新型储能系统在通信基站供电中的应用

王 龙

(上海艾临科智能科技有限公司, 上海 200231)

0 引 言

我国5G基站的建设运营模式主要采用中国铁塔建塔、引电建设基础配套设施,移动、联通、电信三大主运营商租塔、安装设备并进行网络运营的模式,运营电费由铁塔代运营商统一向电力部门缴纳。5G基站开通后电费成本开支已高于铁塔租费,巨大的5G基站耗电量已经成为阻碍5G和制约行业发展的一个重要因素。尤其是在当前实现国家“双碳目标”的大背景下,如何在通信基站中实现能源的优化和管理,实现低碳节能的目标,是一个值得研究的课题。

1 通信基站储能系统的应用背景

近年来,电网负荷峰谷差日益增大,可再生能源发电在电网渗透率的不断提高又进一步导致电网调峰压力增大。利用储能装置在负荷高峰时期放电,负荷低谷时期从电网充电,减少高峰负荷需求,节省用电费用,从而达到改善负荷特性、参与系统调峰的目的。通过实施削峰填谷,可以提高电力系统设备的利用率并且延缓或减少发-输-配电环节设备的扩容与升级。 用户侧的储能系统实施目标为节省电费、最大限度套利[1-3]。

目前,典型基站供电系统如图1所示。市电进入交流配电箱,除了一部分带基站空调照明监控等交流负荷,大部分供给开关电源,由开关电源输出通信设备所需的48 V直流电。由于要保证供电的稳定性,防止停电,一般基站机房还设有备电。

图1 典型基站供电系统

基站设备负荷一般波动很小,全天持续不间断供电,基站用电的成本模式有转供电和直供电模式。直供电电价按国网公司的一般工商业电价执行,分尖峰谷三个不同电价。浙江省2022年一般工商业用电分时电价如图2所示。

图2 浙江省2022年一般工商业用电分时电价

我国目前绝大部分省市均已实施峰谷电价制,通过降低夜间低谷期电价,提高白天高峰期电价,来鼓励用户分时计划用电,有利于电力公司均衡供应电力,降低生产成本,并避免部分发电机组频繁启停造成的巨大损耗等问题,保证电力系统的安全与稳定。储能系统用于峰谷电价套利,用户可以在电价较低的谷期利用储能装置存储电能,在用电高峰期使用存储的电能,避免直接大规模使用高价的电网电能,如此可以降低用户的电力使用成本,实现峰谷电价套利。由于存在巨大的峰谷电价差,电网公司通过价格机制,引导用户侧需求,平抑电网负荷波动。因此,在现有基站供电系统中加装一体化的储能电源柜,在电价低谷时充电,电价尖峰及峰值时放电,综合降低基站的用电成本是一种行之有效的手段。

2 通信基站储能系统的拓扑结构及实现

基站储能系统方案主要有两种,一种是仅并网方案,一种是离并网方案。

仅并网方案中,产品结构拓扑简单,完全不需要改变基站交流侧原有的配电电路,只需将整体储能装置看做电流源,并接在交流侧主回路接入处即可。

离并网方案中,产品结构稍显复杂,需要将快速无缝切换开关串接在基站交流侧主回路上,因此存在一定的功耗损失,并且也存在着一定的失效风险。但可以离网运行,为基站提供二次备电,具有灵活高效的特点。

智能通信电源系统主要由智能配电模块、PCS双向储能变流器模块、储能电池簇(磷酸铁锂电池)、消防系统、本地监控系统、EMS能源管理云平台等组成。

2.1 智能配电模块

交流输入采用3极断路器,具有短路和过流保护功能;同时在电网侧、负载侧以及储能侧分别具备单独电力仪表,同时集成计监控/通信功能,对用电进行计量。

2.2 PCS双向储能变流器模块

仅并网PCS双向储能变流器拓扑如图3所示;离并网PCS双向储能变流器拓扑如图4所示。储能电池及光伏接入,自动切换光伏供电和储能电池供电模式,交流侧同时可集成配置并网快速无缝切换装置,实现基站离网运行。

图3 仅并网PCS双向储能变流器拓扑

图4 离并网PCS双向储能变流器拓扑

2.3 储能电池簇选择(磷酸铁锂电池)

本系统储能电池需要频繁充放电,充放电频率为2次/天,因此铅酸蓄电池不适用,本系统采用储能电池为磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池在使用寿命、充放电、使用环境温度、绿色节能环保、重量和体积等方面优于普通铅酸蓄电池。

