基站儲(chǔ)能建設(shè)方案淺析

王瑞琦，劉 浩

（河南省信息咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450000）

1 基站儲(chǔ)能的意義

儲(chǔ)能系統(tǒng)是智能電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源、可再生能源高占比能源系統(tǒng)的重要組成部分，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行提供多種服務(wù)，如調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動(dòng)以及需求響應(yīng)支撐等，同時(shí)可以很好地提升傳統(tǒng)電源系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性。此外，有效的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以明顯提高風(fēng)、光等可再生能源的消納能力，是推動(dòng)基站主體電源由普通能源向可再生能源轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

積極構(gòu)建分布式電源網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)以太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源為主的多能源協(xié)同發(fā)展。通過(guò)構(gòu)建智能化電源系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和管理平臺(tái)，使電源系統(tǒng)和用電終端基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向通信和自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)分布式電源系統(tǒng)的及時(shí)有效接入和開(kāi)放共享?；诖?，高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)是理解未來(lái)通信局站電源系統(tǒng)發(fā)展、搶占先進(jìn)能源管理至高點(diǎn)的重點(diǎn)所在。運(yùn)營(yíng)商建設(shè)儲(chǔ)能基站具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，一是通信基站本身就是一個(gè)巨大的能源消費(fèi)市場(chǎng)，不用為儲(chǔ)能尋找客戶(hù)；二是基站資源已初步具備儲(chǔ)能建設(shè)的基本條件，能夠?qū)崿F(xiàn)外電引入，同時(shí)擁有電源配套設(shè)施；三是河南省各區(qū)縣都擁有電源配套的維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)和成熟的維護(hù)隊(duì)伍?；緝?chǔ)能是運(yùn)營(yíng)商能源經(jīng)營(yíng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、提升公司效益的重要舉措[1-4]。

2 基站儲(chǔ)能的效益分析

目前，我國(guó)諸多省市已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行有差別的電價(jià)供應(yīng)，在高峰時(shí)段調(diào)高電價(jià)，低谷時(shí)段降低電價(jià)，以保證供需平衡。通過(guò)設(shè)置這種“消峰填谷”的激勵(lì)措施，鼓勵(lì)消費(fèi)者在高峰時(shí)段減少電力消耗，轉(zhuǎn)為在非高峰時(shí)段使用電力資源。峰谷電價(jià)政策要求用戶(hù)在高峰時(shí)段支付較高的電費(fèi)，非高峰時(shí)段支付低價(jià)電費(fèi)，利用價(jià)格杠桿調(diào)節(jié)電力消費(fèi)不均的情況，有利于電力公司降低生產(chǎn)成本，均衡電力供應(yīng)，減少能源消耗，同時(shí)有效避免部分發(fā)電機(jī)組頻繁關(guān)機(jī)和重啟帶來(lái)的設(shè)備損耗等問(wèn)題[5]。

河南省部分運(yùn)營(yíng)商的基站儲(chǔ)能充分利用峰谷電價(jià)的價(jià)差進(jìn)行分時(shí)充放電節(jié)能化管理，電源系統(tǒng)在電價(jià)低谷時(shí)自動(dòng)為基站蓄電池組充電，在電價(jià)峰谷時(shí)自動(dòng)切換為放電模式，不僅有效減少了基站運(yùn)行的電費(fèi)支出，并且使過(guò)去僅用于備電的蓄電池組在基站中發(fā)揮更大的作用。以平均每個(gè)基站直流負(fù)載3.5 kW、儲(chǔ)能損耗5%、高峰電價(jià)1.050 25 元/kWh、低谷電價(jià)0.356 35 元/kWh為例，每天（按8 h算）節(jié)省電費(fèi)3.5×8×（1.050 25-0.356 35）×（1-5%）≈18.457 7元，每月（按30天算）節(jié)省約553.7元，每年（按365天算）可節(jié)省6 737元。梯次電池充放電按2 000次壽命計(jì)算，可以使用約5年半的時(shí)間，期間節(jié)省費(fèi)用共計(jì)約3.7萬(wàn)元。全省基站約3.6萬(wàn)個(gè)，每年節(jié)省電費(fèi)約2.4億元。

