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MPPT技术助力运营商打造绿色能源网络0

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来源: 作者: 2019-03-13 12:11:33

1 前言

随着中国通信市场的迅速发展,3G建设速度不断加快,各通信运营商都在快速布局3G基站。预计到2011年基站数量将超过40万。随着基站数量的突增,2009年三大运营商电力消耗已近290亿度,其中基站的设备能耗就占据了通信络设备能耗的90%,巨额电费成为运营商无法回避的成本问题。以中国联通为例,目前旗下已有25万个2G站点,8万余3G基站,每年仅电费支出要超出30亿元人民币。从节能减排、低碳环保的角度讲,通信行业在发展过程中庞大的能耗也受到了国家的特别关注。

环境可持续发展是中国与全世界共同面临的重大议题。当前,高耗能的经济增长方式和工业结构导致严重的环境污染,能源和环境对中国经济增长的威胁日益增加,直接威胁经济发展的可持续性。为此,中国政府提出要加大攻坚力度,确保节能减排取得重大进展。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》将节约资源和环境保护作为基本国策,明确提出“建设资源节约型、环境友好型社会”,并设定了到2010年单位GDP能耗要比2005年降低20%的节能减排目标。

基于这些现状,各大运营商理智地面对3G基站建设,认真考虑解决能耗问题,纷纷开始采用节能环保新技术,2007年中国移动在通信业率先提出以节能减排为核心的“绿色行动计划”,以“绿色”为中心,建设风光新能源站点。低碳技术、充分利用新能源的基站节能解决方案正日渐被通信运营商关注和应用。

以太阳能为基础的可再生能源带动基站运行是最好的应用模式。各运营商一方面在偏远无市电地区发展独立太阳能或风光互补供电基站,如中国移动已经在西藏建成全球通信领域最大的太阳能基站群,中国联通和中国电信也在新疆、青海、内蒙古等地开始进行太阳能基站的建设;另一方面由于独立太阳能或风光互补供电基站存在一次性投资大、电池寿命短、风光资源的区域性限制、供电可靠性相对较差的特点,限制了该类方案在基站节能方面的大规模应用,目前主要应用在荒漠、高山、海岛等偏远无市电及市电造价过高地区。

如何提高太阳能系统的利用效率,实现太阳能组件在不同使用条件下的最大功率输出,更有效地利用新能源,这对太阳能电源系统的低成本络建设发展及其重要。为满足基站大规模利用可再生能源的需求,陕西新通智能科技有限公司潜心研发十年的具有MPPT技术的新能源供电系统,全面提供光电互补系统解决方案,具有太阳能最大功率自动跟踪MPPT)结构的高技术产品(以下简称MPPT)控制器。除具备一般太阳能电源控制器的功能外,还能大幅提高太阳能电池和电源系统的输出功率(20%~30%),与普通太阳能控制器相比较,在负载相同的情况下,使用MPPT控制器可减少客户的站点投资,或在投资相同的情况下,可向更大容量的客户通信站点供电。该方案采用太阳能输入优先、市电补充、电池后备的供电方式,最大化利用太阳能,可大范围大规模应用于太阳能资源丰富或可利用地区的众多通信基站,以帮助运营商达成节能减排指标,建设低碳络,树立企业形象。

太阳能电池是太阳能的能量转换设备,这是众所周知的科普知识。但很少有人知道,在对太阳能的利用中,还有相当一部分“死角”未被充分开发,从而在可再生能源的开发利用方面形成了相当的浪费。很显然,引入先进的控制技术,进一步优化现行控制设备,最大限度地挖掘可再生能源的裕量“死角”,是太阳能应用领域的高端突破。

