計及分時電價的5G基站光儲系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法
韓子顏1,2, 王守相1,2, 趙倩宇1,2, 鄭志杰3
（1. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室（天津大學(xué)），天津 300072; 2. 電力系統(tǒng)仿真控制天津市重點實驗室（天津大學(xué)），天津 300072; 3. 國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021）
摘要：隨著第5代移動通信技術(shù)（5G通信）的迅速發(fā)展，5G基站數(shù)量不斷增加，5G通信耗電量大、用電成本高的問題日益突出。為此，提出了考慮光伏和儲能接入的5G基站光儲系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，以提高5G基站運行的經(jīng)濟性。首先，考慮5G基站負荷情況和配電網(wǎng)分時電價，建立了5G基站光儲系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度模型；然后，通過量子粒子群優(yōu)化算法計算典型日內(nèi)5G基站光儲系統(tǒng)的最小綜合成本，以此確定光伏和儲能的最優(yōu)接入容量；最后，通過算例證明合理配置光伏和儲能容量可以提高5G基站系統(tǒng)的經(jīng)濟性。光伏和儲能容量的配置受儲能成本和峰谷電價差的影響較大，且光儲系統(tǒng)所能帶來的經(jīng)濟效益隨峰谷電價差的增大和儲能成本的降低而增大。
引文信息
韓子顏, 王守相, 趙倩宇, 等. 計及分時電價的5G基站光儲系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法[J]. 中國電力, 2022, 55(9): 8-15.
HAN Ziyan, WANG Shouxiang, ZHAO Qianyu, et al. A capacity optimization configuration method for photovoltaic and energy storage system of 5G base station considering time-of-use electricity price[J]. Electric Power, 2022, 55(9): 8-15.
引言
隨著新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)概念的提出，排在“新基建”七大產(chǎn)業(yè)中第一位的5G基站建設(shè)得到了大力發(fā)展[1]。2019年11月，5G通信開始商用，對5G基站建設(shè)的投入不斷加大。截至2021年9月，全國已累計開通超過115.9萬個5G基站，終端連接數(shù)達4.5億[2]，預(yù)計到2025年中國5G基站數(shù)量將達800萬個[3-4]。
數(shù)量龐大的5G基站可以保障5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的有效性，也會增加通信運營商的用電量。目前主要運營的5G基站主設(shè)備空載功耗約為2.3 kW，單站滿載功耗約為3.8 kW，遠超過4G基站的功耗[5-6]。另一方面，由于5G基站主要部署在高頻段，單站覆蓋范圍變小，平均覆蓋范圍為450 m左右，而4G基站的平均覆蓋范圍為1500 m左右[7-8]。為了達到同樣的通信覆蓋效果，5G基站的建設(shè)數(shù)量也將大大超過4G基站。預(yù)計到2025年，5G基站總用電量將近2 000億kW·h/年，占全社會用電量的2.0%[9]。因此，通信運營商能否找到有效降低基站耗電量的辦法將影響到未來5G通信的普及。
現(xiàn)階段對于如何減少5G基站的用電成本已展開了諸多研究。文獻[10]考慮在不同的通信運營商之間，通過無線負載共享和能源互動使輕負載的基站進入休眠模式，以此來節(jié)省能源成本。文獻[11]提出了在不同基站間可以分別通過能源合作、通信合作以及能源與通信聯(lián)合合作的方式，來降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的能源成本。文獻[12]提出了一種設(shè)置基礎(chǔ)覆蓋4G小區(qū)門限，建立鄰區(qū)忙時喚醒機制的5G智能節(jié)能方法，結(jié)果證明在實驗區(qū)域內(nèi)取得了良好的效果。
