梯次電池在通信基站削峰填谷的應用研究

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1 背景

1.1 動力電池的梯級利用

截至2017年底，市場上新能源汽車的保有量已經超過160萬輛。2016、2017年退役的動力電池多為2012-2013年開始服役。根據2011年以來新能源汽車歷年產銷數據進行統計、測算，判斷2018～2020年將迎來動力電池退役潮，預計2018-2020年的動力電池退役容量分別為2.7GWh、9.1GWh、14.3GWh，同比增速分別為182.9%、235.4%、57.1%。由此可見，解決退役動力電池回收利用的問題迫在眉睫。

2016年12月1日，國家工信部節能與綜合利用司公布了《新能源汽車動力蓄電池回收利用暫行管理辦法》(征求意見稿)，以規范和引導廢舊動力電池的綜合應用。2018年2月26日，工信部網站發布由工信部、科技部、環境保護部、交通運輸部、商務部、質檢總局、能源局七部委聯合印發的《新能源汽車動力蓄電池回收利用管理暫行辦法》。廢舊動力蓄電池的利用應遵循先梯級利用后再生利用的原則，提高資源利用率。梯次電池應用是節能環保、新能源等國家戰略新興產業發展的重大創新，對于推動低碳經濟、綠色經濟、循環經濟的發展具有非常重要的現實意義，利國利民。鐵塔公司在全國范圍內擁有190萬座基站，具備規模化開展梯次電池應用的先天優勢。

1.2 峰平谷電價情況

根據國家發改委[2016]74號文第九條規定，加強電力需求側管理。推行節能低碳、環保電力調度，建設國家電力需求側管理平臺，推廣電能服務，總結電力需求側管理城市綜合試點經驗，實施工業領域電力需求側管理專項行動，引導電網企業支持和配合平臺建設及試點工作，鼓勵電力用戶積極采用節電技術產品，優化用電方式。深化電力體制改革，擴大峰谷電價、分時電價、可中斷電價實施范圍。加強儲能和智能電網建設，增強電網調峰和需求側響應能力。

2 基站削峰填谷方案

2.1 原理

基站“削峰填谷”，利用蓄電池的儲能功能，把用電“負荷”從用電高峰“卸載”到用電低谷。在谷電時段將電能轉換成化學能儲存；在用電高峰時段將化學能轉換成電能，即利用電池的儲能功能，在“谷”時充電，“峰”時放電，對通信設備供電。

其中河北北電網的電價情況如1表所示。

表1 河北北電網峰平谷時段及電價

由次可見，河北北電網“削峰”的時長為8個小時。

2.2 梯次電池的優勢

前期動力電池主要以磷酸鐵鋰電池為主，因此目前梯次利用的動力電池主要是磷酸鐵鋰電池，雖已不能滿足汽車的使用條件，但仍然擁有一定的剩余容量，其壽命并未完全終止，繼續使用在通信機房，充分發揮其剩余價值。降低基站造價，節約能源，保護環境。與傳統的鉛酸電池相比，梯次電池性能在以下方面具有優勢：

（1）循環壽命長

傳統鉛酸電池的循環壽命為300次，削峰填谷使用期限不到一年。而梯次鋰電池的循環壽命為1500次以上，使用時間可達4.1年以上。

（2）耐高溫

磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃～500℃，電池工作溫度范圍寬（-20℃～＋55℃）。鉛酸電池穩定工作的溫度范圍25℃～28℃，溫度升高會損壞電池，減少電池使用壽命。

（3）高能量密度

磷酸鐵鋰電池產品重量比能量可超過130 Wh/Kg（0.2C, 25℃），體積比能量為210Wh/L；鉛酸電池產品重量比能量為32～37 Wh/Kg（0.2C, 25℃），體積比能量為70Wh/L。

（4）大電流充放電

磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電，起動電流可達5C以上；鉛酸電池現在無此性能，所以磷酸鐵鋰電池充電時間短。

（5）綠色環保

磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬，無毒（SGS認證通過）；鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，在其廢棄后若處理不當，仍將對環境夠成二次污染。

2.3 削峰填谷電源系統的組成

鋰離子電池/梯次利用動力電池替代鉛酸電池在基站供電系統結構上沒有任何變化，主要差別是電池系統自帶BMS，BMS可以通過FSU接受后臺管理，也可以與通信電源監控單元連接，由監控單元對電池直接管理。（如圖1所示）

