1 引 言

 根据有关资料显示，中国是单位GDP能耗最高的国家之一。2007年8月，国资委对157家中央企业提出了节能减排的新目标。按照国资委要求，到“十一五”末期，电信央企要确保完成单位增加值能耗降低20%，主要污染物排放量减少10%的目标。为完成国资委的要求，国内各大运营商提出了各自的节能减排目标。中国移动提出2010年单位业务量耗电量比2005年下降40%；中国电信也提出绿色运营、绿色采购、绿色产品的“三绿”概念，明确要求单位改造项目节电率不低于10%。^[1] 

 从发展低碳经济角度来看，未来的必然选择是建立“绿色通信”，而中央通信企业早已迅速开始了绿色通信行动，将“绿色”融入整体战略中。因此，利用太阳能作为供电方式的基站电源系统面临着极好的发展机遇。
 为了实现国家倡导的节能减排目标，河南省南阳

移动通过基站改造试点工作，理解并掌握了光电互补电源系统的技术适应性、实施的方式和方法，通过较小的投入和风险，获得了较大的减排收益。

2 通信基站光电互补电源系统的应用前景

 随着我国经济建设的持续稳定发展以及通信技术的进步，无论是移动通信、微波、广播和电视转发，还是卫星通信，都各自在全国建立了一定数量的通信基站，分别形成了一个覆盖全国的通信网络。目前，通信基站的建设已从最初期的城市内建设向城镇乡村发展，在未来的几年，还将更多地向不发达的西部地区、偏远山区发展。这些地区基础设施条件差、供电质量低，一般采用农电、小水电供电。此外，由于通信基站分布面广，维护工作量大，且不易到达，为满足这种特殊需要，太阳能光伏发电与市电相结合就成为这些通信基站供电的最佳选择。光电互补电源系统在通信基站供电领域有着广泛的应用前景。

 以河南省南阳移动城乡接合部的大井基站为例，其在2010年某一个月内交流停电次数高达9次，持续时间达439.8分钟，市电其他异常次数也达到9次，属于市电质量较差地区，时有掉站情况发生。大井基站距离市区很远，建站位置处于大面积农田之中，工程人员维护困难，尤其在阴雨天时道路泥泞，车辆无法通行，更增加了维护难度，基站运行可靠性受到严重制约。

 在这种市电不稳定地区实施光电互补系统改造方案，可以顺利达成国家下达的节能减排目标，同时有效提高基站供电系统的可靠性。

3 MPPT型光电互补系统工作原理

 光电互补系统的示意图如图1所示。

图1 光电互补系统 （图中的‘光电互补系统’删除）

 MPPT型光电互补系统由模块化的供电单元和相关配电组成，其太阳能最大功率跟踪（MPPT）模块（简称光模块）和接入市电的整流模块（简称电模块）的输出都并联在系统直流母排上，蓄电池组、负载也并联在直流母排上。光模块和电模块共同为蓄电池组和负载提供电能，其中系统默认光模块优先输出电能，即白天有太阳能时光模块优先发电提供负载和电池。当光强足够时可由光模块独立支撑负载和电池，并维持系统稳压输出；当光强不够时由电模块补充。

 光模块优先供电主要是通过在光电互补系统的监控单元中设定不同的输出电压来实现。由于光伏板具有防反二极管，太阳能MPPT模块具有防反灌电路，高频开关电源整流模块具有反向逆止二极管，使得两者的输出电压即使不相等也不会形成环流，损坏设备。

 由于不同的使用环境对基站电源系统节能的要求不尽相同，本光电互补系统可分为“节能”和“稳定”两种节能工作模式。

 若对系统节能率期望较高，一般设置为“节能”模式，白天太阳能提供负载之余还给电池充电，晚上则主要依靠电池提供负载；下一个白天继续利用太阳能给电池充电和提供负载，只有在太阳能或电池不足的情况下才启用电模块。此方案可以最大限度使用太阳能，但对蓄电池循环充放电的要求较高，一般可在新建基站中推广应用。

 对于将原有的电源系统改造为光电互补系统的情况，一般对改造前后的系统稳定性期望较高，不希望原有系统的输出电压设置有较大变化；另外，原有电源系统的蓄电池一般不适用长期循环充放电，因此系统可以选择“稳定”模式工作。在此模式下，白天由光模块和电模块共同提供负载和电池，晚上由电模块单独提供能量，电池仅用作保护备电以防止交流停电导致的掉站事故，系统输出电压持续稳定。此次改造的光电混合系统的节能模式为“稳定”模式。

4 南阳移动光电互补系统改造方案

4.1系统改造要求

 基站光电互补电源系统的改造要求如下。

（1）可节能

太阳能优先供电，市电作为补充，光电互补系统的电池管理采用统一方案，实现一体化控制。

（2）可统计

系统节能数据可检测、可上传、可汇报、可核实，系统统计数据完整可靠。

（3） 可维护

系统故障率低，可在线维护。

（4） 可扩容

可根据负载容量的增减灵活扩容，并且可实现在线扩容。

 （5）系统安全

系统改造过程不掉站，无需割接，改造后系统运行安全可靠。

4.2系统改造内容

 系统改造的主要内容是在原有纯电系统中加入太阳能输入，并将电模块与光模块输出直接并接，由原开关电源监控单元进行统一管理，实现光电互补系统的一体化。光电互补系统改造方案如图2所示。

图2 系统改造方案示意图

 光模块的接入方式采用了高度为标准1U 的19英寸插框，体积小，安装灵活，与原有纯电系统尺寸兼容，可在线改造，无需割接，无改造风险。此外，光模块支持热插拔功能，维护方便，可在线扩容，具备了加入改造系统的重要条件。

