梯次电池在通信基站削峰填谷的应用研究

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1 背景

1.1 动力电池的梯级利用

截至2017年底，市场上新能源汽车的保有量已经超过160万辆。2016、2017年退役的动力电池多为2012-2013年开始服役。根据2011年以来新能源汽车历年产销数据进行统计、测算，判断2018～2020年将迎来动力电池退役潮，预计2018-2020年的动力电池退役容量分别为2.7GWh、9.1GWh、14.3GWh，同比增速分别为182.9%、235.4%、57.1%。由此可见，解决退役动力电池回收利用的问题迫在眉睫。

2016年12月1日，国家工信部节能与综合利用司公布了《新能源汽车动力蓄电池回收利用暂行管理办法》(征求意见稿)，以规范和引导废旧动力电池的综合应用。2018年2月26日，工信部网站发布由工信部、科技部、环境保护部、交通运输部、商务部、质检总局、能源局七部委联合印发的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》。废旧动力蓄电池的利用应遵循先梯级利用后再生利用的原则，提高资源利用率。梯次电池应用是节能环保、新能源等国家战略新兴产业发展的重大创新，对于推动低碳经济、绿色经济、循环经济的发展具有非常重要的现实意义，利国利民。铁塔公司在全国范围内拥有190万座基站，具备规模化开展梯次电池应用的先天优势。

1.2 峰平谷电价情况

根据国家发改委[2016]74号文第九条规定，加强电力需求侧管理。推行节能低碳、环保电力调度，建设国家电力需求侧管理平台，推广电能服务，总结电力需求侧管理城市综合试点经验，实施工业领域电力需求侧管理专项行动，引导电网企业支持和配合平台建设及试点工作，鼓励电力用户积极采用节电技术产品，优化用电方式。深化电力体制改革，扩大峰谷电价、分时电价、可中断电价实施范围。加强储能和智能电网建设，增强电网调峰和需求侧响应能力。

2 基站削峰填谷方案

2.1 原理

基站“削峰填谷”，利用蓄电池的储能功能，把用电“负荷”从用电高峰“卸载”到用电低谷。在谷电时段将电能转换成化学能储存；在用电高峰时段将化学能转换成电能，即利用电池的储能功能，在“谷”时充电，“峰”时放电，对通信设备供电。

其中河北北电网的电价情况如1表所示。

表1 河北北电网峰平谷时段及电价

由次可见，河北北电网“削峰”的时长为8个小时。

2.2 梯次电池的优势

前期动力电池主要以磷酸铁锂电池为主，因此目前梯次利用的动力电池主要是磷酸铁锂电池，虽已不能满足汽车的使用条件，但仍然拥有一定的剩余容量，其寿命并未完全终止，继续使用在通信机房，充分发挥其剩余价值。降低基站造价，节约能源，保护环境。与传统的铅酸电池相比，梯次电池性能在以下方面具有优势：

（1）循环寿命长

传统铅酸电池的循环寿命为300次，削峰填谷使用期限不到一年。而梯次锂电池的循环寿命为1500次以上，使用时间可达4.1年以上。

（2）耐高温

磷酸铁锂电热峰值可达350℃～500℃，电池工作温度范围宽（-20℃～＋55℃）。铅酸电池稳定工作的温度范围25℃～28℃，温度升高会损坏电池，减少电池使用寿命。

（3）高能量密度

磷酸铁锂电池产品重量比能量可超过130 Wh/Kg（0.2C, 25℃），体积比能量为210Wh/L；铅酸电池产品重量比能量为32～37 Wh/Kg（0.2C, 25℃），体积比能量为70Wh/L。

（4）大电流充放电

磷酸铁锂电池可大电流2C快速充放电，起动电流可达5C以上；铅酸电池现在无此性能，所以磷酸铁锂电池充电时间短。

（5）绿色环保

磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属，无毒（SGS认证通过）；铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，仍将对环境够成二次污染。

2.3 削峰填谷电源系统的组成

锂离子电池/梯次利用动力电池替代铅酸电池在基站供电系统结构上没有任何变化，主要差别是电池系统自带BMS，BMS可以通过FSU接受后台管理，也可以与通信电源监控单元连接，由监控单元对电池直接管理。（如图1所示）

