inch标准机柜进行模块化的设计安装。
3）铁塔选用单元结构铁塔,其塔面易于安装光伏组件,光伏板层间距不小于2.5m,安装角度为45°(仅限于河北地区),达到减少光伏安装成本,使光伏达到最大发电效率的目的。铁塔基础设计时为机房预留了摆放位置,使铁塔和机房基础合二为一,减少占地面积,缩短施工周期。
4）配置削峰填谷开关电源设备,根据波峰、波谷电价差,利用电池进行分时充放电,达到降低电费开支的目的。在此基础上加入光伏接入功能,系统整流模块分成两组;一组为市电整流模块,一组为光伏整流模块;光伏发电整流模块输入功能;光伏发电整流模块输入电压具备交、直流输入功能,交流输入220V或直流输入190～390V;光伏优先功能;光伏发电整流模块输出电压固定在系统工作电压的上限56～56.4V。
5）直流分路计量,每路直流输出安装直流电子计量表(三大运营商),定时向监控模块发送实时数据,通过监控模块上传监控中心。
6）机房内配置大风量、高能效比的大风量壁挂式基站空调,达到基站内快速降温、节约电能。大风量壁挂式空调出风口宜高于基站内发热设备,室内、外机之间的高度差一般不超过5m,尽量使室外机安装位置低于室内机。
7）站点采用分项计量交流配电箱实现电能分配、电路保护以及多项供电情况的监测，并且将监测的数据上传到FSU动环系统，起到实时监控的目的。
二、建设依据
1）根据发改委文件〔2013〕1638号文件中对分布式光伏发电的补贴价格进行了明确规定,对分布式光伏发电实行按照全电量补贴的政策,电价补贴标准为每千瓦时0.42元(含税),补贴20年。
2）根据国务院出台《节能与新能源汽车产业发展规划(2012～2020年)》中明确提出,要制定动力电池回收利用管理办法,建立梯级利用和回收管理体系,引导生产企业加强对废旧电池的回收利用,鼓励发展专业化的电池回收利用企业。2015年底,国家发展改革委和工信部出台的《电动汽车动力蓄电池回收利用技术政策(2015版)》征求意见稿指出,废旧动力蓄电池的利用应遵循先梯级利用后再生利用的原则,提高资源利用率。梯次电池应用是节能环保、新能源等国家战略新兴产业发展的重大创新,对于推动低碳经济、绿色经济、循环经济的发展具有非常重要的现实意义,利国利民。
3）根据国发[2016]74号文第九条规定,加强电力需求侧管理。推行节能低碳、环保电力调度,建设国家电力需求侧管理平台,推广电能服务,总结电力需求侧管理城市综合试点经验,实施工业领域电力需求侧管理专项行动,引导电网企业支持和配合平台建设及试点工作,鼓励电力用户积极采用节电技术产品,优化用电方式。深化电力体制改革,扩大峰谷电价、分时电价、可中断电价实施范围。加强储能和智能电网建设,增强电网调峰和需求侧响应能力。
三、示范基站选址要求
选取综合节能示范站点时,综合考虑站点地理情况、当地太阳能辐射量以及峰谷电价差等因素。选择平坦地面,自然灾害发生频率低,全年日照辐射量大于4200MJ/m2的地区,##地区有效日照平均小时数为5h。单元铁塔建设需考虑周围无遮挡且安装组件塔面朝向正南,保证在每日9:00-15:00之间太阳能方阵有效日照。
按照要求,##分公司选择一个新建站点开展综合节能示范工作,在充分考虑到运营商需求,供电环境等因素后最终选择##市##区###西村东南作为本次示范基站。
本站点建设位置交通便利，位于##市开发区东外环路边，从京沪高速##出站口出站直接沿东外环向南行驶10km就可到达目的地。基站场地开阔，太阳光照充足，道路宽敞施工方便，如图1所示。
四、具体实施方案
示范站采用新型单元铁塔、配置梯次锂电池、分路计量交流配电箱、双极化光伏设备等新型设备,具体系统图:与传统基站相比,本示范站点采用光伏设备塔身建设,节约空间,降低建设成本;机房采用FRP材料、与铁塔共用基础建设,合理节约占地面积;光伏并网发电自发自用、余电上网享受国家、地方补贴;开关电源集成削峰填谷、光伏接入功能,利用峰谷价差降低基站电费;采用梯次锂电池替代铅酸电池,在能量密度、循环寿命、高温性能等方面具备优势;采用大风量壁挂式基站空调降低空调能耗,达到节能目的。
