一种通信电源错峰储能技术解决方案

侯福平，孙文波

（中国电信研究院，广东 广州 510630）

0 引 言

2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”、2060年“碳中和”目标。在国家全力推进“双碳”的大形势下，有关部门努力推进“削峰填谷、错峰用电、智慧储能”的均衡用电节能政策，推出一系列的峰谷电价的优惠利好措施，鼓励全社会积极参与大电网的削峰填谷、均衡用电。目前，正是大力开展“削峰填谷、错峰储能”策略，实现企业提质增效的有利时机[1-3]。

对于通信运营商而言，通信网络的接入层面（移动基站、接入网、边缘数据中心等）拥有大量的站点，用电负荷基本上全天平稳，市电供电有一定的保障而且又配备了足够数量的后备蓄电池组，这些分布式的储能蓄电池系统非常适合通过参与“削峰填谷、错峰储能”来达到节能减排、降本增效的目标。

1 存在的困难

传统的通信网络设备通常采用-48 V直流供电，其电源系统如图1所示，作为储能部件的蓄电池组是直接并接在直流输出回路上。

图1 通信用-48 V直流电源系统

利用原有系统的蓄电池组来开展错峰储能，存在的困难如下文所述。

（1）原有直流-48 V电源系统没有错峰储能的功能设计，若增加这方面的功能则需要进行在线升级改造。但在用的直流-48 V电源系统及其配套的阀控密封铅酸蓄电池组的生产厂家众多，品牌、规格型号、使用年限等不一致，实施难度很大。

（2）原有直流-48 V电源系统所配置的蓄电池组容量仅考虑满足应急后备供电的时长，若同时用作后备应急保障和错峰储能，势必影响通信网络供电保障的可用性能[4]。

（3）原有的蓄电池组一般采用阀控密封铅酸蓄电池为主，充放电循环寿命短，按照通信行业标准的技术规范，阀控密封铅酸蓄电池的循环耐久性寿命仅要求不低于400次，不能满足错峰储能时反复循环充放电应用的需求。

（4）由于同一路市电交流输入，既要给通信设备供电，又要给蓄电池组充电，造成电费核算的困难，难以体现出利用“削峰填谷、错峰储能”所带来的经济效益。

2 解决方案

针对上述问题，提出一种新的解决方案。在不改动原有-48 V直流电源系统的前提下，增加一套相对独立的磷酸铁锂蓄电池单元，专门用于“削峰填谷、错峰储能”功能。“独立储能单元”的电源系统如图2所示。

图2 “独立储能单元”的电源系统

磷酸铁锂蓄电池单元在输入端配备有独立的48 V嵌入式的直流电源模块，作为充电器仅负责给磷酸铁锂蓄电池组充电，同时在输出端直接并联接入直流供电回路。“独立储能单元”的电源系统包括了下列功能。

（1）具备独立的交流输入，通过直流电源模块（整流器）单独完成对磷酸铁锂蓄电池组的高倍率快速充电。

（2）采取相应措施，控制磷酸铁锂蓄电池组在放电时段的优先输出。

（3）采取相应措施或利用磷酸铁锂电池组的电池管理系统（Battery Management System，BMS）进行直流输出控制，防止直流电流反灌到原有直流电源系统和阀控密封铅酸蓄电池组，同时可以实现两套直流电源的并联输出。

（4）作为控制单元，可以独立设置并实现市电峰、平、谷不同供电时段的充放电控制，满足“削峰填谷、错峰储能”的需求。

该解决方案有如下特点。

（1）实施简单可行。由于新增设的磷酸铁锂蓄电池单元是独立的交流输入并自带整流充电器，不需对原有的供电电源作任何变动。因此，可以不考虑原有的直流-48 V电源系统及其阀控密封铅酸蓄电池组的性能、状态如何，都可以实现“削峰填谷、错峰储能”的功能。

（2）不影响原供电系统的功能。错峰储能采用新增设的磷酸铁锂蓄电池组单元为独立控制，其在市电峰、平、谷不同供电时段实施的充放电控制仅限于本身，不会对原有的直流-48 V电源系统产生任何的冲突、干扰和影响。

（3）不影响后备供电的可用性。错峰储能采用新增设的磷酸铁锂蓄电池组作为储能部件，不会增加原有阀控密封铅酸蓄电池组的保障压力。相反，还可以延长供电保障时长和能力，提高了供电可用性。在条件允许的情况下，还可以根据实际情况和需要逐步减少甚至停用寿命到期的原有阀控密封铅酸蓄电池组，实现后备蓄电池组的升级更新。

