太阳能基站能量供给的处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种太阳能基站能量供给的处理方法，包括以下步骤：获取部署太阳能基站系统所在地的气象数据，并在阈值时间内统计小区用户的服务请求率和用户的平均服务时长；根据小区用户的服务请求率和用户的平均服务时长，计算在阈值时间内基站的能耗均值和能量消耗率；根据基站的能耗均值和能量消耗率，得到所对应的储能电池的容量数据；由获取部署太阳能基站系统所在地的气象数据得到太阳能基站能量采集率，根据太阳能基站的能量采集率、基站的能量消耗率和储能电池的容量数据计算得到对应太阳能电池板的面积数据。本发明提供的太阳能基站能量供给的处理方法旨在保证太阳能基站的服务质量以及储能电池使用寿命的前提下，最优化太阳能基站的成本。
【专利说明】太阳能基站能量供给的处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能发电和移动通信【技术领域】，尤其涉及一种太阳能基站能量供给的处理方法。
【背景技术】
[0002]随着移动通信产业飞速发展，为了不断满足日益增长的系统容量、带宽，以及为了提高用户的服务质量，基站的部署密度也要求越来越高。在这样的趋势下，移动通信网络的能量需求也呈几何增长。由于可再生能源在能量供应当中，具有分布广泛、无碳排放等优点，将可再生能源(如太阳能)引入移动通信网络成为时代发展的趋势。但与此同时，由于太阳能与气象、环境等因素密切相关，因此，太阳能具有时间与空间的随机性。而如何对以太阳能作为能量供给的太阳能基站进行合理的设计是保证基站系统可靠工作的前提与首要解决的问题。
[0003]图1为现有技术中太阳能基站系统架构与组成示意图。
[0004]如图1所示，现有技术中太阳能基站系统主要由以下子系统构成:发电子系统110、控制子系统120、储能子系统130和负载子系统140。其中:
[0005]发电子系统110:太阳能电池板111作为太阳能基站系统中的能量采集部分，利用半导体材料的光电效应将辐射到其表面的光能转变为电能，其输出功率与太阳辐射强度、环境温度和太阳能电池板尺寸等因素相关。
[0006]控制子系统120:包括电压变换器DC/DC121和能量控制器122。能量管理器对系统中的能量流动过程进行管理和控制，以确保系统的稳定运行。例如，根据太阳能发电与负载用电情况对储能电池的充、放电控制等。
[0007]储能子系统130:包括逆变器131、电压变换器DC/DC132和蓄电池133，当太阳能电池产生的电能大于基站能量需求时，过剩的电能储存在蓄电池133中；相反地，当系统发电量不足或负载电量增加时，蓄电池133将向基站释放所存储的能量，以保证基站覆盖区域中移动用户的服务质量。
[0008]负载子系统140:基站141作为系统中的能量消耗部分，为移动用户142提供无线服务，其能耗大小依赖于众多因素，例如，覆盖区域大小，区域内用户的服务时长，基带处理能耗等。
[0009]现有技术中太阳能基站系统的设计方法主要是将太阳能基站系统的设计问题看作是一个目标优化问题，通常是为了获得更好的经济效益，在安装地的气象数据和基站能耗数据的基础上，以供电系统的稳定性和可靠性为约束条件，对太阳能电池板和储能装置的容量进行优化设计。但是，由于太阳能电池板受到气象条件的影响，功率输出不稳定，而基站耗能依赖于用于用户行为，具有时变性；同时，储能系统自身又具有自身的非线性特性。因此，太阳能基站系统的优化设计属于复杂系统的优化问题。
[0010]在现有技术中太阳能基站供电系统中，张俊霞在“应用分析，2013(4):45_47”《太阳能光伏供电系统在通信基站的节能应用》中主要采用采用经验的设计方法。杨晓宇，王运涛在“电力系统通信，2007，28 (176):47-50,63"《通信基站太阳能供电系统设计》中根据日平均有效光照强度、温度和日照时间等资源状况以及储能电池容量和充满所需时间，在按照基站的日能耗量确定的前提下，设计太阳能电池板的容量。为保证系统供电的可靠性，系统设计确保太阳能电池板的日能量输出大于基站的日能量消耗。G.Piro等人在 “Internet Computing, 2013 (I): 32-39”《HetNets Powered by Renewable EnergySources:Sustainable Next-Generation Cellular Networks》中假设已知基站的额定功率，计算满足基站正常工作时，太阳能电池板的功率输出大小，同时在标准测试条件下(即太阳辐射强度为1000W/m2)得到太阳能电池板的设计面积。在储能电池设计过程中，通过假设连续的日照天数和无日照天数，设计储能电池容量。这种设计方法虽然旨在提高可再生能源的利用率和提高系统供电的可靠性，但是，粗糙的计算方法会使系统设计不尽人意。而采用经验估算的太阳能基站能量供给的处理方法会造成系统装机容量严重不足或者过剩现象。