1.单元铁塔
铁塔采用单元组合式铁塔,简称单元铁塔,单元铁塔采用完全创新的设计理念,实现了不同高度、不同承载能力和不同使用功能的铁塔均由统一的单元构件拼装构成,从根本上解决了铁塔行业标准化、模块化、构件化的难题。单元铁塔不仅在承载力和稳定性方面强于现有的三管塔、角钢塔等塔型,并且有诸多传统铁塔所不具备的优势,如图2所示:
1）构件规格尺寸统一,非常适合机械化、批量化的加工,生产效率大幅度提高的同时,原材料损耗几乎为零,不仅加工速度更快、加工成本更低且加工精度更高。
2）构件完全通用,安装时不必区分位置和次序,也不会因为个别构件的丢失或损坏而停工,因此可极大地缩短施工周期。
3）所有塔面均垂直于地面,十分便于天线设备的安装,也便于爬梯、平台等附属结构的设置。
4）统一的连接节点,具有标准的抗拉承载力,出厂前进行比传统铁塔更严格的成品构件力学测试,安全性更有保证。
5）单元铁塔便于扩展和拆分,建成后铁塔不仅可以进行高度和承载能力的调整,还可以根据不同要求增加或减少搭载光伏的数量,并可实现构件的循环利用。
本基站根据光伏上塔的需求,单元铁塔采取了“T”形单元组合方式。这种组合方式不仅使南向一侧塔面平整,便于太阳能板的排布与安装;而且还可减少上部塔身南北向的风阻,从而实现基础受力的平衡。
本站基础采用现浇筏板基础,设计时为机房预留了摆放位置,使铁塔和机房基础合二为一,减少占地面积。
本基础筏板上设置四道墙梁,基础预埋件埋设在墙梁内。这种设计一方面可增大筏板刚度,减少混凝土用量,另一方面便于日后在墙梁间增加配重,实现增加塔高或天线的目的,施工时通过单元铁塔专用的定位模板,确保各基础预埋件的间距和标高。
2.拼装机房
机房采用FRP新材料拼装机房,利用非金属面、加强金属板、保温耐火芯材通过粘结剂(或发泡)复合而成的保温复合夹芯板,通过标准化模块拼装而成的基站机房。特点是综合传热系数低,可模块化拼装。由非金属面、金属面和粘结于金属与非金属面之间的隔热芯材组成的自支撑的复合板材,具有隔热、高强度、耐火等功能,机房安装在铁塔基础之上,并配有机房防护架,有效提高机房的安全性能。
3.分项计量交流配电箱
在示范基站电源环节中,多种用电方式共存,包括市电供电、油机供电、光伏供电、梯次电池供电等,对其综合节能效果的评估,成为一个综合的系统性问题,需要建立精密精确的计量计费系统进行客观的统计和评价,新型能耗监控系统平台可满足前述要求。
本站采用新型分项计量交流配电箱,如图3所示,设备通过无线IP采集器实现了基站、机房、机楼、管理用房等,用电场所的数据采集并上传到用电耗能监控平台,实现用电量、电价的统计分析和应用管理。可实时准确计算出示范站光伏发电、梯次电池供电与油机发电的电量、电费单价,为后续建站选择更优的用电方式提供有效判断依据。实现电表信息管理、采集器状态监控、不同用电方式电价比较、与动环系统、代维系统实现数据对接等功能。
配电箱采用智能电表计量基站能耗,智能电表支持直流、交流多回路计量,每路都可测量电流、电压、频率、有/无功功率等参数。支持GL/T645-2007,MODBUS,铁塔集团动环的多种通信协议,确保与现有动环系统互联互通。电源输入方式支持AC380V、AC220V、DC48V多种,可适应多种不同的应用场景。
新型智能电表采集:油机发电量、光伏发电量、梯次锂电池削峰填谷电量、市电电量,把相关电量数据通过FSU上传到动环系统、同时通过无线采集器上传到能耗监控平台,能耗监控平台统计处理后计算出准确的不同用电方式成本,以供后续建站选择更优的方式。系统构成如图4所示。
4.光伏设备
