計(jì)及分時(shí)電價(jià)的5G基站光儲(chǔ)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072; 2. 電力系統(tǒng)仿真控制天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津 300072; 3. 國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250021）
摘要：隨著第5代移動(dòng)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(chǔ)能接入的5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，以提高5G基站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。首先，考慮5G基站負(fù)荷情況和配電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)，建立了5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；然后，通過量子粒子群優(yōu)化算法計(jì)算典型日內(nèi)5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)的最小綜合成本，以此確定光伏和儲(chǔ)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(chǔ)能容量可以提高5G基站系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。光伏和儲(chǔ)能容量的配置受儲(chǔ)能成本和峰谷電價(jià)差的影響較大，且光儲(chǔ)系統(tǒng)所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益隨峰谷電價(jià)差的增大和儲(chǔ)能成本的降低而增大。
引文信息
韓子顏, 王守相, 趙倩宇, 等. 計(jì)及分時(shí)電價(jià)的5G基站光儲(chǔ)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(duì)5G基站建設(shè)的投入不斷加大。截至2021年9月，全國已累計(jì)開通超過115.9萬個(gè)5G基站，終端連接數(shù)達(dá)4.5億[2]，預(yù)計(jì)到2025年中國5G基站數(shù)量將達(dá)800萬個(gè)[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(huì)增加通信運(yùn)營商的用電量。目前主要運(yùn)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(yuǎn)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(dá)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(jì)到2025年，5G基站總用電量將近2 000億kW·h/年，占全社會(huì)用電量的2.0%[9]。因此，通信運(yùn)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(duì)于如何減少5G基站的用電成本已展開了諸多研究。文獻(xiàn)[10]考慮在不同的通信運(yùn)營商之間，通過無線負(fù)載共享和能源互動(dòng)使輕負(fù)載的基站進(jìn)入休眠模式，以此來節(jié)省能源成本。文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(shí)喚醒機(jī)制的5G智能節(jié)能方法，結(jié)果證明在實(shí)驗(yàn)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(dòng)，這推動(dòng)了5G基站與電網(wǎng)互動(dòng)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(chǔ)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(duì)配有分布式電源和儲(chǔ)能的基站進(jìn)行用電調(diào)度，讓通信運(yùn)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(chǔ)能的5G基站光儲(chǔ)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(chǔ)能對(duì)光伏出力和峰谷電價(jià)差進(jìn)行合理利用，進(jìn)一步降低5G基站運(yùn)行成本。
1 基站能耗模型
2 基站光儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
2.1 目標(biāo)函數(shù)
2.2 約束條件
3 模型求解
對(duì)于本文的優(yōu)化問題，采用QPSO算法進(jìn)行求解，粒子群體大小N為5889，維數(shù)d為25，目標(biāo)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(chǔ)系統(tǒng)的綜合成本費(fèi)用最小值，并可以確定光伏和儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(shí)段為[0.5, 0.75]間的隨機(jī)數(shù)，在00:00—02:00、08:00—24:00時(shí)段為[0.75, 1]間的隨機(jī)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(gè)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(gè)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(hù)費(fèi)用為0.21元/kW。儲(chǔ)能的最大允許安裝容量為15 kW·h，單位容量安裝投資費(fèi)用為1000元/(kW·h)，單位容量年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)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(jià)對(duì)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了具有相同背景和參數(shù)設(shè)置的3個(gè)場景，區(qū)別如下。
（1）場景1：基站光儲(chǔ)系統(tǒng)一天各個(gè)時(shí)段向電網(wǎng)的購售電價(jià)如表1所示。
場景1的程序運(yùn)行結(jié)果中光伏容量為6.8 kW，儲(chǔ)能容量為0；場景2的程序運(yùn)行結(jié)果中光伏容量為6.8 kW，儲(chǔ)能容量為0；場景3的程序運(yùn)行結(jié)果中光伏容量為10.4 kW，儲(chǔ)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(shí)電價(jià)的峰谷價(jià)差影響。在一定程度上，峰谷價(jià)差越大，可建設(shè)光伏的容量越大。3個(gè)場景中，儲(chǔ)能容量均為0，說明在3個(gè)場景的分時(shí)電價(jià)條件下，儲(chǔ)能的投資和運(yùn)行維護(hù)成本較高，引入儲(chǔ)能將無法收回成本。
