通信储能聚合应用演进白皮书

前言

发展数字经济成为世界主要国家抢抓新一轮科技革命的共同选择数字经济时代,5G基站、数据中心等信息基础设施作为数字经济发展的数字底座,建设规模将会加大。业内专家预测,通信运营商全部升级到5G之后,其用电量将占到社会用电量的2.1%通信能源的节能提效是行业绿色发展的重要课题。

 

通信能源含有大量的分布于基站的储能电池,如何将孤立的站点储能资产“聚沙成塔”应用,是行业发展的关注课题。虚拟电厂是通信储能聚合应用的具体形式,有助于全面开发通信储能的资产价值。

 

本文聚焦通信储能在用户侧应用向虚拟电厂演进的架构及关键技术,探索通信储能资产的价值提升通道,促进通信行业的绿色、低碳化发展。

 

通信储能的潜在价值

 

储能的市场化价值

储能系统主要发挥容量价值、能量价值和其他辅助服务价值。分从电源侧、电网侧、用户侧三个层面的价值贡献,参见图1

 

1储能的市场化价值

 

smart_energy_baipshu_news1

通信储能的主要应用形式

 

通信储能主要指用于通信站点后备电源的储能产品。通信能源方案低碳化的路径主要包括更多的绿能发电(实践中光伏发电为主),以及实现更高效的用能。

 

基于通信站点分散、单站点功耗不高的特点,通信储能的应用价值主要在于发挥用户侧应用价值。

在引入光伏发电的场景,储能主要发挥减少弃风弃光和能量偏差调节作用。在其他节能场景,储能应用主要包括减少基本电费(容量电费)、推迟配电设施升级、峰谷套利等。

 

储能应用鲜有涉及辅助服务,原因在于单站储能规模小,无法达到参与辅助服务的规模门款,中国多是MW级,欧洲市场也要求100kW以上功率。而虚拟电厂正是“聚沙成塔”的储能聚合应用模式。

 

虚拟电厂是将不同空间的可调负荷、储能、微电网、电动汽车、分布式电源等一种或多种资源聚合起来,实现自主协调优化控制,参与电力系统运行和电力市场交易的智慧能源系统

 

通信基站在需求侧资源聚合方面有良好的资源禀赋,具有巨大的虚拟电厂发展潜力。

 ● 每一座通信基站的电力接入、负载功耗、备电电池、可控空调都是优质的灵活可调资源。

 ● 每座通信基站的智能管理设备与全国监控平台可实现通信,是一张天然的分布式能源网络。

 ● 聚合资源规模可观、覆盖范围广,是用户侧储能系统的重要组成部分。

 

通信储能融入虚拟电厂的挑战

 

电力网络接入更多的绿色能源,也需要更多的需求端灵活性资源。通信储能向虚拟电厂模式发展具有必然性,这个融入过程也存在挑战。

通信储能主要应用技术与业务模式分析

 ● 铅退锂进正当时

进入5G时代后,磷酸铁锂电池在能量密度,循环寿命、快速充放等方面具备明显优势,可减少对市电增容改造的需求,降低建设和运营成本。因此,磷酸铁锂电池加速取代铅酸电池,成为5G时代的主流技术路线。

 ● 智能锂电池优势显现

智能锂电池在独立的BMS中增加DC/DC模块,对电池的均衡能力,电压、电流调节能力都有增强,较常规锂电具有更安全、智能的优势,可以支持更多的业务应用,如升压远供、铅酸混用、峰谷套利等。

 ● 联网程度参差不齐

目前大量的储能设备仍未接入统一的能量管理系统(EMS),或仅有简单的干接点告警信息。这是储能系统数字化、智能化的主要障碍。

 

虚拟电厂的基本要求

虚拟电厂不是简单的储能站点的叠加,参考《广州市虚拟电厂实施细则》,虚拟电厂需要达到以下基本要求。

² 总响应能力不低于2000kW

² 负荷聚合商需具备完善的电能在线监测与运行管理系统、分钟级负荷监控能力;

² 邀约响应持续时间不少于30分钟,应邀量按照需求量的150%储备;

² 实时响应5分钟内达到响应目标。

虚拟电厂是一种集群管理,要求相当规模的储能设备实现快速响应、有效协同、安全可靠。

 

通信储能融入虚拟电厂的挑战

 

虚拟电厂技术主要是灵活性电力资源的虚拟聚合,本质为通信、计量、控制三方面。

 

虚拟电厂在通信网络的有效应用,需要能源管理系统实现快速、规模通信,精准可靠计量,精准预测与可靠管控。这些功能可以在通信运营商已建成的运维监控网络进行能力复用。对比目前的通信储能方案,接入虚拟电厂存在以下挑战:

       ● 组网架构缺陷

目前大量的储能设备仍未接入统一的能量管理系统(EMS),或仅有简单的干接点告警信息;部分网络已配置较高级EMS功能,可以实现四遥(遥测、遥信、遥测、遥控),也存在两大问题:

A未考虑如何与电力调度平台进行业务对接;

B持续演进能力不足。

要平衡好网络的开放性与稳定性,就必须从网络架构上创新,既支持业务创新,又能保持系统的安全、稳定。

      ● 智能算法待强化

经济、可靠的协调管理,有赖于精准预测(光伏、负荷、储能等)和调度策略优化(储能充放电策略、多能组合策略等)。

      ● 智能设备普及率不高

准确的电量度量是开展各种业务结算的基础,需要提升智能电表普及率。

大部分锂电池BMS只有简单通讯,没有升级到配置DC/DC模块的智能锂电,在精准调控、大功率充放、均流平衡能力方面存在欠缺,限制储能功能的充分应用。

      ● 热失控应对方案存在短板

对于汇聚站点或核心网站点,多种通讯设备集中供电,锂电池的安全性更加突出。

目前针对铁锂电池的灭火尚无明确有效的灭火技术,广泛使用的技术主要有七氟丙烷、全氟己酮和细水雾灭火系统。

 

除去上述热失控发生后的抑制技术,业界更多聚焦于“热失控预警技术”,主要通过大数据和AI技术实现建模和热失控预警。截至目前,尚无一种预警技术的可靠性受到广泛认可。

      ● 网络安全挑战巨大

在虚拟电厂为电力网络提供灵活性的同时,网络安全风险加大。大量的智能设备接入虚拟电厂网络,也意味着更多的网络攻击点,增大了通信能源系统及电力系统安全性的挑战。

 

通信储能向虚拟电厂演进的架构与关键技术

 

通信储能融入虚拟电厂,需要重点解决两个问题:网络架构和关键技术。

网络架构

为满足虚拟电厂的开放性和平滑演进要求,通信储能网络必须升级。

中兴通讯提出了“通信储能新架构”。通过智能锂电与新架构的组合,可以实现更高的系统安全,支持通信储能系统面向未来应用设计,满足通信储能融入能源互联网的最终目标。

图2通信储能新架构

 

smart_energy_baipshu_news2

图3 云管端双网融合新架构

smart_energy_baipshu_news3

通信储能架构(如图2)从最初的“单一架构”发展到当前主流的“端到端架构”,最终向“双网融合新架构”(图3)演进。

端层智能感知和采集基础数据,执行基础均衡策略和充放电控制;网管层定义系统接口,数据分析、调度的功能模块;AI能源云实现高级智能,负责底层算法的实现。

 

新架构是被动储能发展到主动储能、主动安全,实现全网储能全生命周期价值最大化的基础;双网融合架构最终实现全网储能的信息流和能源流的双向互通,满足未来站点储能综合应用、新型能源应用、网络零碳演进的发展需要。

 

关键技术突破

有了基础架构,虚拟电厂的有效运行,还需要在一些关键技术取得突破进展。

 ● 协调控制技术

主要包括预测技术和调度技术。其中预测技术包括SOHSOC预测,光伏发电预测,负荷预测、故障预测等。调度技术包括基础充放电策略、多能优化、多业务优化(多种服务模式下策略寻优)等。

 

协调控制技术是虚拟电站的核心竞争力,预测的准确率提升,不同场景下的调度策略优化是重点提升方向。创新算法的先进性,训练数据的多寡是构建竞争力的关键。

 ● 热失控预警技术

热失控是储能锂电池安全的首要难题,业界对其的研究尚未覆盖全部机理,因此从源头杜绝全部热失控事件并不现实,做好预警和后续响应更符合实际情况。热失控应对策略应更注重预警。通信储能的热失控风险来自内外部多种诱因(图4),通过对电池运行参数和关键指标的建模分析,可以及早识别异常,及时告警。

 

对热失控预警来说,合理的传感器部署和采样间隔是预警机制工作的前提。由于热失控过程中往往伴随内短路(ISC)现象,因此预测ISC可以作为热失控预警的简配方案。热失控/内短路发展速度可能很快,因此故障拦截需要争取时间,所以基础采样和上报频率都需要提升

 

smart_energy_baipshu_news4

● 网络安全技术

网络安全风险无处不在,提升网络安全需要系统规划,需要重点关注以下方面:EMSSCADA系统漏洞、老旧设备的技术老旧(如不使用安全协议)、不安全的技术供应链、锂电池的BMS、其他接入设备的安全性(如可能引入的充电桩等)。

网络安全需与时俱进,持续改善。网络安全应关注不同国家、地区的安全法律法规要求,提供适应性的方案。

 

展望

 

虚拟电厂是通信行业绿色节能发展的重要应用形式。本白皮书梳理了当前通信储能的发展状态以及融入虚拟电站的技术架构与关键技术。虚拟电厂在通信行业的应用还处于探索期,中兴通讯期待与业界伙伴一起,用专业创造价值,一同拥抱通信储能的明天。