光伏系统由光伏组件、逆变器、并网配电箱、光电互补电源(开关电源)梯次铁锂电池组、负载等组成。光伏“双极化”发电系统是将光伏离网和并网两种系统相结合,市电正常时,逆变器将光伏的直流电转换成交流电,优先采用并网发电,享受国家和地方的财政补贴;市电停电时,光电互补电源将光伏不稳定的直流电转换成稳定的直流电,继续为梯次锂电电池组供电,保证基站负载的稳定运行,避免资源浪费,实现用电收益最大化。光伏“双极化”发电系统具备以下优势:
1）就近供电、无污染、使用寿命时间20-25年。
2）光伏发电与单元塔结合,利用塔高采用分层式安装;构成光伏建筑一体化发电系统,不需要单独占地,可节省土地资源。
3）与开关电源相结合,分时间段控制,实现削峰填谷的功能,节省电费。
4）本站市电正常时,系统优先选择并网,获得国家和地方补贴,提高铁塔收益。
5）本站市电停电后，系统自动切换为48V直流输出，保证基站的设备稳定运行。
5.开关电源削峰填谷
通过新型开关电源依据国家电网制定的不同时段电网的负荷不同,电费采用分段计价的规定,开光电源通过对基站供电系统的控制,把用电“负荷”从用电高峰“卸载”到用电低谷。利用谷电时段,将电能转换成化学能储存;用电高峰时段将化学能转换成电能,对通信设备供电,利用梯次电池的特性及光伏发电量峰时与电价的关系从而实现“削峰填谷”如图5所示。
具备以下优势:
1）根据电网电费分段计价的特性,获取电费差价;
2）充分利用了梯次动力锂电池可以多次深、浅度充放电,并且拥有可以快速充电的优势;
3）完美结合光伏发电量较高时段,避开高价电,更多利用低价电,降低了基站的用电费用。
6.梯次磷酸铁锂电池
该站采用梯次锂电池组,电动汽车退役的动力电池,虽已不能满足汽车的使用条件,但仍然拥有一定的剩余容量,其寿命并未完全终止,通过筛选、配组使用在通信机房,充分发挥其剩余价值,降低基站造价,节约能源,保护环境,如图6所示。与传统的铅酸电池相比,梯次电池性能在以下方面具有优势:
1）循环寿命长
传统铅酸电池组的循环寿命为300次,削峰填谷使用期限不到一年。而梯次锂电池组的循环寿命为1500次,使用时间可达4.1年。
2）耐高温
磷酸铁锂电热峰值可达350℃～500℃,电池工作温度范围宽(0℃～+55℃)。铅酸电池稳定工作的温度范围25℃～28℃,温度升高会损坏电池,减少电池使用寿命。
3）高能量密度
磷酸铁锂电池产品重量比能量可超过120Wh/Kg(0.2C,25℃),体积比能量为210Wh/L;铅酸电池产品重量比能量为32～37Wh/Kg(0.2C,25℃),体积比能量为70Wh/L。
4）大电流充放电
磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电,起动电流可达5C,铅酸电池现在无此性能,所以磷酸铁锂电池充电时间短。
5）绿色环保
磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，无毒(SGS认证通过)；铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，仍将对环境够成二次污染。
综上所述,梯次电池的寿命是铅酸电池的5倍;磷酸铁锂电池在同规格容量的情况下体积仅为铅酸电池的约1/3,重量是铅酸电池的约1/3。同时,磷酸铁锂电池可以大电流充放电,充电速度快;无记忆效应,无论电池处在任何状态,均可以随时充随时用,无须先放空再进行充电,而铅酸电池均无法达到。磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属,称为绿色电池,对环境污染小;铅酸电池中却存在着大量的铅,在其废弃后若处理不当,将对环境够成严重污染。磷酸铁锂电池与铅酸电池在相同温度,相同存放时间的情况下,自放电率低。