同时采用两级BMS系统,一级系统BMU,主要是用于单体电芯的电压、温度采集与保护控制;二级系统BCU,主要是整体电池簇的电压、电流、温度采集与保护控制;保护级别分为三级,一级降功率、二级停止充放电、三级直流继电器直接跳闸断开。

2.4 消防系统

储能电池柜内采用七氟丙烷气体灭火系统,同时对温度、烟雾以及可燃性气体等环境要素进行检测,并且为实现对磷酸铁锂电池储能电站的全方位保护,火灾自动报警系统应具备和站内气体灭火系统、电池管理系统、智能辅助控制系统联动的功能。

2.5 本地监控系统及EMS能源管理云平台

本地监控系统通过RS-485通信的方式对交流电力仪表、PCS双向储能变流器模块、储能电池簇管理单元进行管理与监控,并可通过数据传输单元DTU将数据传输回云平台,实现分布式数据的集中化管理,为后期云平台专家系统提供基础底层数据库支撑。

3 系统实施

3.1 实施方案

针对基站现有配电系统,在交流配电箱后引入ESS储能系统,在电价低谷时,通过ESS储能系统PCS给储能电池充电,在电价高峰时,由储能电池反向放电,以实现峰谷套利。同时,在储能系统中引入光伏,可在日间直接叠光供电,进一步降低基站电费(本次方案暂未接入光伏)。

本次实施方案采用仅并网模式,储能系统并联在原有供电系统中,不会对系统的安全稳定运行造成任何影响,同时,由于采用交流侧并网,基站原有配电系统无需任何更改。

改造示意图和实物如图5所示。

图5 改造示意图和实物

改造步骤如下所述:

在基站配电箱总输入塑壳断路器出口处引出A、B、C、N四根16 mm BVR电缆,不串入任何元器件,仅仅是通过电缆,接入智能通信电源柜的输入母排端口;然后在智能通信电源柜输出母排端口引出A 、B、C三根16 mm BVR电缆,同样不串入任何元器件,仅仅是通过电缆,接入基站配电箱中的X1接线端子排,仅仅通过接线端子排与之前塑壳断路器出线进行电气连接;同时通过上述操作完成基站整体负载电流采样。

依据试点基站现场的负载功率需求,功率波动范围为6.85～8.39 kW,平均功率大约为7.6 kW。 依据浙江省一般工商业用电分时电价政策规定,采用最优充放电控制策略:两充两放,上午3 h(8∶00～11∶00)充电,2 h(11∶00～13∶00)放电;下午3 h(18∶30～21∶30)放电;夜晚9 h(23∶00～8∶00)可以充电。

3.2 实测运行数据

选取24 h运行数据,为了方便比较,选取上午8∶00开始到第二天上午8∶00共24 h,分时段电量数据及对应分时电价的电费数据如表1所示;电量、分时电价、累计电费曲线分别如图6～图8所示。

表1 分时段电量数据及对应分时电价的电费数据

图6 电量曲线

图7 分时电价曲线

图8 累计电费曲线

通过现场实测24 h各时段运行数据清楚的表明:基站加大了低谷阶段从电网吸收的电量,而在电网最高峰的尖峰电价阶段靠储能装置放电来给基站设备供电,完全规避了电网的高峰,实现了负荷的削峰填谷。实际运行数据完全符合设计预期,24 h内负载电量按分时计费金额为124.82元,经过储能调节后实际和系统结算电费金额为100.51元,日节省电费24.31元,单个基站预计年节省电费8 873元,综合节费率19.5%。

中国通信基站数量巨大,如果按照500万个基站来计算,每个基站约8 kW负载,可实现年节省电费450亿元,同时可为电网带来40 GW调峰容量,对电网削峰填谷具有重要的意义。

4 结 语

5G作为数字新基建的底座和使能技术,未来变成新的耗能大户,5G基站单站功率比较高,自身有很大的节能空间,利用5G基站储能参与电网调节,带来更好的经济效益和社会效益。随着电化学储能技术的成熟,高能量密度、低成本的储能设备装备到5G基站,使基站本身就是一个储能站,在提供5G供电备用的同时,还可以回送给电网,以辅助服务的方式参与电网调峰调频,助力电力系统的安全运行。通过新型储能装置的应用,可以综合降低基站的运行成本,节费的效益明显,并网方式对原有基站的设备和系统改造工程量小,具有较好的经济性和可行性,结合我国庞大的5G基站建设规模,基站侧储能市场想象空间巨大,值得行业相关各方关注。