王 龍

(上海艾臨科智能科技有限公司, 上海 200231)

0 引 言

我國5G基站的建設(shè)運(yùn)營模式主要采用中國鐵塔建塔、引電建設(shè)基礎(chǔ)配套設(shè)施,移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大主運(yùn)營商租塔、安裝設(shè)備并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的模式,運(yùn)營電費(fèi)由鐵塔代運(yùn)營商統(tǒng)一向電力部門繳納。5G基站開通后電費(fèi)成本開支已高于鐵塔租費(fèi),巨大的5G基站耗電量已經(jīng)成為阻礙5G和制約行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。尤其是在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)國家“雙碳目標(biāo)”的大背景下,如何在通信基站中實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化和管理,實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能的目標(biāo),是一個(gè)值得研究的課題。

1 通信基站儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用背景

近年來,電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差日益增大,可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)滲透率的不斷提高又進(jìn)一步導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰壓力增大。利用儲(chǔ)能裝置在負(fù)荷高峰時(shí)期放電,負(fù)荷低谷時(shí)期從電網(wǎng)充電,減少高峰負(fù)荷需求,節(jié)省用電費(fèi)用,從而達(dá)到改善負(fù)荷特性、參與系統(tǒng)調(diào)峰的目的。通過實(shí)施削峰填谷,可以提高電力系統(tǒng)設(shè)備的利用率并且延緩或減少發(fā)-輸-配電環(huán)節(jié)設(shè)備的擴(kuò)容與升級。 用戶側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施目標(biāo)為節(jié)省電費(fèi)、最大限度套利[1-3]。

目前,典型基站供電系統(tǒng)如圖1所示。市電進(jìn)入交流配電箱,除了一部分帶基站空調(diào)照明監(jiān)控等交流負(fù)荷,大部分供給開關(guān)電源,由開關(guān)電源輸出通信設(shè)備所需的48 V直流電。由于要保證供電的穩(wěn)定性,防止停電,一般基站機(jī)房還設(shè)有備電。

圖1 典型基站供電系統(tǒng)

基站設(shè)備負(fù)荷一般波動(dòng)很小,全天持續(xù)不間斷供電,基站用電的成本模式有轉(zhuǎn)供電和直供電模式。直供電電價(jià)按國網(wǎng)公司的一般工商業(yè)電價(jià)執(zhí)行,分尖峰谷三個(gè)不同電價(jià)。浙江省2022年一般工商業(yè)用電分時(shí)電價(jià)如圖2所示。

圖2 浙江省2022年一般工商業(yè)用電分時(shí)電價(jià)

我國目前絕大部分省市均已實(shí)施峰谷電價(jià)制,通過降低夜間低谷期電價(jià),提高白天高峰期電價(jià),來鼓勵(lì)用戶分時(shí)計(jì)劃用電,有利于電力公司均衡供應(yīng)電力,降低生產(chǎn)成本,并避免部分發(fā)電機(jī)組頻繁啟停造成的巨大損耗等問題,保證電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。儲(chǔ)能系統(tǒng)用于峰谷電價(jià)套利,用戶可以在電價(jià)較低的谷期利用儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)電能,在用電高峰期使用存儲(chǔ)的電能,避免直接大規(guī)模使用高價(jià)的電網(wǎng)電能,如此可以降低用戶的電力使用成本,實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)套利。由于存在巨大的峰谷電價(jià)差,電網(wǎng)公司通過價(jià)格機(jī)制,引導(dǎo)用戶側(cè)需求,平抑電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)。因此,在現(xiàn)有基站供電系統(tǒng)中加裝一體化的儲(chǔ)能電源柜,在電價(jià)低谷時(shí)充電,電價(jià)尖峰及峰值時(shí)放電,綜合降低基站的用電成本是一種行之有效的手段。

2 通信基站儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

基站儲(chǔ)能系統(tǒng)方案主要有兩種,一種是僅并網(wǎng)方案,一種是離并網(wǎng)方案。

僅并網(wǎng)方案中,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拓?fù)浜唵?完全不需要改變基站交流側(cè)原有的配電電路,只需將整體儲(chǔ)能裝置看做電流源,并接在交流側(cè)主回路接入處即可。