[0011]太阳能基站系统属于太阳能供电系统中的一种。在太阳能供电系统设计中，基于静态指标的系统设计方法正逐渐受到学术界和产业界的关注。
[0012]Hongxing Yang 等人在 “Solar Energy, 2007.(4): 1026-1033”《Optimal sizingmethod for stand-alone hybrid solar—wind system with LPSP technology by usinggenetic algorithm》中提出了系统设计指标“负载缺电率”(LPSP,Loss of Power SupplyProbability)来评估系统供电的可靠性，该指标定义为发电系统亏欠负载系统的功率与评估期负载总功率之比。
[0013]艾斌，沈辉等人在“太阳能学报，2003，24⑷:540_547”《风光互补发电系统的优化设计一CAD设计方法》提出采用计算机辅助设计(CAD:Computer Aided Design)的方法,该方法首先计算所有满足负载要求的太阳能电池板与储能装置的组合值；然后，计算所有组合相对应的全年功率供给亏欠率LPSP ;最后，根据总投资成本最小化的原则筛选出一组满足用户给定系统可靠性的系统设计。
[0014]综上所述，现有技术主要存在的缺点主要有以下几点:
[0015](I)太阳能电池的功率输出受到气象条件的影响，在时间上具有不确定性；基站能耗受到多方面因素的影响，其大小也是动态变化的；储能子系统，尤其是电池储能系统充放电过程中呈现非线性特性。传统设计方法主要采用静态分析与设计方法，忽略了太阳能基站系统运行中的动态和非线性特性，无法保证所设计系统的可靠性与鲁棒性。
[0016](2)传统设计在基站能耗计算方面采用粗粒度的估算方法，无法准确得到基站能耗与基站覆盖范围，小区用户服务时长等因素之间的关系，从而在设计过程中无法得到准确的基站能耗特性。
[0017](3)传统设计方法主要从满足供电侧需要设计评估指标出发，缺少对太阳能基站系统各组成部分可靠性、稳定性的评估指标，无法保证储能电池使用寿命、太阳能利用率等，从而无法保证所设计太阳能基站系统长时间可靠、经济的工作。
【发明内容】
[0018]本发明的目的是针对上述问题，提供了一种可以节约成本、稳定和可靠的太阳能基站能量供给的处理方法。[0019]为实现上述目的，本发明提供了一种太阳能基站能量供给的处理方法，包括以下步骤:
[0020]获取部署太阳能基站系统所在地的气象数据和基站的静态功率，并在阈值时间内统计小区用户的服务请求率和用户的平均服务时长；
[0021]根据所述基站的静态功率、所述小区用户的服务请求率和用户的平均服务时长，计算在所述阈值时间内所述基站的能耗均值和能量消耗率；
[0022]根据所述基站的能耗均值和能量消耗率，计算所述阈值时间内储能电池释放的总能量，根据所述释放的总能量得到所对应的储能电池的容量数据；
[0023]根据部署太阳能基站系统所在地的气象数据，计算太阳能基站的能量采集率，根据所述太阳能基站的能量采集率、所述基站的能量消耗率和所述储能电池的容量数据计算得到对应太阳能电池板的面积数据；
[0024]所述气象数据包括所述基站所在地的日照强度和温度。
[0025]优选地，所述方法还包括所述太阳能电池板与所述储能电池的能量转换步骤。
[0026]优选地，所述基站在所述阈值时间内消耗的总能量包括静态部分和动态部分，在所述阈值时间内所述基站消耗的总能量为:
[0027]Ebs — Ebs, J η.BS+EBS，s
[0028]其中，Ebs为所述基站消耗的总能量，EBS，d表不基站能耗的动态部分,Ebs，s表不基站能耗的静态部分，Hbs为功率放大器的效率因子。
[0029]优选地，所述基站在所述阈值时间内消耗的总能量的计算步骤具体包括:
[0030]计算所述基站功率放大器对单个用户的发射功率；
[0031]根据所述发射功率和用户的平均服务时长，计算所述功率放大器对单个用户的发射能耗；
[0032]根据基站的服务用户数量、服务时长和用户分布，计算所述功率放大器的总的发射能耗和所述基站消耗的总能量。
[0033]优选地，所述储能电池容量的计算步骤具体包括:
[0034]计算所述基站消耗的总能量Ebs的期望E [^5]:
[0035]
【权利要求】
