一、通信机房分布式储能系统的工作优势
　　
　　分布式储能系统的节电工作过程为:在电力低谷时段,储能电池组储存电能;在电力高峰时段,储能电池组释放电能。这一机制有效降低了通信机房的电费支出,在高峰时段减少了从电网购电的数量,避免了高额峰值电价的产生。同时,在低谷时段利用相对较低的谷值电价储存电能,实现了电费成本的优化,具体节电情况如图1所示。
　　
　　此外,分布式储能电池组系统还提升了通信机房直流供电系统的可靠性和稳定性。在电网出现故障或机房原有后备电池组供电不足时,储能电池组系统能够迅速释放电能,保障通信设备的稳定运行,同时延长了市电故障时原后备电池组直流供电系统的续航时长。
　　
　　然而,要实现分布式储能系统在通信机房直流供电中的有效应用,仍面临一些挑战。例如,储能电池组系统的成本问题亟待解决,需要进一步降低投资成本以提高其经济性。同时,储能电池组系统的寿命和安全性也需要不断优化,以满足通信机房长期稳定运行的要求。
　　
　　二、通信机房分布式储能系统的工作原理
　　
　　当峰谷充放电功能模式运行时,控制模块输出电流,使储能电池组放电电流等于设定的“储能电池组放电电流”(若设定的“储能电池组放电电流”大于实际负载电流,则由直流霍尔传感器反馈到控制模块进行输出电流管控,精准控制储能电池组对负载的放电电流大小,防止对该直流供电系统的原有后备铅酸电池组充电),此时储能电池组开始放电。当高峰时段终止时间到达或满足异常终止条件时,系统退出“峰值放电功能模式”。
　　
　　当峰谷功能使能禁止时,机房的原开关电源工作模式保持传统的开关电源浮充、均充工作模式不变,并对储能电池组进行补充充电。当峰谷功能使能时,高峰时段时间到达后,系统会根据当前负载电流、储能电池组容量、设定的“储能电池组放电电流”和高峰时间段终止时间,决定是否进入“峰谷充放电功能模式”,以确保储能电池组的放电能力能够维持到高峰时间段终止。若储能电池组的放电能力不足以满足直流负载的放电容量需求,则会推后储能电池组的开始放电时间,暂时保持原传统开关电源直流供电系统的工作模式。
　　
　　当出现以下退出“峰谷充放电功能模式”的条件时,如储能电池组放电剩余容量小于“储能电池组放电截止剩余容量”参数、储能电池组组电压小于“放电截止电压”参数、储能电池组单体电压小于“单体截止电压”(配置储能电池组BMS采集模块此时会启动保护)、电源有重要或紧急告警等,系统会发出“峰谷放电异常终止”告警并上传至监控中心,监控中心将派单通知维护人员及时处理。
　　
　　三、通信机房分布式储能电池组系统的设备配置
　　
　　储能电池组直流储能控制器由1个监控单元和4个100A双向DC/DC电源模块组成,监控单元与储能电源模块通过CAN总线实现通信、放电均流等功能,见图2所示。每组双向DC/DC储能电源模块可智能管理一类电池,双向DC/DC与铅酸电池组合形成智能铅酸电池组与锂电池组合形成智能锂电池组,既适用于存量铅酸电池组,也适用于存量或新增的电池组,还适用于梯次和新的锂电池组。
　　
　　储能电池组接入直流储能控制器，存量电池组不接入，储能电池组用于削峰填谷。市电停电时，储能电池组优先为后备存量电池组放电，DC/DC电池组管理器具备防逆流功能，削峰时不会给机房存量电池组充电，储能电池组填谷时能够精准识别开关电源整流模块容量是否满足储能电池组的充电要求。
　　
　　1.DC/DC智能管理器设备主要参数
　　
　　结构尺寸:2U、19英寸,最大可容纳4个直流功率模块;
　　
　　每个模块输出功率:5kW;
　　
　　系统总输出功率:20kW;
　　
　　储能电池组侧电压可调范围:DC40V-72V;
　　
　　开关电源系统侧电压可调范围:DC40V-58V;
　　
　　储能电池组输入路数:4路(最大),独立控制,自由接入;
　　
　　储能电池组侧直流智能保险配置:125A/1U断路器*4;
　　
　　开关电源直流母排侧保险配置:300A*2个保险端子。
　　
　　2.DC/DC模块主要功能
　　