離并網(wǎng)方案中,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜,需要將快速無縫切換開關(guān)串接在基站交流側(cè)主回路上,因此存在一定的功耗損失,并且也存在著一定的失效風(fēng)險(xiǎn)。但可以離網(wǎng)運(yùn)行,為基站提供二次備電,具有靈活高效的特點(diǎn)。

智能通信電源系統(tǒng)主要由智能配電模塊、PCS雙向儲(chǔ)能變流器模塊、儲(chǔ)能電池簇(磷酸鐵鋰電池)、消防系統(tǒng)、本地監(jiān)控系統(tǒng)、EMS能源管理云平臺(tái)等組成。

2.1 智能配電模塊

交流輸入采用3極斷路器,具有短路和過流保護(hù)功能;同時(shí)在電網(wǎng)側(cè)、負(fù)載側(cè)以及儲(chǔ)能側(cè)分別具備單獨(dú)電力儀表,同時(shí)集成計(jì)監(jiān)控/通信功能,對用電進(jìn)行計(jì)量。

2.2 PCS雙向儲(chǔ)能變流器模塊

僅并網(wǎng)PCS雙向儲(chǔ)能變流器拓?fù)淙鐖D3所示;離并網(wǎng)PCS雙向儲(chǔ)能變流器拓?fù)淙鐖D4所示。儲(chǔ)能電池及光伏接入,自動(dòng)切換光伏供電和儲(chǔ)能電池供電模式,交流側(cè)同時(shí)可集成配置并網(wǎng)快速無縫切換裝置,實(shí)現(xiàn)基站離網(wǎng)運(yùn)行。

圖3 僅并網(wǎng)PCS雙向儲(chǔ)能變流器拓?fù)?/p>

圖4 離并網(wǎng)PCS雙向儲(chǔ)能變流器拓?fù)?/p>

2.3 儲(chǔ)能電池簇選擇(磷酸鐵鋰電池)

本系統(tǒng)儲(chǔ)能電池需要頻繁充放電,充放電頻率為2次/天,因此鉛酸蓄電池不適用,本系統(tǒng)采用儲(chǔ)能電池為磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池在使用壽命、充放電、使用環(huán)境溫度、綠色節(jié)能環(huán)保、重量和體積等方面優(yōu)于普通鉛酸蓄電池。

同時(shí)采用兩級BMS系統(tǒng),一級系統(tǒng)BMU,主要是用于單體電芯的電壓、溫度采集與保護(hù)控制;二級系統(tǒng)BCU,主要是整體電池簇的電壓、電流、溫度采集與保護(hù)控制;保護(hù)級別分為三級,一級降功率、二級停止充放電、三級直流繼電器直接跳閘斷開。

2.4 消防系統(tǒng)

儲(chǔ)能電池柜內(nèi)采用七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng),同時(shí)對溫度、煙霧以及可燃性氣體等環(huán)境要素進(jìn)行檢測,并且為實(shí)現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站的全方位保護(hù),火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)具備和站內(nèi)氣體滅火系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、智能輔助控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的功能。

2.5 本地監(jiān)控系統(tǒng)及EMS能源管理云平臺(tái)

本地監(jiān)控系統(tǒng)通過RS-485通信的方式對交流電力儀表、PCS雙向儲(chǔ)能變流器模塊、儲(chǔ)能電池簇管理單元進(jìn)行管理與監(jiān)控,并可通過數(shù)據(jù)傳輸單元DTU將數(shù)據(jù)傳輸回云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的集中化管理,為后期云平臺(tái)專家系統(tǒng)提供基礎(chǔ)底層數(shù)據(jù)庫支撐。

3 系統(tǒng)實(shí)施

3.1 實(shí)施方案

針對基站現(xiàn)有配電系統(tǒng),在交流配電箱后引入ESS儲(chǔ)能系統(tǒng),在電價(jià)低谷時(shí),通過ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS給儲(chǔ)能電池充電,在電價(jià)高峰時(shí),由儲(chǔ)能電池反向放電,以實(shí)現(xiàn)峰谷套利。同時(shí),在儲(chǔ)能系統(tǒng)中引入光伏,可在日間直接疊光供電,進(jìn)一步降低基站電費(fèi)(本次方案暫未接入光伏)。

本次實(shí)施方案采用僅并網(wǎng)模式,儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在原有供電系統(tǒng)中,不會(huì)對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成任何影響,同時(shí),由于采用交流側(cè)并網(wǎng),基站原有配電系統(tǒng)無需任何更改。

