新能源在5G基站系统低碳赋能中的应用展望

2021-04-14杨铭如王伟云

通信电源技术 2021年21期

秦宇，杨铭如，王伟云

（1.诺基亚通信系统技术（北京）有限公司，北京 100102；2.中国联合网络通信有限公司辽宁省分公司，辽宁沈阳 110003；3.沈阳航空航天大学能源与环境学院，辽宁沈阳 110136）

0 引言

2021年10 月，国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》，方案中提出要提加强新型基础设施能源结构，采用直流供电、分布式储能、新能源和储能结合等模式，提高新能源的供给比重[1,2]。

5G基站为了支撑更高技术性能指标，采用大带宽、多天线等技术导致耗电显著增加。例如，我国运营商要求 3.5 GHz 5G 基站的单载波带宽为 100 ～ 200 MHz，而传统4G基站单载波为20 MHz，增加了5～10倍。如何减碳降耗是运营商亟需解决的问题，当前主要的降耗手段集中在用电侧，设备厂商通过新工艺和新材料改进产品基础能耗，运营商通过设备负荷闲时开通关断与休眠等软件方式降低场景功耗。供电侧仍主要来自传统火力发电厂，新能源技术引入较少。根据中国通信标准化协会的数据显示，5G基站的功耗仍然较高，是4G基站的3倍左右[3]。

将新能源引入5G基站供电侧，一方面契合了国家的双碳要求，另一方面也降低了运营过程的成本，具有重要意义。为深入探讨新型能源在5G基站运维过程的低碳减排作用，本文将主要从5G基站供电角度阐述新能源在5G基站系统中的低碳赋能。

1 5G基站供电现状

当前，5G基站供电主要采用市电供电，集中/分布单元（Centralized Unit/Distributed Unit，CU/DU）和有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）多数都从电网取电，在电网电力供应中断时采用备用电池或汽/柴油发电机供电。

5G基站日常供电来自电网公司，我国多数地区的电网公司主要电力供应仍以火力发电为主。火电厂作为燃煤大户，CO2排放量相对较高，采用火力发电不会有效降低5G基站碳排放。另外在电网故障或检修期间会停电，为保障基站运行，一般基站都采用了电池或油机提供临时供电。如果采用油机发电，由于小型发电机发电效率不高，尾气中含有较高含量的CO、氮氧化合物和含碳颗粒，会造成碳排放进一步增加。

2 5G低碳供电技术展望

为了降低5G基站碳排放，可采用各种新技术降低基站本身的电力消耗，但由于5G基站高带宽、高速率以及低延迟的技术特征，因此总体的电力消耗还是会大幅度增加，需要从供电侧找到突破，采用绿色新能源供电，储能调整电力峰谷，降低碳排放。

2.1 离网光伏和风力供电

对于有较大占地面积的机房或者中西部偏远地区市电供电存在问题的机房，可以采用离网光伏发电的模式给5G基站供电[4]。

目前，5G基站多数的CU/DU单元为集中放置，一般在运营商的中小型局机房，机房楼顶面积较大，可以大面积铺放太阳能电池板。在当前化石能源价格上涨，光伏产业日趋成熟的背景下，光伏发电的单位成本低于电网价格，不但实现了环保，还降低了5G基站电费支出。并且5G基站的单元都是直流供电，相对交流光伏系统规避掉了交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）逆变设备和能耗损失。光伏功率输出直用系统对比优势如图1所示，转换效率显然会明显提高。

图1 光伏功率输出直用系统对比优势

另外，在偏远的山区、森林、高原以及荒漠等区域，部分基站无法市电供电或经常性停电，也可以采用小型离网光伏及风力发电系统给5G基站供电。日间以太阳能供电为主，夜间依靠风力发电为主，实现风光互补[5]。

2.2 锂电池削峰填谷梯次利用

当前，火力发电和太阳能、风能等新能源的生产时间以及5G基站用电峰谷时间不对应，如太阳能发电主要是日间，而市电使用的一个高峰则在傍晚日落以后，造成了高峰用电仍将以高碳排放的火力发电为主。电力公司为了供电平稳，一般都采用峰谷的差异电价，如果基站的蓄电池在市电供电波谷期间充电，在波峰期间释放电力给5G基站供电，则可以间接降低火电发电比例，提高新能供电比例，降低碳排放并降低电费支出[6]。

传统基站采用的是铅酸电池，充放电次数较低，如果每日都要进行削峰填谷，则很快就将达到循环使用寿命。通过高循环锂电池淘汰铅酸电池是当前热门方向，2020年退役的动力电池高达2×105 t，但对退役电池回收还缺乏统一标准，回收经济性差，且这些电池可以剩余400～2 000次的实际循环次数，相对传统铅酸电池200次的循环次数仍优势巨大，在5G基站利旧动力电池侧消纳退役动力电池的优选方案[7]。

2.3 其他新型储能技术

相对于锂电池，还有更绿色环保的新型储能技术可以应用在5G基站，包括超级电容和机械储能等。目前，新型储能技术在通信行业的应用较少，但是由于应用潜力较大、环境污染小等优点，仍是各国的研究热点。

超级电容器的主要优点包括百万次的超长充放电循环寿命、宽广的工作温度范围（-40～70 ℃）、充电快、功率密度高以及维护要求低等。另外，其全生命周期均没有有毒化学和金属污染，是非常绿色环保的储能技术，适合配合化学电池进行储能，为市电经常短时中断的站点供电[8]。

机械储能主要包括压缩空气储能和飞轮储能等，由于目前有较大功率消纳和设备占地要求，因此可以用于大型通信机房储能，暂不适合离散的5G基站分布需求[9]。

3 5G新能源供电改造碳排放收益模拟分析

以北方某城市某5G基站进行离网光伏发电结合锂电池储能为例，站点供电方式为传统市电供电，备电采用铅酸蓄电池。该站日统计最高功耗为3.68 kW，最低功耗为1.73 kW，平均功耗为2.72 kW，日耗电为65 kW·h，一天24 h的功耗分布如图2所示。

图2 某5G基站24 h功耗图

该站拟改造方案为楼顶铺设光伏供电+利旧梯次锂电池，日间光照充足时，通过光伏供电，并将剩余电力存储在锂电池中，夜间通过利旧锂电池放电给5G基站供电。已知所在地区单位面积太阳能发电功率曲线和5G基站耗电功率面积，可推算出光伏输出功率要求与储能电池所需容量。具体通过使用PVSYST模拟软件分析，在完善地理信息和气象等数据，确定电池板安装方向和角度，光伏侧需配置单机标称功率为250 Wp的光伏组共计100件，由4组件串联成组串，再把25组串进行并联，标称功率为 25.0 kWp，电池侧配置 5 980 Ah/51 V 的退役电池组件115套并联，电池组存储容量为276 kW·h，一年的发电量和用电量如图3所示。由图3可知，光伏的发电除了供给基站和电池储能，还有太阳能板采光和系统等的耗电损失，在设计时都需要考虑。另外虽然用户用电量恒定，但由于不同月份光照差异大，导致不同季节电池存储的电量差异明显，因此锂电池的选取非常重要，合适的电池容量才能确保整套系统的经济稳定运行。

图3 耗电及发电模拟

烟煤 CO2排放量为 2.54 kg/kg ，按火电厂每 300 g煤可以发电1 kW·h计算，5G基站用电来自火电厂时，每kW·h耗电会产生CO2的排放量为0.762 kg[10]。按该基站平均功率为2.72 kW计算，如果新能源供电比例增加10%，那么CO2的年排放将减少1 815.63 kg，具体参数计算如表1所示。