　　1）电池组混用:支持铅酸电池组、铁锂电池组混用;
　　
　　2）热插拔功能:主控单元、功率模块支持热插拔;
　　
　　3）模块化结构:功率模块按需配置、支持整机级联;
　　
　　4）故障旁路功能:模块故障时,可自动旁路、无环流;
　　
　　5）精准管控能力:DC/DC模块对储能电池组进行智能、主动、精准的充放电管控;
　　
　　6）均衡放电能力:按储能电池组剩余容量,自动调整放电电流;
　　
　　7）在线核容:可进行新增电池组容量验收、定期自动对电池组核容、实时监测铅酸电池单体;
　　
　　8）削峰填谷:支持主动的储能电池组充放电循环能力,可现场或远程设置时间逻辑和开启/关断控制;
　　
　　9）监控功能:支持RS485通信,可接入FSU监控。
　　
　　3.双向DC/DC电池组管理中的作用
　　
　　1）充放电管理:双向DC/DC用于在市电供电与电池供电之间进行能量转换，确保电池组在停电时提供稳定的电力支持，并在市电恢复时高效充电。
　　
　　2）能量回收:在系统负载降低时,双向DC/DC可将富余能量回收至电池组,提高整体直流供电系统的能效。
　　
　　3）电压调整:确保设备获得稳定的工作电压,避免因电池组电压波动影响设备运行。
　　
　　4.NanoEdge AI在电池组管理中的功能
　　
　　NanoEdge AI技术主要用于预测、优化和智能控制。
　　
　　智能健康预测(SOH,State of Health):通过NanoEdge Al的自学习能力,基于电池组的历史数据(如电流、电压、温度等),实时评估电池组健康状态,预测各个电池组老化趋势,优化维护策略。
　　
　　智能充放电优化:NanoEdge AI模型可以分析负载需求、电网状态、电池组健康状况等,动态调整双向DC/DC的充放电策略,以延长电池组寿命并提高能效。
　　
　　异常检测与故障预测:NanoEdge AI能够实时监测电池组和电力转换系统的运行状态,检测异常(如过充、过热、短路等),并在故障发生前预测可能的问题,减少机房断电风险。
　　
　　基于NanoEdge Al的优势:
　　
　　本地智能推理:NanoEdge AI可在低功耗微控制器(如ST的STM32系列)上运行,无需云端计算,适用于边缘计算场景。
　　
　　自学习能力:可自动适应不同环境和电池组老化特性,提高预测准确性,减少对大量历史数据的依赖。
　　
　　低成本高效部署:相比传统的大数据训练模型,NanoEdgeAI在嵌入式设备上运行,无需额外的昂贵硬件,适合大规模机房(基站)部署。
　　
　　5.典型应用场景
　　
　　远程机房(基站)智能维护:在偏远地区的机房(基站),通过NanoEdgeAI预测电池组状态,减少现场人工维护频率,降低运维成本。
　　
　　智能削峰填谷:基于NanoEdgeAI预测机房(基站)负载需求,动态调整电池组充放电策略,以降低电费支出,提高能源利用率。
　　
　　环境适应性调整:在极端气候(如高温或寒冷地区)下,NanoEdgeAI可优化充放电参数,减少电池组性能损耗。
　　
　　6.储能电池组
　　
　　采用高循环寿命磷酸铁锂储能电池组,电池组内部自带气溶胶灭火装置。根据不同的直流负载电流值大小,以及市电尖峰和高峰时间的时长,配置不同容量的储能电池组,见图3所示。
　　
　　储能电池组:磷酸铁锂电池组;
　　
　　额定电压:51.2V;
　　
　　每组额定容量:100AH;
　　
　　单体电芯循环次数:≥6000次;
　　
　　电池组最大充/放电电流:1C/1C;
　　
　　电池组柜安全:每组储能电池组自身配置气溶胶。
　　
　　四、机房储能时动力设备和环境温度配套要求
　　
　　1）机房空间
　　
　　机房空间可容纳一台规格为600×600×1600的机柜,且该储能机柜与开关电源直流配电之间的电缆路由长度不超过8米。
　　
　　2）空调制冷
　　
　　在充分满足现有机房冷量需求的前提下,建议预留不少于500W的冷量冗余,以保障机房设备稳定运行。
　　
