二、绿色低碳年度颠覆性创新技术

1．云储新能源：面向5G通信基站储能备电的数字能量处理与计算技术

专家推荐理由：数字储能技术历史上首次改变传统固定的电路结构，通过高频mos开关阵列实现动态可重构电池网格系统，通过电池网络拓扑的毫秒级动态重构、微秒级故障电池单体/模组的在线精确隔离等技术，实现以电池为载体的精准能量综合管控，并且根本上解决了电化学储能系统“短板效应”问题和本质安全问题，是目前唯一能够解决电池系统（非单体电池）本质安全的技术方案，属于颠覆式创新技术。

（1）技术背景、行业痛点难点

随着5G、新基建的建设以及国家“双碳目标”的提出，以新能源为主体的新型供电系统将成为ICT系统的供电来源。为了有针对性的解决5G网络供电的典型应用场景中的难点问题，实现数字技术在5G网络供电中的大规模应用，云储新能源科技有限公司技术研发团队结合中国移动集团下属福建、河南等地500个5G基站典型场景的技术特点和应用需求，开发、设计了基于数字能量处理与计算技术的5G通信基站储能备电系统，并完成广域范围内的5G通信基站的数字能源部署与改造。有效解决了基站新能源发电接入和高效消纳、极大提升了广域内大规模电池储能备电产品的可用性和安全性、灵活激活了基站储能备电电池系统面对电网峰谷调控的经济价值。

（2）解决的核心问题

5G具有高速率、低时延、大连接等特征，是支撑能源转型的重要战略资源和新型基础设施。5G 与能源领域深度融合，将有效带动能源生产和消费模式创新，为能源革命注入强大动力。国家“双碳”目标驱动下，迫切需要探索通信行业“碳中和”路径。面对通信运营商拥有的海量存量电池资源，如何解决电池资产闲置经济性差、基站位置分散运维工作量大、新能源交直流多次转换接入利用效率低、备电系统无馈网功能网储荷互动弱等现实问题，是基于数字能量处理与计算技术的5G通信基站储能备电系统的主要任务。

为了针对性解决5G网络供电的典型应用场景中的难点问题。本应用使用的数字能量信息化技术是一种软件定义的动态拓扑可重构的能量交换系统。不同于传统方法控制电流的思路，动态可重构电池网络的核心思想是通过控制电池的充放电时间来调节电池充放电容量，实现以电池为载体的精准能量综合管控。

图6-1 数字能量技术改造的5G基站“光储荷”绿色微网综合应用

一方面，可以及时的消纳接入直流母线的新能源发电；另一方面，可以灵活响应电网峰谷政策，动态调整本地负荷供电情况；同时，数字能量技术改造还使得基站储能备电设备提质增效、开源节流，实现更为绿色、安全、经济的用电模式。

（3）主要技术原理

基于数字能量处理与计算技术的5G通信基站储能备电系统，使用了基于能量信息化技术的一种软件定义的动态拓扑可重构的能量交换系统。该系统是由数字能量计算单元、数字能量处理单元、柜体等部分组成。该技术产品可实现5G基站“光储荷”绿色微网综合应用。

图6-2 48V基于数字能量处理与计算技术的5G基站储能备电系统框图

1）核心设备

数字能量计算单元是基于数字能量技术改造的5G基站“光储荷”绿色微网综合应用的装置核心，负责整个系统的能量调度、高级策略执行以及通信管理的综合管控单元；负责采集各电路工作状态，分析、判断和执行相应的系统管理策略；负责上传系统各部分必要的数据信息；负责协调调度关联第三方系统（如动环监控、电源系统）；并可根据系统状态和上级调度指令执行相应动作。根据管理策略执行数字能量处理单元内数字功率节点的控制；负责对数字能量处理单元的数字功率节点并联拓扑结构的在线动态重构；并执行对数字能量处理单元的数字功率节点异常情况的探测和保护动作。

数字能量处理单元是基于数字能量技术改造的5G基站“光储荷”绿色微网综合应用中的信息能量耦合装置，即高速控制设备。内置6个独立的数字管控节点，通过数字管控节点的物理组合，实现不同的应用功能，每个数字管控节点均具有电池模组的充放电驱动开关，响应数字能量控制单元的指令配置，为数字能量控制单元提供数字化接口。

图6-3 数字能量计算单元、数字能量处理单元示意图

数字能量处理与计算系统具有如下功能：支持开路电压SOC计算，通过动态可重组技术，采集各电池模组的开路电压，并以此估算电池模组的SOC参数。故障电池模组隔离，系统能够在10ms内检测出此电池位置并对其进行主回路的隔离，在执行复位动作前不再接入网络。测量精度，电池模组和系统级电压采集精度≤±0.5%（FS）；系统电流采集精度应≤±0.5%（FS）；系统温度采集精度为±2℃。综合能源管控功能。光伏消纳模式、峰谷电费优化模式等。