国内的以太阳能为基础的电源系统大部分为离型供电系统,大部分太阳能控制器控制功能简单,主要存在以下问题:

l 系统利用效率低,不能让太阳能电池组件输出最大功率;

l 对蓄电池的充放电管理功能较差,蓄电池运行寿命短;

l 控制器对系统的监控和管理功能较差;

l 系统为非模块化设计,扩容改造难度大。

以上问题是否可以得到有效解决,是否能够提高太阳能系统的利用效率,实现太阳能组件在不同使用条件下的最大功率输出,这对太阳能电源系统的发展极其重要。

通信节能的理念对于我们来说,就是在满足通信可靠性要求的前提下,最大限度地利用风光等绿色能源。为此我们在两个方面进行了细致的研究。

(1)最大限度地提高太阳能、风能电源的系统工作效率

近年来,太阳能电池价格虽有大幅回落,但所占系统投资比例仍在60%以上,因此,如何在满足使用的前提下,尽可能提高太阳能电池发电效率,减少太阳能电池用量,大幅降低系统投资就是目前应关注的重点。那么,在通信太阳能电源中引入太阳能最大功率跟踪MPPT技术,使得太阳能系统的工作效率提高就是一个良好的解决途径。

(2)对于存在多种能源输入可行的站点,引入多能量输入模式为通讯负载供电,在风、光、电、油、蓄等混合能源系统中设计能量使用优先权

在一体化混合能源系统中,设计了能量优选使用功能,供电优先使用太阳能、风能电能;电、油能源作为式候补电能,自动补足太阳能、风能的欠缺部分;蓄电池作为系统的“机动”电能,在市电供应有规律的站点,合理参加供电组合,使得在不影响系统供电可靠性和蓄电池使用寿命的前提下,最大限度地利用风光资源。采用风光油电蓄互补一体化供电系统,能保证重要基站全年供电不间断供电。

2 太阳能电池的输出特性曲线

图1 不同太阳能辐照度下太阳能电池的输出特性曲线

图1的电流-电压特性曲线显示了通过太阳能电池(组件)传送的电流I与电压U在特定的太阳能辐照度下的关系。如果太阳能电池电路短路,即U=0,此时的电流为短路电流;如果电路开路即I=0,此时的电压为开路电压。太阳能电池的输出功率等于流经该电池的电流与电压的乘积,即P=IU。

从图中可以看出,当太阳能电池的电压上升时,通过增加负载的电阻值或太阳能电池的电压从0(短路条件下)开始增加时,太阳能电池的输出功率亦从0开始增加;当电压达到一定值时,功率可以达到最大;这时,当阻值继续增加时,功率将越过最大点,并逐渐减少至0,即太阳能电池达到开路电压。太阳能电池输出功率达到最大的点称为最大功率点;该点所对应的电压,称为最大功率点电压Um;该点对应的电流,称为最大功率点电流Im;该点的功率,则称为最大功率Pm。

由此可见,太阳能电池的输出功率不仅受到日照、气温等自然环境的影响,在同等自然条件下,输出功率也会受到负载特性的制约。若要获得最大功率输出,则应将太阳能电池的输出电压稳定在最大功率点电压Um。

以85 Wp太阳能组件为例,在不同的光照下,虽然太阳能电池的最大功率随辐射度下降而降低,但最大功率对应的电压点(最大工作电压)却几乎不变,均为18 V附近。不同照度下,组件功率分布曲线如图2所示。

85W

68W

41W

最大工作点电压:18V

图2 不同照度下,组件功率分布曲线

如果我们在太阳能控制器中引入MPPT(maximum power point tracker,最大功率跟踪)技术,使得太阳能组件始终追踪其最大工作点,那么相对于早期的PWM脉宽调制型控制器、方阵投切型控制器来讲,最大功率跟踪型控制器系统增加的输出功率就会增加很多,如图3所示。

3 MPPT型控制器

MPPT型控制器在太阳能电池的输入端有一个MPPT电路,它是采用高频开关电源工作方式设计的太阳能控制器。它利用内部的斩波器将太阳能方阵输入的波动直流电能转换成脉冲电能,再通过内部的脉冲变压器将脉冲电压调整到需要的电压值上,最后经过输出稳压滤波器输出给负载。

