偏远通信基站新能源供电方案及经济价值的提升路径

2019-02-21易金印

通信电源技术 2019年1期

易金印

（中广核太阳能开发有限公司，北京 100037）

0 引言

随着我国通信事业的快速发展和智能手机等移动终端设备的爆发式增长，各大通信运营商不断加大对硬件设施的投入，如增加通信基站。为扩大通信覆盖范围，各大通信运营商积极推进偏远地区的基站建设和信号全覆盖，如高速铁路、高速公路沿线和海岛及山区等。基站需要用到各种设备，其用电累计量巨大[1]，而偏远地区大多山高路远，电网供电困难。可见，为偏远地区提供一套经济、稳定以及可靠的电源供应系统，是一个迫切需要深入研究的课题。

中广核作为国内一流的清洁电力提供商和服务商，已率先开展了相关课题研究，探索了基于风光储一体化系统的新能源供电技术和应用方案，并在铁塔关键用户的支持下，依托吉林省某新建铁塔基站进行了试点建设（以下简称“吉林示范项目”），为后续铁塔基站新能源供电的规模化应用积累了宝贵经验。

1 偏远铁塔基站主要供电方式及其价值比较

1.1 用电特点

通信行业是关系国计民生的基础性行业，故通信基站设备的持续、稳定运行至关重要。铁塔基站用电具有负荷小和稳定性高的特点。中国目前拥有铁塔基站超过592万座[2]，额定用电功率多在几到十几千瓦。不设机房或机房不设空调的铁塔基站，额定用电功率一般只有两三千瓦。

偏远铁塔基站由于周边缺少市网覆盖，需采取特定措施解决用电问题，提高了用电成本。偏远地区铁塔基站的新建进度往往受制于用电成本，随着偏远地区铁塔基站需求的增加，急需通过技术和商业创新解决用电贵的问题。

1.2 主要供电方式

目前，偏远铁塔基站的主要供电方式有3种：（1）新建供电线路实现市网供电；（2）采用柴油机现场发电并持续供电；（3）采用新能源发电，并通过储能调节进行持续供电。目前，应用比较广泛的方式是前两种。

1.2.1 电网供电方式

电网供电方式是将电网直接引线到偏远铁塔基站进行电力供应的方式。利用电网供电，稳定性最高，可很好地适应负荷的较大波动。

该方式需重新建设电网线路。按照目前的平均水平，高压引电成本每公里为15～16万元，低压引电成本每公里为12～13万元。这种方式适用于与既有电网距离在两三公里的地区。若距离过远，则一次性用电投入极高，度电成本甚至将高达几元到十几元。这种方式只有在特定情况下方可实现，如旅游景区、边防地区等。

1.2.2 柴油机供电方式

柴油机供电方式是通过柴油机现场发电为偏远铁塔基站供应电力的方式。此方式不仅需采购柴油机发电设备，还需定期添加柴油和维护设备，可广泛应用于电网无法抵达的海岛、高山等用电“刚需”地区。但是，它的用电成本较高，且存在环境污染和噪声污染，不可作为优选方案，只能作为备选方案。

柴油机供电方式的用电成本与柴油价格和交通情况有关，一般每千瓦时为3～4元。从远期来看，柴油价格将逐步提高，柴油机供电方式的用电成本将随之升高。

1.2.3 新能源供电方式

新能源供电方式是依托风力和太阳光发电，并通过储能调节设备和智能化管理系统持续稳定供电的一种方式，具备就地取材、维护简便及绿色环保等特点。相比电网供电方式和柴油机供电方式，新能源供电方式的适应范围更广，可应用于风、光资源充足的地区。很多通信基站的站址具有地势高、风力和太阳能资源好的特点，因此新能源发电可较好地适用于高速铁路、高速公路沿线、山区、海岛及边防等地区，如图1所示。

图1 风、光资源充足的地区的新能源供电现场图

新能源发电方式通常有光伏发电、风力发电、风光一体化、风光柴一体化及风光网一体化等多种形式[3]。风光网一体化模式是以已有市网接入为主，光伏和风电为辅，并按照“自发自用、余电上网”的原则建设运营的一种模式。其他发电模式下，光伏和风力存在发电不稳定的问题，故需配置适当的储能调节设备和智能化调控系统进行自动调节供电。风光储一体化方案很好地利用了光伏和风力的天然互补性，应用前景广阔，因此本文讨论的发电方式中未加以特别说明，均指风光储一体化方式。