2.4 方案實施

在充分考慮到供電環境、基站設備功耗等因素后最終選取廊坊市北旺鄉西村通信基站，該站點位于華北電網（河北北網）區域，為移動單家需求站點，站內通信設備直流負載為1200W。

2.4.1 梯次電池建設方案

梯次電池組容量配置結合基站削峰時長、備電時長等因素確定，依據梯次電池的大電流放電、耐高溫等特性，原則上按照以下配置。

梯次電池總容量

圖1 削峰填谷電源系統

其中削峰填谷所需梯次電池總容量為

式中：

K--安全系數，取1.25；

a--溫度調整系數，寒冷、寒溫I、寒溫II地區取1.25；其余地區取1.0；

P—通信設備功耗（W）；

2.4.2 開關電源建設方案

建設新型開關電源，具備削峰填谷功能，依據國家電網制定的不同時段電價的不同，通過對基站供電系統的控制，在谷電時段，對電池組進行充電；在用電高峰時段，切斷市電，通過電池組對負載進行供電，把用電“負荷”從用電高峰“卸載”到用電低谷。利用梯次電池循環壽命高的特性，從而實現“削峰填谷”。

對于新建基站開關電源的整流模塊容量按本期負荷配置，整流模塊數按n方式配置。

n={基站設備平均功率條件下直流負荷+蓄電池充電電流（按基站蓄電池組總容量/10進行計算）}/本期配置單個整流模塊容量，進位取整數。

3 收益分析

電源參數設置：

浮充電壓：3.55V×16=56.8V；

均充電壓：56.8V；

充電限流值：0.1C-1C，默認值0.1C；

一次下電電壓：3.05V*16=48.8V；

二次下電電壓：2.7V*16=43.2V。

3.1 經驗分析法

基站開啟削峰填谷前，通信設備耗電量為

式中：

W—直流設備功耗(KW)

T—削峰時長

—開關電源轉換效率

基站啟動削峰填谷后，通信設備耗電量為

式中：

削峰填谷前通信設備使用峰時電，電價為0.89元/度,那么削峰填谷前電費為

削峰填谷后通信設備使用電池儲能電，電池儲能電為谷時電，電價為0.4元/度,那么削峰填谷后電費為

那么削峰填谷日收益為

3.2 實驗分析法

2017年7月取該站點1個月的削峰填谷測試數據（削峰8小時），電價峰值時段，單日平均減少市電需求9.8度。電價谷值時段，單日平均增加市電需求11.7度。削峰填谷關閉，直流設備耗電37度，共計24元。削峰填谷開啟，直流設備耗電38.4度，共計19.64元。則削峰填谷日收益（削峰8小時）為4.37元。（見表2）

其中，電池實際充放電效率

表2 削峰填谷收益實驗數據

3.3 對比分析

通過對比，可以看出經驗分析法和實驗分析法得出的削峰填谷日收益很接近，差距主要是由電池的實際充放電效率較低引起。實驗分析法更精準，故采用實驗分析法的結果。

4 效益分析

4.1 度電成本

削峰填谷儲能總投資為用于削峰填谷的梯次電池投資，需配置的電池容量為240AH，采購價格為1.14元/AH（2V），總投資為6566元。

削峰填谷度電成本包括儲能設備使用成本和谷時電使用成本，故度電成本為

由此可見削峰填谷的電費度電成本低于峰時電價，方案經濟性可行。

4.2 靜態回收期測算

削峰填谷項目的靜態回收期為

4.3 敏感性因素分析

設定梯次電池工作年限大于等于6年、充放電效率88.6%的條件，峰谷電費差價越大，收益越好。（如圖2所示）

圖2 峰谷電價差敏感性分析

5 結論

隨著梯次電池的回收技術的改進，性能和壽命的提升，更能適合通信基站的削峰填谷儲能應用，一方面推動低碳經濟、綠色經濟、循環經濟的發展，有非常重要的現實意義，既利國又利民；一方面可以減小電網負荷峰谷差，使發電、用電趨于平衡，降低電能浪費。點多面廣的基站資源也讓中國鐵塔具備規模化開展梯次電池應用的先天優勢，因此通信基站是梯次電池的最佳應用場景。