MPPT型控制器的工作原理框如图4所示。

MPPT型控制器的工作等效电路如图5所示。

在控制器工作时,按图5所示不断地给阵列输出电压的脉冲以一个电压增量(±ΔU)。假设测得阵列当前的输出功率为Pd,被存储的前一时刻的功率为Pj,若通过乘法器计算测得Pd>Pj,则取U=U+ΔU后再测量和比较;反之,测得Pd<Pj,则取U=U-ΔU后再测量和比较,直至实时搜索到阵列的最大输出功率点,并动态地保持它。

图6 扰动观察法实现MPPT的过程示意

控制器后部的高频脉冲变压器将最大功率点的脉冲电压(64~70 VDC)变换为负载的供电电压(43~57 VDC),变压器在降压过程中,电压降低,电流增大,因此使控制器输出给负载的电流大于太阳能方阵提供的输入电流,实现了太阳能电池的最大功率点输出,提高了系统的工作效率。

环境温度越低,太阳能的最大功率点电压就越高,此时输入电压也就越高;太阳能控制器的输入输出压差越大,系统的效率提高也就越大。

太阳能电池最大功率跟踪的好处在于:早晨温度低,蓄电池亏欠,输入输出压差大;冬季虽然照度小,但温度低,使得输入输出压差也大,这都使电源系统在关键的时候,得到更大的输出功率。

4 MPPT型制器的优势

(1)具备MPPT功能,系统工作效率高,节约投资

蓄电池稳压型控制器自身工作效率较高,一般可以达到98%以上,但是因为控制器输出电压受蓄电池电压钳制,无MPPT功能,系统的工作效率只能达到80%左右。

直流-直流变换型控制器具备MPPT功能,系统的工作效率决定于控制器的转换效率,目前直流-直流变换的效率可达到94%,故直流-直流变换太阳能控制器的系统工作效率可以达到92%以上,相对于蓄电池稳压型太阳能控制器可以提高约10%的系统利用率,相应可以减少10%的太阳能组件配置而不降低输出功率,太阳能电源系统的建设成本可以大幅降低。

陕西新通智能科技有限公司2008年4月在泰尔实验室、2008年8月在黑龙江省进行了两次MPPT型控制器与蓄电池稳压型控制器的对比测试。两次测试均采用相同容量的控制器,并接入相同容量和规格的太阳能电池组件进行对比。

第一次测试为简单的实时输出功率对比,实际测试结果为具备MPPT功能的控制器比不具备MPPT功能的控制器输出功率高15%以上。

第二次测试分成以下两种方法进行:

①测试MPPT控制器与PWM控制器,在相同太阳能电池方阵(3000Wp)输入、相同负载(5Ω)时,其输出总功率的差异,此测试结果为MPPT比非MPPT控制器输出总功率增大51.8%;

②测试MPPT控制器与PWM控制器,在相同太阳能电池方阵(3 000 Wp)输入情况下、相同负载(300 W)、相同荷电状态的蓄电池组(48 V/1 000Ah,放电至80%容量)时,此项测试进行了两次,测试结果分别为MPPT比非MPPT控制器输出功能增大12.0%和9.0%。

以中国通信行业每年需采购太阳能电池组件容量为10 MWp为例,如果全部采用具备MPPT功能的控制器,可以至少节省太阳能组件容量:10 MWp×10%=1 000 000 Wp。

按2010年平均采购价格15元/Wp计算,可以节约太阳能组件采购成本: 1 000 000 Wp ×15元/Wp=15 000 000元。

同时,太阳能组件、支架的安装、运输成本也相应减少,其地基基础建设可以相应减小规模,同样可以节约可观的投资。

目前,MPPT型控制器在所有各型控制器中价格居中。由此可见,若在太阳能电源系统中采用MPPT型控制器可以节约大量投资。

(2)模块化设计,系统的可靠性高

MPPT型控制器是一种模块式太阳能控制设备,可以采用N+1的工作方式组建控制系统,设备的电能管理由多个模块共同承担,系统工作可靠性大大提高。模块化的设计也便于设备的使用和维护。