　　3）直流供电系统的负载
　　
　　机房直流负载电流维持在80A-200A区间时,投资效益能达到最佳状态。
　　
　　4）原开关电源整流模块配置
　　
　　机房开关电源直流供电系统整流模块的配置容量,需在满足通信机房直流负载设备供电需求与存量备用蓄电池组容量0.1C计算(即按蓄电池组容量的10%计算)所得数值之和的基础上,按照模块(N+1)备份的规则进行配置。同时,还需预留额外容量,以满足储能锂电池组的充电电流需求。储能电池组的充电电流按照0.5C计算(例如,100Ah的储能电池组充电电流为50A,200Ah的充电电流为100A,300Ah的充电电流为150A,400Ah的充电电流为200A)。
　　
　　五、通信机房储能电池组实施方案
　　
　　储能电池组接入直流DC/DC储能控制器,存量电池组不接入(存量电池组充放电循环次数大约在500次左右,若每天都参与循环,其寿命会大大缩短,因此存量电池组不参与市电的削峰填谷),仅储能电池组用于削峰填谷。系统具备防逆流功能,即后备存量电池组不会给储能电池组充电,同时削峰时也不会给后备存量电池组充电。在特殊情况如市电停电时,储能电池组优先为后备存量电池组为通信设备直流负载供电,见图4所示。
　　
　　本方案采用双向DC/DC技术,整机支持4个100A双向DC/DC模块,每个双向DC/DC模块接入1组电池后组成智能电池组,实现对电池组的精准管控。其中模块1接入1组100AH磷酸铁锂电池组,模块2接入2组100AH磷酸铁锂电池组,模块3、4(预留,根据直流负载、高峰和尖峰时长决定是否增配储能电池组)。模块1与模块2用于削峰填谷。在双向DC/DC母排侧加装型号为DJSF1352-RN导轨式双向分时直流电能表,用于计量直流充、放电电量,以便进行节能测算。
　　
　　六、储能电池组设备削峰填谷系统安全保护机制
　　
　　1）削峰填谷充放电回路总共五重保护
　　
　　第一级为磷酸铁锂电池组自身BMS板保护,第二级为DC/-DC功率模块充放电MOS管保护,第三级为DC/DC母排侧端口继电器保护,第四级为DC/DC模块智能保险保护,第五级为储能系统接在原开关电源直流供电系统中的直流配电电池组保险保护。
　　
　　2）具体工作运行情况
　　
　　正常情况下,DC/DC模块具备软件过流保护、软件反时限过载保护、硬件短路保护功能,设备在判断发生故障后会第一时间动作保护。运行异常时,假设DC/DC模块MOS管失效短路,DC/DC模块端口的继电器会断开进行保护,切断储能电池组与开关电源直流配电保险的连接。若继电器也短路,则DC/DC模块板上的智能熔丝会在大电流情况下熔断或储能电池组侧空开脱扣。
　　
　　3）磷酸铁锂电池本身
　　
　　每组储能电池组自身配置气溶胶,为充放电安全供电提供保障。
　　
　　七、储能设备实际应用场景电气连接和直流运行安全测试
　　
　　站址名称:河北省廊坊市某某机房,见图5所示。
　　
　　机房直流负载:80A;
　　
　　储能电池组配置:2组100AH磷酸铁锂电池,见图6所示。
　　
　　运行情况:储能电池组放电深度90%,2充2放,2h尖峰,2h高峰,DC/DC功率控制单元:5kw×2块;系统最大散热量:最大功率的4%(本试点为400W);
　　
　　原直流供电系统开关电源:优先选用高效整流模块,提高系统运行效率;
　　
　　储能系统重量:储能电池单组约计44kg,机柜+控制器+其他约计45kg,合计44×2+45=133kg;
　　
　　负载与储能电池组容量配置原则:负载功率2小时*0.9=储能电池组容量。
　　
　　1.磷酸铁锂储能电池组的备电功能检测
　　
　　原开关电源直流供电系统运行状态:输出直流负载电流81A,输出电压为54V;磷酸铁锂储能电池组状态:2组100Ah储能电池在上一个放电周期中未完全放电,剩余35%电量;存量电池组状态:2组500Ah铅酸电池100%电量。
　　