新能源供电方式随光伏、风力发电成本的大幅下降，已陆续开展试点项目进行探索和应用。由于储能成本仍处于高位，所以尚未大规模商业推广。根据测算，风光储一体化供电方式的折算电价在每千瓦时2～3元，但随着储能成本和发电成本的下降，其用电成本已明显下降，商业化推广为期不远。

1.3 三种主要供电方式的价值比较

1.3.1 供电方式

电网供电和柴油机供电是偏远铁塔基站传统的供电方式，新能源供电是新兴的供电方式。

1.3.2 技术效益方面

电网供电稳定性最高，对负荷波动的适应能力最强，柴油机供电和新能源供电次之。电网和柴油供电技术已较为成熟，可提升空间有限。新能源供电技术快速更新，潜在的技术优化空间极大。

1.3.3 经济效益方面

电网供电成本与引线距离基本呈现正相关关系，供电成本在一元到若干元不等。根据初步测算，引线距离在1～2 km经济性较好，2～3 km可进行分析比较，大于3 km基本不具有经济优势。柴油发电成本相对稳定，但始终保持每千瓦时3～4元的较高水平，一般只在其他方式都不适宜时采用；新能源供电方式适应力较强，既可解决电网远距离引线问题，也可弥补柴油发电方式高能耗、高成本的缺陷，测算电价在2～3元，显示出良好的经济竞争力。远期看，电网供电成本将随电价的缓慢提升而提升；柴油机供电成本也将随柴油价格的逐步上涨而上涨；新能源供电成本将随发电成本和储能成本的降低而降低，并随标准化、集约化发展而进一步降低。因此，新能源的供电成本有望降至2元以内，市场经济竞争力最佳。

1.3.4 社会效益方面

新能源属于清洁能源，是绿色低碳经济的重要组成部分，符合节能环保的时代主题，且社会效益最高。电网供电方式和柴油机供电方式均存在不同程度的环境污染问题，无法与新能源供电方式相提并论。

传统供电技术稳定但发展有限。新能源供电技术方兴未艾，技术和经济优越性逐步显现。虽然传统的供电方式仍是应用主流，但新能源供电方式正以几何级数的发展速度逐步替代其他方式，成为未来偏远铁塔基站供电的主要方式。

2 基于风光储一体化技术的典型应用方案及经济性提升的有效路径

2.1 典型应用方案及主要配置

2.1.1 系统方案研究

偏远铁塔基站的风光储一体化供电系统的主要技术方案为：在基站附近地面安装小型风力发电机；在基站的机房屋顶或者地面空地安装太阳能电池组件；根据基站功耗情况，设计合适的风光装机容量和蓄电池储能装置，达到风光互补离网供电的目的。

为实现风光互补离网供电，系统需配置光伏发电系统、风力发电系统、蓄电池系统及有关的微网控制系统、监控系统和辅助系统。通过设置，系统可优先示范光伏和风力发电，始终保持蓄电池充满状态，并在需要时供电。极端天气下，蓄电池工作电压将低于某一阀值。此时，控制系统应提前且持续发出告警，保证供运维人员有充足时间采取必要的应急措施。

2.1.2 示范项目设计及主要配置

吉林示范项目规划的固定用电功率为2 kW，必要时开启空调机的用电功率为3 kW。风光储一体化供电方式如图2所示，并预留油机接口。极端情况下，运维人员可携带应急油机至站点，并利用油机对蓄电池紧急充电。

图2 风光储一体化供电方式

按照设计方案，有光有风时，可同时使用光能和风能；有光无风时，可使用光能；无光有风时，可使用风能；无光、无风或者在风光能量不足时，则由蓄电池向负载供电。

示范项目的用电负荷主要包括通信设备用电和空调用电。经分析，空调开启的时间不持续，往往与光伏发电的峰值相吻合，即夏季白天温度高，空调开启，用电负荷大。同时，夏季光照时间长、光照条件好，光伏发电量也大，可在发电时间和用电时间上实现很好的匹配。

根据业主需求，蓄电池容量按照2 d（48 h）后备时间、极限状态时利用3个晴天在保障负载供电情况下恢复蓄电池亏欠电量的标准进行配置（即通常所说的“2天对3天”）。

为此，示范项目配置了54块260 W光伏组件（1 404 W）、1台5 kW的小型风机、48节2 V、1 500 A（144 kW·h）的铅酸储能装置及相关配套的功能模块。