因此，梯次电池相比铅酸电池在循环寿命、能量密度、高温性能等方面具备一定优势，各项性能指标优于铅酸电池，表1给出了两类电池的性能比较。
7.大风量小晗差空调整体保障
该站使用节能大风量壁挂式基站空调,相比传统的基站空调除了具有远程监控、延时启动、来电自启等基本功能外,重点对室内机结构形式、送风方式进行设计改进。由传统壁挂式的贯流风扇、落地式的离心风扇,调整为轴流风扇。充分利用轴流风机电机效率高,风量大的特点,解决传统空调室内机风量小、显热比低和流道不流畅的问题。空调悬挂位置高,空调冷空气由正面大范围送出,采用大风量、高速风机将冷风送到机柜前面并充满整个基站中、下部,保证基站内温度场均匀,避免设备局部过热,同时该机型回风口在机器后部且位置高,可以直接从基站上部将较热的空气吸入空调进行降温处理,相比传统基站空调回风口低吸入温度低空气的处理模式,提高了基站热空气的处理效率,从而有利于空调能效的发挥。
空调风量提高到3000m3/h以上(是目前空调的3倍),空调能效比提高到3.6-4.0;显热比提高到0.9以上,基站内部空气循环次数增加,以标准站为例,每小时站内空气循环次数由26次提升至67次,温度分布更均匀,避免设备局部过热,同时提高制冷效率和冷量有效利用率。综合平均节电率能达到30%,图7示出了该系统的结构示意图。
8.基站FSU监控
该示范站中除了传统基站重需纳入监控的设备外，本次采用的新型技术和设备全部纳入FSU监控。
1）基站数据采集单元(以下简称FDCU)是将采集到的模拟量、数字量、图像、智能设备信号进行分析,存储处理,传输到监控中心,实时掌握基站/机房动力及环境状况。同时,根据监控中心的控制命令,执行相应的远端控制操作。
2）功能特点:基本配置提供9路AI通道,4路DO通道。9路AI通道中6路通用AI/DI测量通道、3路蓄电池总电压采集通道。提供2个扩展板插槽、串口扩展板、可扩展4路RS485串口、采集扩展板、可扩展8路通用AI/DI通道,8路DI通道。具备专用的常用传感器接口,包括:提供3路蓄电池总压采集通道;提供6路门磁开关、6路烟感、5路水浸采集端口、1路红外、1路数字温湿度采集端口、支持4个温湿度端口和8个温度端口。
同时提供1路RS232/RS485兼容接口,7路RS485接口。提供1路USB接口,可以导入配置文件或外接USB设备。提供4路IP接口,支持IP组网。可扩展无线模块,支持无线3G/4G/5G组网,提供本地存储功能。若在主通信中断后,可以在本地存储45天以上的数据。提供运行程序和智能设备通讯协议程序远程下载和本地下载功能。提供设备自诊断、故障自定位功能。提供实时时钟的管理功能。
五、结论
光电互补、削峰填谷在铁塔基站供电系统的实际应用,实现了标准化、模块化、构件化的应用模式,将“光伏、塔、机房一体化”、“动力电池梯次利用”、“削峰填谷”“自发自用、余电上网”、“分户计量”、“大风量节能空调”等一系列节能减排新技术，综合应用在示范基站上，不仅使节能效益最大化、保护环境，而且实现了基站建设模块化、管理智能化、维护简便化，具有建设灵活、节能减排、可靠性高、适用范围广等特点。
在市电相对稳定地区,采用太阳能控制器输出端和开关电源输出端并接供电方式,同时利用磷酸铁锂电池组的循环能力强的特点,进行削峰填谷和分时供电的方法,可有效降低能耗,是节能减排的有效技术手段。
随着光伏产业和磷酸铁锂电池的不断发展,太阳能和磷酸铁锂电池的价格将逐渐降低,太阳能和磷酸铁锂电池组配合的新能源供电系统,在通信铁塔基站的应用必将广泛,削峰填谷和分时供电节能减排效果将更加突出。
作者简介
高健,中国通信标准化协会通信电源专业委员会副主席,中国通信学会电源专业委员会副主任委员。
邢殿辉,电气工程专业研究生学历,工程师,中国联通集团云网运营中心电源主管。
武亚波,中国联合网络通信有限公司廊坊市分公司电源主管,本刊编委。
编辑：Harris
评论表单加载中...