與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)允許組件之間能量的雙向流動，這推動了5G基站與電網(wǎng)互動理念的發(fā)展[13-14]。在能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，為5G基站配置分布式電源和儲能裝置，未來將成為通信基站能耗高和用電成本大的一種潛在解決方案。通過對配有分布式電源和儲能的基站進行用電調(diào)度，讓通信運營商參與電網(wǎng)需求響應(yīng)，可以減少用電支出和碳排放。
基于此背景，本文開展了基于光伏發(fā)電和儲能的5G基站光儲系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法研究，利用光伏發(fā)電解決5G基站用電成本大的問題，通過配置儲能對光伏出力和峰谷電價差進行合理利用，進一步降低5G基站運行成本。
1 基站能耗模型
2 基站光儲系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
2.1 目標函數(shù)
2.2 約束條件
3 模型求解
對于本文的優(yōu)化問題，采用QPSO算法進行求解，粒子群體大小N為5889，維數(shù)d為25，目標函數(shù)為適應(yīng)度函數(shù)。在滿足約束條件的情況下，求得5G基站光儲系統(tǒng)的綜合成本費用最小值，并可以確定光伏和儲能的最佳接入容量。求解流程如圖1所示。
4 算例分析
4.1 數(shù)據(jù)資料
選取天津市某5G基站為例，已知該基站站址具備建設(shè)光伏發(fā)電和儲能的條件。
該基站的靜態(tài)能耗為2.3 kW，基站的能耗效率系數(shù)為2.8571[27]，基站的最大動態(tài)能耗為550 W。通信數(shù)據(jù)量系數(shù)的選取與流量高低有關(guān)，在02:00—07:00時段為[0.5, 0.75]間的隨機數(shù)，在00:00—02:00、08:00—24:00時段為[0.75, 1]間的隨機數(shù)。為保證算例分析不受通信數(shù)據(jù)量系數(shù)的影響，數(shù)值大小在每個場景中保持不變。
這里做以下假定：光伏的最大允許安裝容量為15 kW，光伏發(fā)電的建設(shè)成本為3735元/kW，單個光伏組件最大發(fā)電功率為400 W，回收年限為15年，單位輸出功率的維護費用為0.21元/kW。儲能的最大允許安裝容量為15 kW·h，單位容量安裝投資費用為1000元/(kW·h)，單位容量年運行維護費用為100元/(kW·h)，平均每天的衰減率取0.04%，回收年限為8年，荷電狀態(tài)的上下限分別為0.95、0.3，系統(tǒng)貼現(xiàn)率取8%。
為了分析不同電價對結(jié)果的影響，設(shè)計了具有相同背景和參數(shù)設(shè)置的3個場景，區(qū)別如下。
（1）場景1：基站光儲系統(tǒng)一天各個時段向電網(wǎng)的購售電價如表1所示。
場景1的程序運行結(jié)果中光伏容量為6.8 kW，儲能容量為0；場景2的程序運行結(jié)果中光伏容量為6.8 kW，儲能容量為0；場景3的程序運行結(jié)果中光伏容量為10.4 kW，儲能容量為0。與場景1、場景2相比，場景3的光伏容量較大，說明配置光伏的容量受分時電價的峰谷價差影響。在一定程度上，峰谷價差越大，可建設(shè)光伏的容量越大。3個場景中，儲能容量均為0，說明在3個場景的分時電價條件下，儲能的投資和運行維護成本較高，引入儲能將無法收回成本。
為了探究系統(tǒng)經(jīng)濟效益與儲能成本的關(guān)系，假設(shè)儲能單位容量安裝投資費用逐漸下降，其余數(shù)據(jù)均保持不變，分析3種場景下光伏、儲能容量和系統(tǒng)綜合成本隨儲能成本變化，結(jié)果分別如圖2、圖3、圖4所示。