　　实验检测过程:将储能电池组设置到32%放电终止容量。10点35分,手动关断市电,此时由于储能控制系统处于休眠状态,未马上启动备电功能,整个机房在使用原直流供电系统后备铅酸电池组放电。大约1分钟后,储能控制系统检测到市电断电,启动储能电池组备电功能,接管铅酸电池组进行放电。当储能电池组放电剩余32%时,自动退出工作,由铅酸蓄电池组继续放电。手动恢复市电后,开关电源设备运行正常时立即为储能电池组充电,此时负载电流和储能电池组充电电流为160A。
　　
　　结论:储能电池组可自动转入备电功能,待放电剩余设定的停止放电容量时,存量铅酸电池组自动接管,转换过程中通信设备无闪断情况发生,通信业务运行正常,铅酸电池组未给储能电池组反充电。为了机房安全考虑,在市电停电时,储能电池组的备电功能一旦使用,无论处于什么时段(高峰、尖峰),优先为储能电池组充电。
　　
　　2.储能电池组削峰时段模拟市电停电
　　
　　开关电源运行状态:输出直流负荷81A,输出电压为54V;磷酸铁锂储能电池状态:2组100Ah储能电池100%电量;存量铅酸电池组状态:2组500Ah铅酸电池100%电量。
　　
　　实验检测过程:下午17点10分储能电池组正在尖峰时段削峰放电时,市电正常,人为把市电空开手动关断模拟市电停电,再把储能电池组输出保险手动断掉,模拟储能电池组故障,此时存量铅酸电池组自动接管,铅酸电池1组放电电流为40.3A,铅酸电池2组放电电流为40.8A,储能电池组输出保险手动闭合后,储能电池组设备继续削峰运行。
　　
　　结论:存量铅酸电池组自动接管,转换过程中通信设备无闪断情况发生,通信业务运行正常。
　　
　　八、储能机房削峰填谷实测收益分析
　　
　　1）针对该机房直流负载电流情况,采用双向DC/DC技术智能电池组管理器,整机支持4个100A
　　
　　双向DC/DC模块,每个双向DC/DC模块接入1组电池,实现对电池组的精准管控。其中模块1接入现有100AH磷酸铁锂电池组,模块2接入另一组100AH磷酸铁锂电池,模块3、4(预留)。模块1与模块2用于削峰填谷。双向DC/DC母排侧加装双向分时直流电能表,用于计量充放电电量,见图7所示。
　　
　　2）该机房应用时间统计了2024年1月8日-3月25日,共计78天的削峰填谷电费,表1只展示了一月底和二月初的电费。由于电网政策,1月有尖峰,2月无尖峰,因此从2月1日开始,尖峰放电为0,高峰放电相应增加,日收益较1月减少1元。削峰收益理论测算78天,共节省737.37元,平均9.453元/天。实际测试数据对比理论测算数据,相差0.18元/天,差异率约1.94%。实际测试78天,共节省723.32元,平均每天节约电费9.273元/天。
　　
　　九、根据机房实际负载电流削峰填谷收益周期分析(见表2)
　　
　　1）机房负载电流100A,配置储能电池组容量200Ah,按照一年365天测算,收益约为3944.67元。单站估算投资为12688元,约3.21年回收成本。若考虑试点机房的1.94%差异率(实际测试和理论计算),约3.26年收回成本。
　　
　　2）机房负载电流150A,配置储能电池组容量300Ah,按照一年365天测算,收益约为5917.01元。单站估算投资为17472元,约2.95年回收成本。若考虑试点机房的1.94%差异率(实际测试和理论计算),约3年收回成本。
　　
　　3）机房负载电流200A,配置储能电池组容量400Ah,按照一年365天测算,收益约为7889.34元。单站估算投资为22256元,约2.82年回收成本。若考虑试点机房的1.94%差异率(实际测试和理论计算),约2.86年收回成本。
　　
　　总之,随着电力市场化交易的推进,机房电费上涨15%左右,电费压降压力巨大。电池组储能作为一种新的节能方式,能够有效降低运营商的电费成本。因此,分布式储能系统在通信机房直流供电系统中的削峰填谷具有重要意义和广阔的应用前景。随着技术的不断进步和成本的降低,相信它将在未来的通信领域发挥更为重要的作用,为通信行业的可持续发展提供有力支持。
　　
　　编辑：Harris