3 單站儲(chǔ)能建設(shè)方案

建設(shè)儲(chǔ)能基站，需要利用梯次電池對(duì)蓄電池組進(jìn)行擴(kuò)容（見(jiàn)圖1），當(dāng)不同容量、不同時(shí)期、不同品牌以及不同電壓的蓄電池同時(shí)使用時(shí)，需要加裝蓄電池共用管理器。由于用電低谷時(shí)開(kāi)關(guān)電源既要滿(mǎn)足負(fù)載功耗，又要對(duì)蓄電池組完成充電，因此需要同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行擴(kuò)容。為了實(shí)現(xiàn)“谷電峰用”，需要搭建能源管理系統(tǒng)，并在基站端安裝遠(yuǎn)端智能控制模塊（圖2）。

圖1 電池?cái)U(kuò)容系統(tǒng)圖

圖2 能源管理系統(tǒng)圖

儲(chǔ)能工況電池容量配置標(biāo)準(zhǔn)為

式中：Q為電池容量，Ah；K為安全系數(shù)，取1.25；P1為一次下電側(cè)通信設(shè)備實(shí)際工作功率，W；P2為二次下電側(cè)通信設(shè)備實(shí)際工作功率，W；T1為一次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長(zhǎng)，h；T2為二次下電側(cè)設(shè)備備電總時(shí)長(zhǎng)，h；T3為削峰填谷時(shí)長(zhǎng)，h；a為溫度調(diào)整系數(shù)，取1.0。

當(dāng)采用0.1C充電電流時(shí)，開(kāi)關(guān)電源容量為

式中：P為通信設(shè)備實(shí)際工作功率，W；Q總為蓄電池組總?cè)萘浚珹h；η為容量系數(shù)，取0.95。

當(dāng)采用0.2C充電電流時(shí)，開(kāi)關(guān)電源容量為

為了保障負(fù)荷安全運(yùn)行，新建開(kāi)關(guān)電源的整流模塊應(yīng)采用n+1配置方式（n≤10）。

蓄電池共用管理器安裝在開(kāi)關(guān)電源與電池組之間，作為多組電池接入開(kāi)關(guān)電源的合路設(shè)備，保證電池組之間無(wú)環(huán)流。蓄電池共用管理器可以控制各組電池的充電電流和放電電流，保證每組電池的工作平衡。管理器可以為多組電池同時(shí)充電或分組充電，同時(shí)各組電池也通過(guò)蓄電池共用管理器同時(shí)向負(fù)載供電。

4 儲(chǔ)能與5G

眾所周知，5G設(shè)備的天線通道數(shù)量和站點(diǎn)容量較4G大幅提升，導(dǎo)致基站整體功耗上升，對(duì)基站電源配套中的外市電、蓄電池組以及室外機(jī)柜等均造成較大影響，5G基站供備電系統(tǒng)亟需升級(jí)擴(kuò)容。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，使用體積更小、重量更輕、能量密度更高、壽命更長(zhǎng)以及其他性能更優(yōu)的鋰電池來(lái)替代鉛酸電池已是大勢(shì)所趨。5G時(shí)代通信基站環(huán)境更加復(fù)雜、要求更加嚴(yán)苛，僅在儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用普通鋰電替代鉛酸電池已然不夠。針對(duì)5G時(shí)代對(duì)站點(diǎn)儲(chǔ)能的多維需求，各電信設(shè)備廠家基于對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)的深刻理解，紛紛推出了智能儲(chǔ)能系統(tǒng)，免增機(jī)柜，解決了電信行業(yè)長(zhǎng)期面臨的站點(diǎn)獲取難、機(jī)房空間小、站點(diǎn)租金高以及工程進(jìn)度慢等問(wèn)題?；趥鞲屑夹g(shù)、通信技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)等，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、高溫保護(hù)、低溫自動(dòng)保護(hù)以及高精度均衡等，提升了電池使用效率，降低了運(yùn)維成本，也能滿(mǎn)足通信機(jī)房的安全運(yùn)行需求。同時(shí)，通過(guò)本地電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）與站點(diǎn)子系統(tǒng)間的站內(nèi)協(xié)同，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)從單一備電轉(zhuǎn)向綜合應(yīng)用、從無(wú)協(xié)同轉(zhuǎn)向智能協(xié)同。由于5G設(shè)備額定功耗相較于以往有所提升，考慮電源配套時(shí)必須加大創(chuàng)新力度，從而更好地實(shí)現(xiàn)低成本、高質(zhì)量的目標(biāo)。為了突破以往“一站一電”的供電方式，可以在具備條件的地區(qū)以基站群為基礎(chǔ)進(jìn)行整體供電方案設(shè)計(jì)，打造低成本、高可靠的基站能源網(wǎng)絡(luò)。

