侯福平，孫文波

（中國(guó)電信研究院，廣東 廣州 510630）

0 引 言

2020年9月中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”、2060年“碳中和”目標(biāo)。在國(guó)家全力推進(jìn)“雙碳”的大形勢(shì)下，有關(guān)部門努力推進(jìn)“削峰填谷、錯(cuò)峰用電、智慧儲(chǔ)能”的均衡用電節(jié)能政策，推出一系列的峰谷電價(jià)的優(yōu)惠利好措施，鼓勵(lì)全社會(huì)積極參與大電網(wǎng)的削峰填谷、均衡用電。目前，正是大力開展“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”策略，實(shí)現(xiàn)企業(yè)提質(zhì)增效的有利時(shí)機(jī)[1-3]。

對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)商而言，通信網(wǎng)絡(luò)的接入層面（移動(dòng)基站、接入網(wǎng)、邊緣數(shù)據(jù)中心等）擁有大量的站點(diǎn)，用電負(fù)荷基本上全天平穩(wěn)，市電供電有一定的保障而且又配備了足夠數(shù)量的后備蓄電池組，這些分布式的儲(chǔ)能蓄電池系統(tǒng)非常適合通過(guò)參與“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”來(lái)達(dá)到節(jié)能減排、降本增效的目標(biāo)。

1 存在的困難

傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常采用-48 V直流供電，其電源系統(tǒng)如圖1所示，作為儲(chǔ)能部件的蓄電池組是直接并接在直流輸出回路上。

圖1 通信用-48 V直流電源系統(tǒng)

利用原有系統(tǒng)的蓄電池組來(lái)開展錯(cuò)峰儲(chǔ)能，存在的困難如下文所述。

（1）原有直流-48 V電源系統(tǒng)沒(méi)有錯(cuò)峰儲(chǔ)能的功能設(shè)計(jì)，若增加這方面的功能則需要進(jìn)行在線升級(jí)改造。但在用的直流-48 V電源系統(tǒng)及其配套的閥控密封鉛酸蓄電池組的生產(chǎn)廠家眾多，品牌、規(guī)格型號(hào)、使用年限等不一致，實(shí)施難度很大。

（2）原有直流-48 V電源系統(tǒng)所配置的蓄電池組容量?jī)H考慮滿足應(yīng)急后備供電的時(shí)長(zhǎng)，若同時(shí)用作后備應(yīng)急保障和錯(cuò)峰儲(chǔ)能，勢(shì)必影響通信網(wǎng)絡(luò)供電保障的可用性能[4]。

（3）原有的蓄電池組一般采用閥控密封鉛酸蓄電池為主，充放電循環(huán)壽命短，按照通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范，閥控密封鉛酸蓄電池的循環(huán)耐久性壽命僅要求不低于400次，不能滿足錯(cuò)峰儲(chǔ)能時(shí)反復(fù)循環(huán)充放電應(yīng)用的需求。

（4）由于同一路市電交流輸入，既要給通信設(shè)備供電，又要給蓄電池組充電，造成電費(fèi)核算的困難，難以體現(xiàn)出利用“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 解決方案

針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種新的解決方案。在不改動(dòng)原有-48 V直流電源系統(tǒng)的前提下，增加一套相對(duì)獨(dú)立的磷酸鐵鋰蓄電池單元，專門用于“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”功能?！蔼?dú)立儲(chǔ)能單元”的電源系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 “獨(dú)立儲(chǔ)能單元”的電源系統(tǒng)

磷酸鐵鋰蓄電池單元在輸入端配備有獨(dú)立的48 V嵌入式的直流電源模塊，作為充電器僅負(fù)責(zé)給磷酸鐵鋰蓄電池組充電，同時(shí)在輸出端直接并聯(lián)接入直流供電回路?！蔼?dú)立儲(chǔ)能單元”的電源系統(tǒng)包括了下列功能。