 整个区域的基站电源监控网络拓扑如图3所示。

图3 光电互补基站监控网络拓扑

 在监控网络拓扑中，原基站电源内部监控单元为了兼容光模块也需要进行改造，主要体现在一体化电池管理和一体化通信方面。由于监控单元支持在线升级，因此可以在线维护，无改造风险。监控改造主要包括以下内容：
　　 ⑴　系统监控单元自动识别模块类型，将光模块与电模块融合到监控的统一管理序列中；
　　 ⑵　太阳能优先供电，保证最大化利用太阳能，采用“稳定”和“节能”两种工作方式满足不同需求；
　　 ⑶　统一的电池均浮充管理，保证多能源输入对电池管理的一致性；
 　　⑷　基站节能数据的采集及上传，满足统计需求。

4.3系统可靠性

 光电互补电源系统改造后的运行可靠性包括：
　　支持在线改造，无需割接，无改造风险；
　　 光电互补一体化电源系统，提高市电不稳定地区的系统供电可靠性；
　　 与原开关电源系统完全兼容，保证系统改造前后持续运行可靠；
　　 光电互补电源系统电池统一管理，保证电池均浮充管理一致；
　　 模块化热插拔设计大大降低系统故障处理时间，提高系统可用性。

5 光电互补系统节能效果及稳定性分析

 改造后的MPPT型光电互补电源系统试运行近一个月后，从监控单元采集到系统太阳能发电量及发电分布如图4所示。

图4 系统太阳能发电量

 系统运行期间，市电总发电量为466度，由此可计算出英南基站在测试期间的节能率为：太阳能总发电量 / (市电总发电量+太阳能总发电量) = 25.0％。

 试点基站在测试时间内交流停电情况较为严重，共出现了9次交流停电且均发生在白天，停电总时间为439.8分钟，系统电池放电量为5.1Ah。测试期间基站运行正常，没有出现掉站事故。

对于没有光伏输入的纯电系统来说，交流停电后电池独立支撑负载持续放电，对电池容量影响很大；而对于光电混合系统来说，白天交流停电后还有太阳能来支撑负载，明显减小了电池放电时间和放电量。根据监控统计数据可知总交流停电时间为439.8ms，负载平均电流为19A，若为纯电系统则电池总放电量应为139.27Ah；而实际上光电互补系统的电池放电量仅为5.1Ah，即光伏板承担了134.17Ah的放电量，光伏发电所占比例达96.3％。此时光伏板的发电量可以提供大部分负载，显著减小了电池放电量，增加了系统备电时间，有效保证了基站供电系统的稳定性。交流停电时光电互补系统与纯电系统在维持电池容量的效果对比如图5所示。

图5 光电互补系统与纯电系统的对比

6 南阳移动光电互补系统改造价值

 光电互补系统的太阳能部分采用MPPT工作方式，对太阳能的利用率持续高效，并且系统无论采用“节能”模式还是“稳定”模式，太阳能部分始终优先供电，只有在光强不足时才由市电补充，可轻易达到节能减排的目的。

 ⑵　在系统运行周期内可节省一笔用电费用，同时顺利完成节能减排目标

以目前的系统配置，白天太阳能平均可承担一半负载，预计系统年节电量在2596度左右，按照商业用电价计算每年一个基站可节约近3000元。

 每节约1度市电量，除了节省1度的电费之外，还意味着节约近0.4kg标准煤、减少0.272kg炭粉尘排放、节约近4L净水、减少近0.785kg二氧化碳排放[2]。据此，南阳改造基站一年可减排2038kg二氧化碳以及706kg炭粉尘，顺利完成减排目标。

⑶　有效降低因市电停电带来的维护成本

 白天在市电停电情况下可由太阳能供电，大大减少了应急发电次数，有效降低了基站的掉站率和维护成本。

 ⑷　延长蓄电池使用寿命

 相对于原纯电系统，光电互补系统在选择“稳定”模式时，由于系统输出电压与前者基本无异，但增加了白天太阳能输入，因此能有效减少电池放电次数和放电深度；在选择“节能”模式时，电池放电次数和放电深度均有所提高，可采用太阳能专用循环充放电型电池，以期达到理想的使用效果。

若与纯光电源系统相比，无论选择“稳定”或“节能”模式时，由于有了电模块作为补充，电池放电次数及放电深度均大为降低，电池使用寿命得到明显提高。

7 结束语

 MPPT型光电互补电源系统改造方案适用于太阳能资源较丰富、市电较差和雨季较多的地区。光伏和电网组成的电源系统可以显著提高电源系统的可靠性，实现为偏远基站的供电，同时削弱了对单纯市电的束缚，从而提高了基站网络覆盖率。对于市电不稳定地区，可有效提高供电可靠性，降低掉站率，可大规模应用于有市电的地区。在节能方面，系统在“稳定”模式下可有效节能25%，若采用“节能”模式则可节能30％以上。相对于纯光电源系统，通过这种市电与太阳能互补利用，可以减少太阳能极板的配置数量（约20％），有效降低系统初始投资和运行维护费用，有利于完成大区域内通信基站节能减排的目标。

參考文獻
　　中国电信集团节能减排指导意见(2010版）[M].2010。
　　王志新，刘立群，张华强．风光互补技术及应用新进展[J]. 电网与清洁能源。2006(11)：19－20。

　　 ⑴　最大化利用太阳能，达到节能减排目的