5 儲(chǔ)能與疊光

基站疊光方案是在基站傳統(tǒng)電源基礎(chǔ)上疊加太陽(yáng)能供電，安裝僅滿(mǎn)足通信負(fù)載功率需求的太陽(yáng)能電池板，優(yōu)先使用太陽(yáng)能供電。在傳統(tǒng)基站供電方案中，柴油發(fā)電機(jī)組是蓄電池組+移動(dòng)油機(jī)方案中的應(yīng)急電源，只有當(dāng)市電停電且蓄電池的后備時(shí)間無(wú)法滿(mǎn)足供電需求時(shí)才用以應(yīng)急供電。當(dāng)采用站點(diǎn)疊光方案時(shí)，不再優(yōu)先使用柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)市電發(fā)生故障時(shí)采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)保障基站的正常供電。在無(wú)市電供應(yīng)的海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)，較大容量的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以作為主供電系統(tǒng)來(lái)保障基站的正常供電。為了保障基站的可靠運(yùn)行，也可以將柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。光伏發(fā)電管理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電管理系統(tǒng)

與無(wú)市電地區(qū)的疊光方案不同，市電穩(wěn)定地區(qū)的太陽(yáng)能不作為唯一的能量輸入源，而是作為節(jié)能的手段，有時(shí)需要電網(wǎng)與光能結(jié)合供電，站點(diǎn)對(duì)供電可靠性的要求也相對(duì)更高?，F(xiàn)有的站點(diǎn)一般都配有備電電池，通過(guò)監(jiān)控根據(jù)不同環(huán)境實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能模塊、整流模塊與備用電池的綜合可靠調(diào)度，從而很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能效益和供電可靠性之間的平衡。疊光后，如果基站停電發(fā)生在有日照的時(shí)段，則不需要應(yīng)急發(fā)電。由于深夜通信業(yè)務(wù)較少，夜晚上站發(fā)電相對(duì)危險(xiǎn)，因此實(shí)際很少夜間發(fā)電。經(jīng)過(guò)測(cè)算，采用疊光方案的站點(diǎn)可以減少80%以上的上站應(yīng)急發(fā)電成本，并降低應(yīng)急發(fā)電不及時(shí)帶來(lái)的斷站風(fēng)險(xiǎn)。通常來(lái)說(shuō)，3～5年是通信系統(tǒng)中比較合理的投資回收周期。例如疊光方案總投資2.2萬(wàn)元，只要每年節(jié)省超過(guò)4 400元，就值得投資。一個(gè)2 kW站點(diǎn)年省電按2 920元計(jì)算，只需要每年節(jié)省1 480元應(yīng)急發(fā)電費(fèi)用即可滿(mǎn)足5年投資回報(bào)要求。按每次發(fā)電成本380元計(jì)算，對(duì)于年上站應(yīng)急發(fā)電需求4次以上的站點(diǎn)，都值得投資疊光方案。1個(gè)單運(yùn)營(yíng)商2G/4G站點(diǎn)或2個(gè)運(yùn)營(yíng)商單制式共享站典型負(fù)載平均功率接近2 kW，可以配置1個(gè)3 kW太陽(yáng)能模塊和（9×250）W太陽(yáng)能電池板，只需要凈占地面積13 m2，經(jīng)濟(jì)效益較好。

6 結(jié) 論

目前基站通信系統(tǒng)電源改造多從節(jié)流入手，通過(guò)提高站點(diǎn)設(shè)備與電源的效率，使站點(diǎn)的PUE值盡可能接近1。結(jié)合集中儲(chǔ)能、微電網(wǎng)等新模式，采用風(fēng)、光等可再生能源，不僅可以進(jìn)一步優(yōu)化站點(diǎn)PUE，還可以為站點(diǎn)的可持續(xù)化發(fā)展提供綠色且高效的新型解決方案，為基站節(jié)能和儲(chǔ)能提供新思路。