其系统与高频开关电源相似,太阳能组件被分成多个子方阵,每个子方阵分别连接至不同的直流-直流变换稳压模块;系统由多个直流-直流变换稳压模块并联组合而成,模块输出侧的正极和负极分别汇流到直流配电公用正极和负极汇流排。每个模块均为独立的可插拔式单元,单个直流-直流变换稳压模块故障时,不影响其他模块正常工作。

具有多种输入能量选择功能,太阳能优先,上一级能量不足时,不足部分由下一级自动补足,蓄电池电能只有在最需要时才启用,充分延长蓄电池的待机时间。

MPPT型控制器是稳压输出模式,系统不依靠蓄电池组稳压,蓄电池的优劣不影响控制模块的正常工作;系统也可在切除蓄电池组的情况下正常为负载供电,可随时拆卸检修蓄电池;而蓄电池稳压型控制器在蓄电池失效或者拆除时,系统无法正常工作。

(3)对蓄电池的充放电具有很好的管理功能

MPPT型控制器可以采用统一的监控管理模块,根据蓄电池的荷电状态,调整控制器的输出电压至浮充电压值或者均充电压值(也可以调整输出电压值为恒定值)。控制器可以依据蓄电池的电压、充电电流准确判定蓄电池是否充满,从而调整输出电压。

MPPT型控制器的太阳能方阵始终挂接在系统初级回路上,负载连接在次级回路上;太阳能方阵不需分组,不存在甩接,只是输入电压、电流的占空比会产生变化,因而在日照较好的天气中,不会让蓄电池组充满后放电,可以充分延长蓄电池的待机工作时间。

(4)扩容性好、维护方便

MPPT型控制器采用模块化设计,可实现N+1方式扩容;而蓄电池稳压型控制器无法实现N+1方式扩容。

MPPT型控制器采用模块化设计,模块可互换,易于维护。

(5)监控功能

离型太阳能电源系统建设站点一般都比较偏远,维护距离远、难度大,因而远程监控尤其重要。

MPPT控制器具有监控功能,具备RS-232/RS-485通信接口并提供相应的通信协议。控制器可以监控以下内容:直流输出电压高、蓄电池组端电压过高、蓄电池欠压、太阳能控制器故障、蓄电池充电电流、负载电流和控制器总输出电流。推荐控制器应增加以下监控内容:控制器机箱内温度、蓄电池温度、控制器机箱外温度、太阳能电池组件被盗和蓄电池实时端电压。

5 MPPT节能减排推算

我国2009年用于离型太阳能电源的建设资金将不少于100亿元人民币。考虑到可再生能源的发展已被提高到国家能源战略的高度加以认识和实施,故若以每年30%的速率翻番来预计,应该是符合我国太阳能发电事业的现实情况和发展势头的。现将以上述参数作3年增量核算,则离型太阳能电源MPPT控制系统的大规模应用所带来的经济和社会效益请见表1。

表1 2010~2012年离型太阳能MPPT控制系统全国应用增产节能减排状况

6 能量使用优先权设计

在现有基站通信系统中,往往存在一体化多能源输入,如图7所示,采用一体化控制器系统,在多能量输入时采用能量优先权设计,使用太阳能、风能优先、市电、油机补充、电池后备的供电方式,最大化利用太阳能、风能等绿色能源,可大范围、大规模应用于太阳能、风能资源丰富或可利用地区的众多通信基站,以帮助运营商达成节能减排指标,建设低碳络,树立企业形象。

DC-DC风能

控制模块

DC-DC太阳能

控制模块

AC-DC

开关电源

XST-C485

中心控制模块

直流配电

二次下电逻辑控制

蓄电池管理

+ -

+ -

+ -

风电机组

整流卸荷器

油机

RS232/485

/485口

液晶显示

交流电、油机

太阳能电池

负载1

负载2

负载3

蓄电池组1

蓄电池组2

蓄电池组3

通讯络

新通科技

监控软件

图7 风光油电一体化电源控制系统结构示意

一体化控制器为模块化组合结构,太阳能、风能、市电、油机功率模块均为独立的“恒压源”,具有稳压功能和防反灌功能,并能够自由设定各模块的工作电压(电动势),并机“线与”工作。一体化控制器采用电位比较法排列能量的使用顺序。太阳能、风能电能经各自模块整流稳压后,其输出的电位被设置为同一电位,列为第一级别(最高级别),因此,只要风、光能量具有输出能力,在系统需要时一体化控制器能够同时利用太阳能、风能能量。

