梯次電池在通信基站削峰填谷的應(yīng)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(jīng)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(jù)2011年以來新能源汽車歷年產(chǎn)銷數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、測算，判斷2018～2020年將迎來動力電池退役潮，預(yù)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(jié)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(guī)范和引導(dǎo)廢舊動力電池的綜合應(yīng)用。2018年2月26日，工信部網(wǎng)站發(fā)布由工信部、科技部、環(huán)境保護部、交通運輸部、商務(wù)部、質(zhì)檢總局、能源局七部委聯(lián)合印發(fā)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(yīng)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(yīng)用是節(jié)能環(huán)保、新能源等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大創(chuàng)新，對于推動低碳經(jīng)濟、綠色經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義，利國利民。鐵塔公司在全國范圍內(nèi)擁有190萬座基站，具備規(guī)?；_展梯次電池應(yīng)用的先天優(yōu)勢。

1.2 峰平谷電價情況

根據(jù)國家發(fā)改委[2016]74號文第九條規(guī)定，加強電力需求側(cè)管理。推行節(jié)能低碳、環(huán)保電力調(diào)度，建設(shè)國家電力需求側(cè)管理平臺，推廣電能服務(wù)，總結(jié)電力需求側(cè)管理城市綜合試點經(jīng)驗，實施工業(yè)領(lǐng)域電力需求側(cè)管理專項行動，引導(dǎo)電網(wǎng)企業(yè)支持和配合平臺建設(shè)及試點工作，鼓勵電力用戶積極采用節(jié)電技術(shù)產(chǎn)品，優(yōu)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(wǎng)建設(shè)，增強電網(wǎng)調(diào)峰和需求側(cè)響應(yīng)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(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存；在用電高峰時段將化學(xué)能轉(zhuǎn)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(shè)備供電。

其中河北北電網(wǎng)的電價情況如1表所示。

表1 河北北電網(wǎng)峰平谷時段及電價

由次可見，河北北電網(wǎng)“削峰”的時長為8個小時。

2.2 梯次電池的優(yōu)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(xù)使用在通信機房，充分發(fā)揮其剩余價值。降低基站造價，節(jié)約能源，保護環(huán)境。與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，梯次電池性能在以下方面具有優(yōu)勢：

（1）循環(huán)壽命長

傳統(tǒng)鉛酸電池的循環(huán)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(huán)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(wěn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)在無此性能，所以磷酸鐵鋰電池充電時間短。

（5）綠色環(huán)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(dāng)，仍將對環(huán)境夠成二次污染。

2.3 削峰填谷電源系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)上沒有任何變化，主要差別是電池系統(tǒng)自帶BMS，BMS可以通過FSU接受后臺管理，也可以與通信電源監(jiān)控單元連接，由監(jiān)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(huán)境、基站設(shè)備功耗等因素后最終選取廊坊市北旺鄉(xiāng)西村通信基站，該站點位于華北電網(wǎng)（河北北網(wǎng)）區(qū)域，為移動單家需求站點，站內(nèi)通信設(shè)備直流負載為1200W。

2.4.1 梯次電池建設(shè)方案

梯次電池組容量配置結(jié)合基站削峰時長、備電時長等因素確定，依據(jù)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?cè)萘?/p>

圖1 削峰填谷電源系統(tǒng)

其中削峰填谷所需梯次電池總?cè)萘繛?/p>

式中：

K--安全系數(shù)，取1.25；

a--溫度調(diào)整系數(shù)，寒冷、寒溫I、寒溫II地區(qū)取1.25；其余地區(qū)取1.0；

P—通信設(shè)備功耗（W）；

2.4.2 開關(guān)電源建設(shè)方案

建設(shè)新型開關(guān)電源，具備削峰填谷功能，依據(jù)國家電網(wǎng)制定的不同時段電價的不同，通過對基站供電系統(tǒng)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(huán)壽命高的特性，從而實現(xiàn)“削峰填谷”。

對于新建基站開關(guān)電源的整流模塊容量按本期負荷配置，整流模塊數(shù)按n方式配置。

n={基站設(shè)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?cè)萘?10進行計算）}/本期配置單個整流模塊容量，進位取整數(shù)。

3 收益分析

電源參數(shù)設(shè)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(jīng)驗分析法

基站開啟削峰填谷前，通信設(shè)備耗電量為

式中：

W—直流設(shè)備功耗(KW)

T—削峰時長

—開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率

基站啟動削峰填谷后，通信設(shè)備耗電量為

式中：

削峰填谷前通信設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)（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(guān)閉，直流設(shè)備耗電37度，共計24元。削峰填谷開啟，直流設(shè)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(shù)據(jù)

3.3 對比分析

通過對比，可以看出經(jīng)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(jié)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(shè)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(jīng)濟性可行。

4.2 靜態(tài)回收期測算

削峰填谷項目的靜態(tài)回收期為

4.3 敏感性因素分析

設(shè)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(jié)論

隨著梯次電池的回收技術(shù)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(yīng)用，一方面推動低碳經(jīng)濟、綠色經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，有非常重要的現(xiàn)實意義，既利國又利民；一方面可以減小電網(wǎng)負荷峰谷差，使發(fā)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(guī)?；_展梯次電池應(yīng)用的先天優(yōu)勢，因此通信基站是梯次電池的最佳應(yīng)用場景。