（4）不会出现两套直流电源系统之间的环流。由于新增设的磷酸铁锂蓄电池单元在直流输出端已经采取了相应的防反灌措施，确保输出电流流向负载，从而避免了两套直流电源并联输出可能出现的环流问题。实现直流电源系统级的并联冗余工作。

（5）满足“削峰填谷、错峰储能”对蓄电池组的充放电循环次数要求。按照通信行业标准《通信用磷酸铁锂电池组 第1部分：集成式电池组》YD/T 2344.1—2011的要求，独立储能单元所采用的是磷酸铁锂蓄电池组的循环寿命不少于1 000次。实际上经历了10多年的技术发展，磷酸铁锂蓄电池的循环寿命已经远超过此要求，是目前比较适合用于电化学循环储能部件，完全可以满足“削峰填谷、错峰储能”的循环使用要求。

（6）有利于储能电池的规范化。由于新增设的磷酸铁锂蓄电池单元自带有充电器（整流模块），不需要借助原有直流-48 V电源系统的供电能力，所配置的整流模块也不需要考虑对负载的供电能力和保障要求，非常方便工厂的制造生产和加工，有利于产品的标准化、规范化和定制化，有利于规模化的推广应用[5]。

（7）方便新能源的引入应用。在磷酸铁锂蓄电池单元兼容性地增加DC/DC模块及相关控制功能，如图3所示，即可以很方便地将太阳能光伏组件接入单元内，直接给蓄电池组进行充电。只要有充足的太阳能日照投射面积来安装太阳能光伏组件，就可以有足够的太阳能光伏电能。从而有效降低交流市电的负荷，提高绿色能源应用的比例，实现减碳降费。甚至可以全部采用太阳能光伏发电而不需使用大电网的交流市电供电，实现“零碳”用电。

图3 “太阳能+独立储能单元”的电源系统

该解决方案中的磷酸铁锂蓄电池单元，已经顺利研发成功并得到规模化的试点和应用，已经获得良好的经济效益。

3 实施案例及效果

3.1 “削峰填谷、错峰储能”应用

利用各地政府和电力部门峰谷电价政策，直接实现“削峰填谷、错峰储能”为企业降费增效。

某地区高峰电价1.34元，低谷电价0.32元，峰平谷比价为1.7:1:0.38，则峰谷电价差达到1.02元。

磷酸铁锂蓄电池单元后，实现“削峰填谷、错峰储能”的效果非常明显。以100 A负载计算，每天高峰时段7 h全部用储能进行放电、低谷时段为8 h进行充电（完全可以满足充满的需求），设备转换效率为90%，则理论计算每天可节省电费34.38元。

3.2 “太阳能光伏+储能”（光储电源）应用

在实现“削峰填谷、错峰储能”的同时，利用当地局站的受光空间，加装光伏组件，形成光伏储能。在充分太阳能的绿色电力的同时，还可以进一步为企业降费增效。

在某地的通信接入网点的屋顶安装太阳能光伏组件，接入磷酸铁锂蓄电池单元，并控制太阳能发电的优先应用。太阳能光伏+储能”应用如图4所示。

图4 “太阳能光伏+储能”应用

根据实测数据统计，1 kW光伏组件年平均每天约可以发电4 kW·h。安装配置单板功率为415 W的光伏板16块，合计峰值功率为6.640 kW。平均每天发电26.56 kW·h，每年可发电9 694.4 kW·h。

3.3 “太阳能光伏+储能+甲重整制氢燃料电池”（光储氢一体式电源）应用

在山区、海岛等无电地区，为保证连续不间断供电保障，在采用“太阳能光伏+储能”应用的基础上，增加“甲醇重整”氢燃料电池系统。

某海岛需要设置移动通信基站，但环境较为恶劣，没有相应的电力供应。采用了光氢储一体式电源，如图5所示。

图5 光储氢一体式电源系统

（1）在有光照的条件下最大化利用太阳能。在白天晴朗天气下，太阳能光伏发电可以满足全天的设备运行用电需求和储能设备的充电。

（2）在无光照的条件下利用储能设备放电供能。在短期的阴雨天气下，充满电的储能设备可以满足2天无光照条件的用电需求。

（3）在长期阴雨天气下启动氢燃料电池发电。在长期的阴雨天气下，满容量的甲醇燃料可以实现现场制氢，氢燃料电池发电系统可以满足连续约7个月的用电需求。