简单地描述,太阳能电源的本质是一个充电器,不论在均充还是浮充状态,系统的实际输出电压都等于蓄电池组的电压。新通控制系统中太阳能、风能模块和交流模块、油机模块是直接并联在母排上,相当于“线与”在一起,如果蓄电池组亏电,只要模块的设置工作电压(以后简称电动势)高于蓄电池组电压(暂不考虑防反灌二极管的压降),各个模块都具有输出能力(图中的Uo);当充电的蓄电池组电压升高,设置电动势低于蓄电池组电压的功率模块将失去供电能力。竞争输出原则是:电位低的模块不可能阻停电位高的模块,电位高的模块可以阻停电位低的模块。新通充分的利用了电压源线与的竞争输出原理,实现了各个模块的供电顺序控制。当两个模块的输出电压设置相同时,其输出能力也一样,这就实现了太阳能、风能同时被利用的要求。

当然不会可能设置出完全一样的电动势,实际使用时,同一供电级别的各个模块,设置的电动势会有很小的差异,肯定会出现竞争输出这样现象,即发生电动势高的模块阻止电动势低的模块输出的现象。但对于蓄电池组而言,特别是在接近饱满时,已经不需要很大的能量,只要满足需要,不论是太阳能还是风能模块提供电能,都是利用了风光能源,对系统输出特性没有影响。

由于太阳能比风能稳定可靠,当两个能源都能够输出,且可以二选一时,我们会侧重选择太阳能供电,因此,新通在设置太阳能模块电动势时,会略微高于风能模块0.1V左右。(同一级别的市电和油机模块的处理方式也一样,可以二选一时,市电模块会略微高于油机模块0.3V左右。)

两个模块的工作电动势一样时,本应该是均流输出,而有等同的输出功率。不过,由于太阳能和风能的输入端能量是变化的,等同电动势的风能和太阳能模块并联在一起,太阳能风能的输入功率不同时,其模块的输出功率也会相应不同。通过设计,只要模块的输入端的能量能够驱动控制模块电路本身的启动功耗,模块就能够有恒定的工作电动势。这样当等同电动势的模块输入的能量不同时,模块的输出能量会与其输入能量等比增减,使每个等同电势的模块都有相应的能量输出,达到最佳的输出效果。不会因模块的输入端能量的不同,造成弱势模块雪崩式的阻断停机。此性能体现在N个等同电动势的太阳能模块或风能模块上。

图 8 一体化控制器各类模块连接方式等效图

7 结束语

目前,新通公司研发生产的具有MPPT技术的太阳能供电方案已经在新疆、西藏、四川、青海、内蒙、云南、黑龙江、辽宁、宁夏、海南、浙江等几十个省市电信运营商使用,解决了同样的投资,能够增加10%的太阳能基站,并延长节省蓄电池的更新周期,为电信绿色新能源低成本建设做出了巨大贡献。

作为新能源解决方案的先锋,新通智能科技有限公司基于MPPT技术打造的可再生能源解决方案在可用性、可靠性、灵活性、智能化等方面都独具优势。随着国家节能减排战略的不断推动,这一解决方案将帮助运营商更好控制成本,同时也为中国的节能减排事业做出更大的贡献。

[作者简介]罗路佳,1983年毕业于陕西师大;1983年~1997年,任教师,电子电路的教学和实验工作;1997年~2010年,负责太阳能通讯电源的研发和市场推广,在建设节能环保的通信络中积累了丰富的MPPT技术的太阳能电源研发和应用经验。现任陕西新通智能科技有限公司总经理。

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