改造示意圖和實(shí)物如圖5所示。

圖5 改造示意圖和實(shí)物

改造步驟如下所述:

在基站配電箱總輸入塑殼斷路器出口處引出A、B、C、N四根16 mm BVR電纜,不串入任何元器件,僅僅是通過電纜,接入智能通信電源柜的輸入母排端口;然后在智能通信電源柜輸出母排端口引出A 、B、C三根16 mm BVR電纜,同樣不串入任何元器件,僅僅是通過電纜,接入基站配電箱中的X1接線端子排,僅僅通過接線端子排與之前塑殼斷路器出線進(jìn)行電氣連接;同時(shí)通過上述操作完成基站整體負(fù)載電流采樣。

依據(jù)試點(diǎn)基站現(xiàn)場的負(fù)載功率需求,功率波動(dòng)范圍為6.85～8.39 kW,平均功率大約為7.6 kW。 依據(jù)浙江省一般工商業(yè)用電分時(shí)電價(jià)政策規(guī)定,采用最優(yōu)充放電控制策略:兩充兩放,上午3 h(8∶00～11∶00)充電,2 h(11∶00～13∶00)放電;下午3 h(18∶30～21∶30)放電;夜晚9 h(23∶00～8∶00)可以充電。

3.2 實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)

選取24 h運(yùn)行數(shù)據(jù),為了方便比較,選取上午8∶00開始到第二天上午8∶00共24 h,分時(shí)段電量數(shù)據(jù)及對應(yīng)分時(shí)電價(jià)的電費(fèi)數(shù)據(jù)如表1所示;電量、分時(shí)電價(jià)、累計(jì)電費(fèi)曲線分別如圖6～圖8所示。

表1 分時(shí)段電量數(shù)據(jù)及對應(yīng)分時(shí)電價(jià)的電費(fèi)數(shù)據(jù)

圖6 電量曲線

圖7 分時(shí)電價(jià)曲線

圖8 累計(jì)電費(fèi)曲線

通過現(xiàn)場實(shí)測24 h各時(shí)段運(yùn)行數(shù)據(jù)清楚的表明:基站加大了低谷階段從電網(wǎng)吸收的電量,而在電網(wǎng)最高峰的尖峰電價(jià)階段靠儲(chǔ)能裝置放電來給基站設(shè)備供電,完全規(guī)避了電網(wǎng)的高峰,實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的削峰填谷。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)完全符合設(shè)計(jì)預(yù)期,24 h內(nèi)負(fù)載電量按分時(shí)計(jì)費(fèi)金額為124.82元,經(jīng)過儲(chǔ)能調(diào)節(jié)后實(shí)際和系統(tǒng)結(jié)算電費(fèi)金額為100.51元,日節(jié)省電費(fèi)24.31元,單個(gè)基站預(yù)計(jì)年節(jié)省電費(fèi)8 873元,綜合節(jié)費(fèi)率19.5%。

中國通信基站數(shù)量巨大,如果按照500萬個(gè)基站來計(jì)算,每個(gè)基站約8 kW負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)年節(jié)省電費(fèi)450億元,同時(shí)可為電網(wǎng)帶來40 GW調(diào)峰容量,對電網(wǎng)削峰填谷具有重要的意義。

4 結(jié) 語

5G作為數(shù)字新基建的底座和使能技術(shù),未來變成新的耗能大戶,5G基站單站功率比較高,自身有很大的節(jié)能空間,利用5G基站儲(chǔ)能參與電網(wǎng)調(diào)節(jié),帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的成熟,高能量密度、低成本的儲(chǔ)能設(shè)備裝備到5G基站,使基站本身就是一個(gè)儲(chǔ)能站,在提供5G供電備用的同時(shí),還可以回送給電網(wǎng),以輔助服務(wù)的方式參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻,助力電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。通過新型儲(chǔ)能裝置的應(yīng)用,可以綜合降低基站的運(yùn)行成本,節(jié)費(fèi)的效益明顯,并網(wǎng)方式對原有基站的設(shè)備和系統(tǒng)改造工程量小,具有較好的經(jīng)濟(jì)性和可行性,結(jié)合我國龐大的5G基站建設(shè)規(guī)模,基站側(cè)儲(chǔ)能市場想象空間巨大,值得行業(yè)相關(guān)各方關(guān)注。