（1）具備獨(dú)立的交流輸入，通過(guò)直流電源模塊（整流器）單獨(dú)完成對(duì)磷酸鐵鋰蓄電池組的高倍率快速充電。

（2）采取相應(yīng)措施，控制磷酸鐵鋰蓄電池組在放電時(shí)段的優(yōu)先輸出。

（3）采取相應(yīng)措施或利用磷酸鐵鋰電池組的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）進(jìn)行直流輸出控制，防止直流電流反灌到原有直流電源系統(tǒng)和閥控密封鉛酸蓄電池組，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)兩套直流電源的并聯(lián)輸出。

（4）作為控制單元，可以獨(dú)立設(shè)置并實(shí)現(xiàn)市電峰、平、谷不同供電時(shí)段的充放電控制，滿足“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”的需求。

該解決方案有如下特點(diǎn)。

（1）實(shí)施簡(jiǎn)單可行。由于新增設(shè)的磷酸鐵鋰蓄電池單元是獨(dú)立的交流輸入并自帶整流充電器，不需對(duì)原有的供電電源作任何變動(dòng)。因此，可以不考慮原有的直流-48 V電源系統(tǒng)及其閥控密封鉛酸蓄電池組的性能、狀態(tài)如何，都可以實(shí)現(xiàn)“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”的功能。

（2）不影響原供電系統(tǒng)的功能。錯(cuò)峰儲(chǔ)能采用新增設(shè)的磷酸鐵鋰蓄電池組單元為獨(dú)立控制，其在市電峰、平、谷不同供電時(shí)段實(shí)施的充放電控制僅限于本身，不會(huì)對(duì)原有的直流-48 V電源系統(tǒng)產(chǎn)生任何的沖突、干擾和影響。

（3）不影響后備供電的可用性。錯(cuò)峰儲(chǔ)能采用新增設(shè)的磷酸鐵鋰蓄電池組作為儲(chǔ)能部件，不會(huì)增加原有閥控密封鉛酸蓄電池組的保障壓力。相反，還可以延長(zhǎng)供電保障時(shí)長(zhǎng)和能力，提高了供電可用性。在條件允許的情況下，還可以根據(jù)實(shí)際情況和需要逐步減少甚至停用壽命到期的原有閥控密封鉛酸蓄電池組，實(shí)現(xiàn)后備蓄電池組的升級(jí)更新。

（4）不會(huì)出現(xiàn)兩套直流電源系統(tǒng)之間的環(huán)流。由于新增設(shè)的磷酸鐵鋰蓄電池單元在直流輸出端已經(jīng)采取了相應(yīng)的防反灌措施，確保輸出電流流向負(fù)載，從而避免了兩套直流電源并聯(lián)輸出可能出現(xiàn)的環(huán)流問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)級(jí)的并聯(lián)冗余工作。

（5）滿足“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”對(duì)蓄電池組的充放電循環(huán)次數(shù)要求。按照通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信用磷酸鐵鋰電池組 第1部分：集成式電池組》YD/T 2344.1—2011的要求，獨(dú)立儲(chǔ)能單元所采用的是磷酸鐵鋰蓄電池組的循環(huán)壽命不少于1 000次。實(shí)際上經(jīng)歷了10多年的技術(shù)發(fā)展，磷酸鐵鋰蓄電池的循環(huán)壽命已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)此要求，是目前比較適合用于電化學(xué)循環(huán)儲(chǔ)能部件，完全可以滿足“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”的循環(huán)使用要求。

（6）有利于儲(chǔ)能電池的規(guī)范化。由于新增設(shè)的磷酸鐵鋰蓄電池單元自帶有充電器（整流模塊），不需要借助原有直流-48 V電源系統(tǒng)的供電能力，所配置的整流模塊也不需要考慮對(duì)負(fù)載的供電能力和保障要求，非常方便工廠的制造生產(chǎn)和加工，有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和定制化，有利于規(guī)模化的推廣應(yīng)用[5]。

（7）方便新能源的引入應(yīng)用。在磷酸鐵鋰蓄電池單元兼容性地增加DC/DC模塊及相關(guān)控制功能，如圖3所示，即可以很方便地將太陽(yáng)能光伏組件接入單元內(nèi)，直接給蓄電池組進(jìn)行充電。只要有充足的太陽(yáng)能日照投射面積來(lái)安裝太陽(yáng)能光伏組件，就可以有足夠的太陽(yáng)能光伏電能。從而有效降低交流市電的負(fù)荷，提高綠色能源應(yīng)用的比例，實(shí)現(xiàn)減碳降費(fèi)。甚至可以全部采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電而不需使用大電網(wǎng)的交流市電供電，實(shí)現(xiàn)“零碳”用電。