為了探究系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益與儲(chǔ)能成本的關(guān)系，假設(shè)儲(chǔ)能單位容量安裝投資費(fèi)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(chǔ)能容量和系統(tǒng)綜合成本隨儲(chǔ)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(chǔ)能成本降低，可配置的儲(chǔ)能容量隨之增加，5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)的綜合成本減少。在場景1分時(shí)電價(jià)的條件下，儲(chǔ)能成本下降到571元/(kW·h)時(shí)，儲(chǔ)能開始投入建設(shè)；在場景2分時(shí)電價(jià)的條件下，儲(chǔ)能成本下降到608元/(kW·h)時(shí)，儲(chǔ)能開始投入建設(shè)；在場景3分時(shí)電價(jià)的條件下，儲(chǔ)能成本下降到704元/(kW·h)時(shí)，儲(chǔ)能開始投入建設(shè)。說明在分時(shí)電價(jià)固定的情況下只有儲(chǔ)能成本下降到超過一定閾值時(shí)配置儲(chǔ)能才具備經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)電價(jià)峰谷差增大，儲(chǔ)能在單位容量成本較高時(shí)可以投入建設(shè)。這說明隨著分時(shí)電價(jià)峰谷價(jià)差的增大，對(duì)儲(chǔ)能成本閾值的要求會(huì)相應(yīng)降低，儲(chǔ)能所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益增加，5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)于儲(chǔ)能的接納能力提高。
隨著儲(chǔ)能成本降低，儲(chǔ)能開始建設(shè)，儲(chǔ)能容量增大，但光伏容量會(huì)減小。其主要原因是在儲(chǔ)能容量為0時(shí)，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(jià)高峰時(shí)段基站能耗的供給。當(dāng)系統(tǒng)開始配置儲(chǔ)能后，由于儲(chǔ)能可以將正午多余的光伏發(fā)電量轉(zhuǎn)移到傍晚電價(jià)高峰時(shí)段，光伏容量可以適當(dāng)減小。當(dāng)光伏容量為5.6 kW時(shí)，儲(chǔ)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(shí)，配置光伏不具備經(jīng)濟(jì)性。
以場景1中儲(chǔ)能單位容量成本為450元/(kW·h)時(shí)為例，一天時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)每小時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)段光伏出力小于基站能耗，系統(tǒng)仍從電網(wǎng)購電，此時(shí)處于電價(jià)高峰時(shí)段，儲(chǔ)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(chǔ)能放電量之和；09:00—16:00時(shí)段光伏出力大于基站能耗，儲(chǔ)能充電，光伏在滿足基站能耗和儲(chǔ)能充電量后的多余出力向電網(wǎng)售電；16:00—19:00時(shí)段電價(jià)處于高峰時(shí)段，光伏出力小于基站能耗，儲(chǔ)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(chǔ)能放電量之和；19:00—20:00時(shí)段光伏發(fā)電出力為0，電價(jià)仍處于高峰時(shí)段，儲(chǔ)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(shí)段光伏發(fā)電出力為0，分時(shí)電價(jià)處于平時(shí)段，儲(chǔ)能不工作，電網(wǎng)購電量等于基站能耗。
儲(chǔ)能利用白天光伏出力有剩余時(shí)進(jìn)行充電，在其余高峰電價(jià)時(shí)段放電，減少系統(tǒng)的購電費(fèi)用。這是由于在場景1的分時(shí)電價(jià)條件下，5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)上網(wǎng)電價(jià)低于從電網(wǎng)購電的電價(jià)，為使系統(tǒng)費(fèi)用最小，光伏的盈余功率優(yōu)先選擇給儲(chǔ)能充電，并且為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)效益最大化，儲(chǔ)能優(yōu)先在電價(jià)高峰時(shí)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(yùn)營商成本高的問題，提出了5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置方法，考慮不同分時(shí)電價(jià)和儲(chǔ)能成本對(duì)5G基站光儲(chǔ)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益以及光伏、儲(chǔ)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(chǔ)能，可以降低基站的綜合成本，有效緩解現(xiàn)階段購電費(fèi)用高的問題。提高分時(shí)電價(jià)的峰谷價(jià)差和降低儲(chǔ)能成本，都會(huì)增加光儲(chǔ)系統(tǒng)所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益。
（2）儲(chǔ)能的配置容量受分時(shí)電價(jià)和儲(chǔ)能成本的影響。在固定分時(shí)電價(jià)的情況下，當(dāng)儲(chǔ)能成本下降至一定閾值時(shí)，配置儲(chǔ)能才具備經(jīng)濟(jì)性。隨著峰谷電價(jià)差增大，對(duì)開始建設(shè)儲(chǔ)能的閾值要求也會(huì)降低。
（3）光伏發(fā)電的配置容量受分時(shí)電價(jià)和儲(chǔ)能容量的影響。在一定程度上峰谷價(jià)差越大，光伏發(fā)電容量越大；儲(chǔ)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(shí)，配置光伏不具有經(jīng)濟(jì)性，因此光伏容量減小至某閾值后將不再減小。
現(xiàn)階段儲(chǔ)能的投資建設(shè)成本較高，引入儲(chǔ)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(duì)5G基站自身配置的冗余儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)度，并繼續(xù)探討相應(yīng)的方法。