1.一种太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，包括以下步骤: 获取部署太阳能基站系统所在地的气象数据和基站的静态功率，并在阈值时间内统计小区用户的服务请求率和用户的平均服务时长； 根据所述基站的静态功率、所述小区用户的服务请求率和用户的平均服务时长，计算在所述阈值时间内所述基站的能耗均值和能量消耗率； 根据所述基站的能耗均值和能量消耗率，计算所述阈值时间内储能电池释放的总能量，根据所述释放的总能量得到所对应的储能电池的容量数据； 根据部署太阳能基站系统所在地的气象数据，计算太阳能基站的能量采集率，根据所述太阳能基站的能量采集率、所述基站的能量消耗率和所述储能电池的容量数据计算得到对应太阳能电池板的面积数据； 所述气象数据包括所述基站所在地的日照强度和温度。
2.如权利要求1所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述方法还包括所述太阳能电池板与所述储能电池的能量转换步骤。
3.如权利要求1所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述基站在所述阈值时间内消耗的总能量包括静态部分和动态部分，在所述阈值时间内所述基站消耗的总能量为:
Ebs 一 Ebs； J rI bs+Ebs, s 其中，Ebs为所述基站消耗的总能量，EBS，d表示基站能耗的动态部分，Ebs，s表示基站能耗的静态部分，Hbs为功率放大器的效率因子。
4.如权利要求1或3所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述基站在所述阈值时间内消耗的总能量的计算步骤具体包括: 计算所述基站功率放大器对单个用户的发射功率； 根据所述发射功率和用户的平均服务时长，计算所述功率放大器对单个用户的发射能耗； 根据基站的服务用户数量、服务时长和用户分布，计算所述功率放大器的总的发射能耗和所述基站消耗的总能量。
5.如权利要求1所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述储能电池容量的计算步骤具体包括: 计算所述基站消耗的总能量Ebs的期望E [^5]:
6.如权利要求1或5所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，根据部署太阳能基站系统所在地的气象数据，计算太阳能基站的能量采集率，根据所述基站能量消耗率和得到的所述储能电池容量，计算出所述太阳能电池板的面积数据步骤。
7.如权利要求2所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述太阳能电池板与所述储能电池的能量转换步骤具体包括: 所述太阳能电池板将太阳能转换为电能并向所述基站供电； 当所述太阳能电池板转换的电能无法满足基站的需要时，所述储能电池为所述基站供电； 当所述太阳能电池板转换的电能无法满足所述基站电能的需要时，所述储能电池为所述基站供电； 当所述太阳能电池板转换的电能超出所述基站电能的需要时，所述储能电池存储额外的电能； 在所述储能电池电能存储过程中，当所述储能电池电量为充满状态时，所述太阳能电池板将多余的电能溢出。
8.如权利要求6所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述计算出所述太阳能电池板的面积数据步骤具体包括: 计算所述太阳能电池板的输出功率及在所述阈值时间内所述太阳能电池板的能量采集率； 根据所述太阳能电池板与所述储能电池的能量转换步骤，计算出所述太阳能基站系统的服务中断概率、弃光率和储能电池放电率；根据所述太阳能基站系统设计指标为约束条件，以最小化太阳能基站系统的投资成本作为优化目标，建立优化问题，并对所述优化问题进行求解，得到最优的太阳能电池板的面积数据的设计方案。
9.如权利要求8所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述建立优化问题具体包括:
min g (A) XA
S.?.Poutage ^ S outage?
P discard ^ discard?
Y I 5? Y ≤ Yh.其中，ε outage和ε discard分别为所述太阳能基站系统允许的服务中断概率和弃光率，P—为服务中断率，P—为弃光率，Y为储能电池放电率，[Y I, Yh]为电池放电率的最佳工作区间，g(A)为与太阳能电池板的面积数据A相关的投资成本函数。
10.如权利要求8所述的太阳能基站能量供给的处理方法，其特征在于，所述服务中断率P—和弃光率P—分别为:
【文档编号】H04W52/00GK103763761SQ201410047321
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月11日 优先权日:2014年2月11日
【发明者】李宏佳, 王恒, 陈鑫, 王泽珏, 霍冬冬, 慈松, 赵志军, 谭红艳 申请人:中国科学院声学研究所