圖3 “太陽(yáng)能+獨(dú)立儲(chǔ)能單元”的電源系統(tǒng)

該解決方案中的磷酸鐵鋰蓄電池單元，已經(jīng)順利研發(fā)成功并得到規(guī)?；脑圏c(diǎn)和應(yīng)用，已經(jīng)獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 實(shí)施案例及效果

3.1 “削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”應(yīng)用

利用各地政府和電力部門峰谷電價(jià)政策，直接實(shí)現(xiàn)“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”為企業(yè)降費(fèi)增效。

某地區(qū)高峰電價(jià)1.34元，低谷電價(jià)0.32元，峰平谷比價(jià)為1.7:1:0.38，則峰谷電價(jià)差達(dá)到1.02元。

磷酸鐵鋰蓄電池單元后，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”的效果非常明顯。以100 A負(fù)載計(jì)算，每天高峰時(shí)段7 h全部用儲(chǔ)能進(jìn)行放電、低谷時(shí)段為8 h進(jìn)行充電（完全可以滿足充滿的需求），設(shè)備轉(zhuǎn)換效率為90%，則理論計(jì)算每天可節(jié)省電費(fèi)34.38元。

3.2 “太陽(yáng)能光伏+儲(chǔ)能”（光儲(chǔ)電源）應(yīng)用

在實(shí)現(xiàn)“削峰填谷、錯(cuò)峰儲(chǔ)能”的同時(shí)，利用當(dāng)?shù)鼐终镜氖芄饪臻g，加裝光伏組件，形成光伏儲(chǔ)能。在充分太陽(yáng)能的綠色電力的同時(shí)，還可以進(jìn)一步為企業(yè)降費(fèi)增效。

在某地的通信接入網(wǎng)點(diǎn)的屋頂安裝太陽(yáng)能光伏組件，接入磷酸鐵鋰蓄電池單元，并控制太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)先應(yīng)用。太陽(yáng)能光伏+儲(chǔ)能”應(yīng)用如圖4所示。

圖4 “太陽(yáng)能光伏+儲(chǔ)能”應(yīng)用

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1 kW光伏組件年平均每天約可以發(fā)電4 kW·h。安裝配置單板功率為415 W的光伏板16塊，合計(jì)峰值功率為6.640 kW。平均每天發(fā)電26.56 kW·h，每年可發(fā)電9 694.4 kW·h。

3.3 “太陽(yáng)能光伏+儲(chǔ)能+甲重整制氫燃料電池”（光儲(chǔ)氫一體式電源）應(yīng)用

在山區(qū)、海島等無(wú)電地區(qū)，為保證連續(xù)不間斷供電保障，在采用“太陽(yáng)能光伏+儲(chǔ)能”應(yīng)用的基礎(chǔ)上，增加“甲醇重整”氫燃料電池系統(tǒng)。

某海島需要設(shè)置移動(dòng)通信基站，但環(huán)境較為惡劣，沒(méi)有相應(yīng)的電力供應(yīng)。采用了光氫儲(chǔ)一體式電源，如圖5所示。

圖5 光儲(chǔ)氫一體式電源系統(tǒng)

（1）在有光照的條件下最大化利用太陽(yáng)能。在白天晴朗天氣下，太陽(yáng)能光伏發(fā)電可以滿足全天的設(shè)備運(yùn)行用電需求和儲(chǔ)能設(shè)備的充電。

（2）在無(wú)光照的條件下利用儲(chǔ)能設(shè)備放電供能。在短期的陰雨天氣下，充滿電的儲(chǔ)能設(shè)備可以滿足2天無(wú)光照條件的用電需求。

（3）在長(zhǎng)期陰雨天氣下啟動(dòng)氫燃料電池發(fā)電。在長(zhǎng)期的陰雨天氣下，滿容量的甲醇燃料可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制氫，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可以滿足連續(xù)約7個(gè)月的用電需求。