2.2 主要成本构成和后续降低项目造价的有效路径

示范项目的支出主要包括：太阳能电池板、小型风机和汇流箱及支架等主要设备费用约16万元；铅酸电池及其支架机柜等储能费用约18万元；控制模块和线缆等辅助材料费用约7万元；施工安装和保险等工程类费用约8万元。其中，储能设备和发电设备费用占据项目投资的主要部分。

一套技术可行的方案能否被商业化、规模化推广，关键在于其是否具有合理、可复制的经济盈利能力。在售电收入固定的情况下，降低建设成本是最重要的路径。吉林示范项目以技术验证、展示和树立关键用户对新能源供电稳定性信心为主，采用较安全保守的技术配置，加上示范项目单一、管理成本较高，因此整体造价较高。吉林示范项目的整体造价可作为项目造价的上限值，后续项目可通过数据搜集分析和优化技术方案降低项目造价。

降低项目造价的有效路径主要有4种。

第一，优化集成方案和容量配置。吉林示范方案固定用电功率2 kW（不含空调），光伏和风力发电功率达到19 kW，储能配置为144 kW·h（48 h放完，72 h充满）。这种配置在技术上留有较大余量，在缺少经验数据期间十分必要。通过后续的数据收集，可在合理保证率下，进一步优化系统集成方案，降低发电和储能容量，满足用电情况的同时降低项目造价。

第二，标准化设计和规模化建设。吉林示范项目作为单一的建设项目，采购量少，采购成本、人工成本、物流运输成本及管理成本都很高。后续项目可通过标准化设计、批量化生产及规模化建设实现规模经济，提高议价能力，降低采购成本，从而降低项目总体造价。据了解，目前已有多个新能源省级分公司达成了当地铁塔基站供电订单，订单数量已达到几千个的数量级，已具备规模化建设的条件。

第三，加强供用电双方协同且避免重复工作。铁塔基站新能源供电是发电企业与铁塔企业的共赢合作，需在设计和建设环节加强业务协同，避免重复工作。吉林示范项目的发电建设和铁塔建设由两家单位分开进行，协同性较低。后续项目可通过统一的招投标平台和必要的工作委托，共同选定工程承包单位，实现技术协同、管理协同及发展协同，进而提升协同效益。

第四，创新商业模式并发挥蓄电池梯次应用优势。吉林示范项目采用发电企业投资、用电企业购电的商业模式。后续项目可积极开展商业模式创新，开展发电企业与铁塔企业的投资合作，共担风险，共享收益。据了解，中国铁塔集团将受国家有关部门的委托，承接电动汽车充电桩建设[4]和蓄电池的梯次利用任务，即技术要求等级较高的电动汽车蓄电池报废后，可应用在技术要求等级较低的铁塔基站上。储能成本在铁塔基站供电成本中的占比较高，这一政策优势将很大程度上降低项目造价，提升项目收益。

2.3 优劣势分析

2.3.1 优势分析

风光储一体化应用方案顺应国家节能减排的战略要求，提升了通信基站的节能环保性能，增加了基站现有的供电方式，促进了绿色通信基站的建设推广。它在技术和经济方面具有5个优势。

（1）充分利用风能和太阳能的自然互补特性，优先使用风能和太阳能发电进行供电和蓄电池储能。

（2）采用风光互补供电方式，设计合适的风光容量比配置蓄电池组，保障通信设备的用电需求。

（3）施工周期短，投入资金少，可在较短时间内为运营商节约通信基站的电费开支，具有良好的时效性和经济性。

（4）利用微网控制技术实现远程监控，提高了系统运行效率和智能化水平。

（5）通过试点项目可总结一套标准化的设计和建设方案，通过规模化建设降低项目造价，提升项目经济效益。

2.3.2 潜在的不足

风光储一体化应用方案在技术上不存在颠覆性障碍因素，在试点应用项目上已取得成功。它的主要不足是实践应用相对较少，在集成优化方面缺少经验数据的支撑，储能关键技术尚未最终突破，商业模式创新不足，协同性不高，未形成规模化发展。

2.4 发展前景分析

2015年，中共中央出台《关于进一步深化电力体制改革的若干意见（中发〔2015〕9号）文》，提出加快电力体制改革，稳步推进售电侧改革，有序向社会资本放开售电业务，并建立分布式电源发展新机制。这在很大程度上激发了全社会参与售电业务的热情，为发电企业建设风光储一体化微网并直接向铁塔基站用户供电提供了政策支持。

随着国家通信行业的蓬勃发展，铁塔通信基站的用电越来越受到重视。新能源供电系统尤其是基于风光储一体化的孤岛微网系统的推广应用，为我国绿色电力、绿色通信的长足发展提供了有力支撑。