2.4 方案实施

在充分考虑到供电环境、基站设备功耗等因素后最终选取廊坊市北旺乡西村通信基站，该站点位于华北电网（河北北网）区域，为移动单家需求站点，站内通信设备直流负载为1200W。

2.4.1 梯次电池建设方案

梯次电池组容量配置结合基站削峰时长、备电时长等因素确定，依据梯次电池的大电流放电、耐高温等特性，原则上按照以下配置。

梯次电池总容量

图1 削峰填谷电源系统

其中削峰填谷所需梯次电池总容量为

式中：

K--安全系数，取1.25；

a--温度调整系数，寒冷、寒温I、寒温II地区取1.25；其余地区取1.0；

P—通信设备功耗（W）；

2.4.2 开关电源建设方案

建设新型开关电源，具备削峰填谷功能，依据国家电网制定的不同时段电价的不同，通过对基站供电系统的控制，在谷电时段，对电池组进行充电；在用电高峰时段，切断市电，通过电池组对负载进行供电，把用电“负荷”从用电高峰“卸载”到用电低谷。利用梯次电池循环寿命高的特性，从而实现“削峰填谷”。

对于新建基站开关电源的整流模块容量按本期负荷配置，整流模块数按n方式配置。

n={基站设备平均功率条件下直流负荷+蓄电池充电电流（按基站蓄电池组总容量/10进行计算）}/本期配置单个整流模块容量，进位取整数。

3 收益分析

电源参数设置：

浮充电压：3.55V×16=56.8V；

均充电压：56.8V；

充电限流值：0.1C-1C，默认值0.1C；

一次下电电压：3.05V*16=48.8V；

二次下电电压：2.7V*16=43.2V。

3.1 经验分析法

基站开启削峰填谷前，通信设备耗电量为

式中：

W—直流设备功耗(KW)

T—削峰时长

—开关电源转换效率

基站启动削峰填谷后，通信设备耗电量为

式中：

削峰填谷前通信设备使用峰时电，电价为0.89元/度,那么削峰填谷前电费为

削峰填谷后通信设备使用电池储能电，电池储能电为谷时电，电价为0.4元/度,那么削峰填谷后电费为

那么削峰填谷日收益为

3.2 实验分析法

2017年7月取该站点1个月的削峰填谷测试数据（削峰8小时），电价峰值时段，单日平均减少市电需求9.8度。电价谷值时段，单日平均增加市电需求11.7度。削峰填谷关闭，直流设备耗电37度，共计24元。削峰填谷开启，直流设备耗电38.4度，共计19.64元。则削峰填谷日收益（削峰8小时）为4.37元。（见表2）

其中，电池实际充放电效率

表2 削峰填谷收益实验数据

3.3 对比分析

通过对比，可以看出经验分析法和实验分析法得出的削峰填谷日收益很接近，差距主要是由电池的实际充放电效率较低引起。实验分析法更精准，故采用实验分析法的结果。

4 效益分析

4.1 度电成本

削峰填谷储能总投资为用于削峰填谷的梯次电池投资，需配置的电池容量为240AH，采购价格为1.14元/AH（2V），总投资为6566元。

削峰填谷度电成本包括储能设备使用成本和谷时电使用成本，故度电成本为

由此可见削峰填谷的电费度电成本低于峰时电价，方案经济性可行。

4.2 静态回收期测算

削峰填谷项目的静态回收期为

4.3 敏感性因素分析

设定梯次电池工作年限大于等于6年、充放电效率88.6%的条件，峰谷电费差价越大，收益越好。（如图2所示）

图2 峰谷电价差敏感性分析

5 结论

随着梯次电池的回收技术的改进，性能和寿命的提升，更能适合通信基站的削峰填谷储能应用，一方面推动低碳经济、绿色经济、循环经济的发展，有非常重要的现实意义，既利国又利民；一方面可以减小电网负荷峰谷差，使发电、用电趋于平衡，降低电能浪费。点多面广的基站资源也让中国铁塔具备规模化开展梯次电池应用的先天优势，因此通信基站是梯次电池的最佳应用场景。