由圖2、圖3、圖4可以看出，儲能成本降低，可配置的儲能容量隨之增加，5G基站光儲系統(tǒng)的綜合成本減少。在場景1分時電價的條件下，儲能成本下降到571元/(kW·h)時，儲能開始投入建設(shè)；在場景2分時電價的條件下，儲能成本下降到608元/(kW·h)時，儲能開始投入建設(shè)；在場景3分時電價的條件下，儲能成本下降到704元/(kW·h)時，儲能開始投入建設(shè)。說明在分時電價固定的情況下只有儲能成本下降到超過一定閾值時配置儲能才具備經(jīng)濟性。當(dāng)電價峰谷差增大，儲能在單位容量成本較高時可以投入建設(shè)。這說明隨著分時電價峰谷價差的增大，對儲能成本閾值的要求會相應(yīng)降低，儲能所能帶來的經(jīng)濟效益增加，5G基站光儲系統(tǒng)對于儲能的接納能力提高。
隨著儲能成本降低，儲能開始建設(shè)，儲能容量增大，但光伏容量會減小。其主要原因是在儲能容量為0時，為了減小系統(tǒng)的綜合成本，盡可能地使光伏可以滿足電價高峰時段基站能耗的供給。當(dāng)系統(tǒng)開始配置儲能后，由于儲能可以將正午多余的光伏發(fā)電量轉(zhuǎn)移到傍晚電價高峰時段，光伏容量可以適當(dāng)減小。當(dāng)光伏容量為5.6 kW時，儲能成本繼續(xù)降低，光伏容量將不再變化，即光伏容量小于5.6 kW時，配置光伏不具備經(jīng)濟性。
以場景1中儲能單位容量成本為450元/(kW·h)時為例，一天時間內(nèi)系統(tǒng)每小時功率變化情況如圖5所示。
由圖5可以看出，00:00—05:00和23:00—24:00時段光伏發(fā)電出力為0，電網(wǎng)購電量等于基站能耗；05:00—07:00時段光伏設(shè)備開始發(fā)電，光伏出力小于基站能耗，系統(tǒng)從電網(wǎng)購電，電網(wǎng)購電量等于基站能耗減去光伏出力；07:00—09:00時段光伏出力小于基站能耗，系統(tǒng)仍從電網(wǎng)購電，此時處于電價高峰時段，儲能放電來減少一定的購電成本，電網(wǎng)購電量等于基站能耗減去光伏出力和儲能放電量之和；09:00—16:00時段光伏出力大于基站能耗，儲能充電，光伏在滿足基站能耗和儲能充電量后的多余出力向電網(wǎng)售電；16:00—19:00時段電價處于高峰時段，光伏出力小于基站能耗，儲能放電為基站提供部分電量，電網(wǎng)購電量等于基站能耗減去光伏出力與儲能放電量之和；19:00—20:00時段光伏發(fā)電出力為0，電價仍處于高峰時段，儲能放電，但放電量小于基站能耗，系統(tǒng)需從電網(wǎng)購電；20:00—23:00時段光伏發(fā)電出力為0，分時電價處于平時段，儲能不工作，電網(wǎng)購電量等于基站能耗。
儲能利用白天光伏出力有剩余時進行充電，在其余高峰電價時段放電，減少系統(tǒng)的購電費用。這是由于在場景1的分時電價條件下，5G基站光儲系統(tǒng)上網(wǎng)電價低于從電網(wǎng)購電的電價，為使系統(tǒng)費用最小，光伏的盈余功率優(yōu)先選擇給儲能充電，并且為實現(xiàn)儲能經(jīng)濟效益最大化，儲能優(yōu)先在電價高峰時段放電。
5 結(jié)論
本文為解決現(xiàn)階段5G基站耗電量大、通信運營商成本高的問題，提出了5G基站光儲系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置方法，考慮不同分時電價和儲能成本對5G基站光儲系統(tǒng)經(jīng)濟效益以及光伏、儲能配置容量的影響，取得以下結(jié)論。
（1）考慮為5G基站配有合理容量的光伏發(fā)電和儲能，可以降低基站的綜合成本，有效緩解現(xiàn)階段購電費用高的問題。提高分時電價的峰谷價差和降低儲能成本，都會增加光儲系統(tǒng)所能帶來的經(jīng)濟效益。
（2）儲能的配置容量受分時電價和儲能成本的影響。在固定分時電價的情況下，當(dāng)儲能成本下降至一定閾值時，配置儲能才具備經(jīng)濟性。隨著峰谷電價差增大，對開始建設(shè)儲能的閾值要求也會降低。
（3）光伏發(fā)電的配置容量受分時電價和儲能容量的影響。在一定程度上峰谷價差越大，光伏發(fā)電容量越大；儲能容量增大，光伏容量逐漸減小，當(dāng)光伏容量小于某閾值時，配置光伏不具有經(jīng)濟性，因此光伏容量減小至某閾值后將不再減小。
現(xiàn)階段儲能的投資建設(shè)成本較高，引入儲能可能無法收回成本。因此在后續(xù)的研究中可以在保留滿足基站應(yīng)急電能的前提下對5G基站自身配置的冗余儲能進行調(diào)度，并繼續(xù)探討相應(yīng)的方法。