2）数字能量计算单元

数字能量计算单元是数字能量处理与计算装置的整体能量调度、高级策略执行以及通信管理的综合管控单元。用以采集各电路工作状态，分析、判断和执行相应的系统管理策略；上传系统各部分必要的数据信息；协调调度关联系统（如电源系统）；并可根据系统状态和上级调度指令执行相应动作。并根据管理策略执行数字能量处理单元内数字功率节点的控制，数据采集、判断、转发等；执行对数字能量处理单元的数字功率节点并联拓扑结构的在线动态重构；并执行对数字能量处理单元的数字功率节点异常情况的探测和保护动作。

3）数字能量处理单元

数字能量处理单元是能量单元的高速控制和数据采集设备。内置10个独立的数字管控节点，具有电池模组的充放电驱动开关，响应数字能量计算单元的指令配置。每个数字能量管控节点的主回路采用低内阻设计方案，在130A电流通流情况下仅有23W左右的损耗。

（4）总体应用效果

1）通信站点供电保障提质增效。采用基于通信基站48V数字备电系统的应用方案，使基站的电源形式更加多样化，更具可扩展性。包含数字能源处理与计算装置、数字电池管控单元、光伏直流接入单元，均采用模块化装配，随站扩容的改造或建设方式，降低了建设成本，丰富了基站或数据中心的能源供电形式，提高了能源利用效率和经济效果。

2）通信站点供电保障实现本质安全。由数字化储能技术改进的基站，可以实现电池能量的离散化和数字化处理，通过微秒级或毫秒级电池网络拓扑动态重构实现电池单体层面的充放电均衡、故障电池单体在线检测和自动隔离等功能，克服电池单体差异性带来的系统短板效应这一行业痛点问题，提升电池系统有效寿命、充放电效率、可靠性、可维护性。

3）通信站点构建电网辅助服务能力。采用基于通信基站48V数字备电系统，通过数字能源的负荷优化管控与广域集群调度，将分散的储能资源与负荷需求整合为统一特性的智慧负荷，优化用电成本的同时，减缓了基站负荷对电网的压力。将广域基站群或大型数据中心的负荷与电网调度完美融合，提高了电网系统供电的可靠性和电网结构的稳定性。

（5）商业化进展程度

本技术获得57项专利，已完成产品化设计定型。相关产品已通过CNAS检测认证，处于批量示范阶段。位于山东省烟台市数字能源产业园的云储新能源高端装备制造基地可实现3GW产品交付能力。本技术产品获评中国信息通信领域十大重大科技进展（2021）、巴黎国际发明博览会银奖（2023）、日内瓦国际发明展金奖（2023）。2021年云储新能源联合提出并主要编写制定中国通信行业标准《通信基站用动态管控储能系统》（项目号：2022-1135T-YD），明确规定了适用于直流母线电压为48V的通信基站用动态管控储系统的术语与定义、系统架构、技术要求等内容。

（6）示范项目

云储新能源科技有限公司5G基站备电微电网数字能源改造项目。

云储新能源科技有限公司5G基站（中国移动）备电微电网数字能源改造项目（简称云储5G基站项目）结合中国移动集团下属河南、福建等地500个5G基站典型场景的技术特点和应用需求，建设光伏发电300kW，2.5MW/25MWh广域内群控群调分布式储能备电系统，完成广域范围内5G基站数字能量技术改造，解决5G通信基站配套电源容量扩充难、新能源消纳效果差、网-储互动功能弱等问题。通过数字能量处理与计算系统将光伏发电组件、电池储能备电、负荷的相关能量进行有机管控，实现广域内的5G基站能源设备的绿色、安全、高效的协同运行。

图6-4 云储5G基站项目示意图

本项目批量部署了云储新能源科技有限公司针对5G基站能源场景研制的数字能量处理与计算装置。数字能量处理与计算装置是基于动态可重构电池管控技术和能源互联网应用技术的一款用于电池管控产品，实现不同品牌、不同程度新旧电池的混合使用。通过动态可重构电池管控技术，屏蔽电池模组之间的物理和化学差异，保证任一电池模组不过充/不过放；同时可检测出故障电池模组，并快速隔离，从而极大提升电池系统的安全性、可靠性和可维护性。

数字能量处理与计算装置部署于基站低压直流母线上，对基站为电网内“源、网、荷”设备进行有机管控，是基站微电网的能量流、信息流的融合节点。可以根据基站内“负荷用电峰谷”、“光伏发电波动”、“电池电能存量”、“开关源效能”，实施优化调整基站内用电效率，例如：提升基站叠光就地消纳率、降低峰电价时段用电成本等。

本项目实现了500个中国移动基站进行数字化能源管控升级，构成了广域内群控群调、分布式储能备电系统，总装机量2.5MW/25MWh，达到了分布式光伏发电就地消纳率100%、基站负荷自调节能力100%的效果。较传统基站备电设计，有效降低了初始投资成本20%、减少全生命周期运维成本30%；通过调峰服务服务参与电力市场交易，每年可获取经济收益47.5万元；云储5G基站项目通过延长电池使用寿命30%、全额消纳光伏发电、峰谷电价优化等方式，节约电量120万千瓦时/年、节标准煤约480吨/年、减少二氧化碳排放约119.7吨/年，同时节约电费255.6万元/年。

为针对性解决5G网络供电的典型应用场景中的难点问题。云储5G基站项目使用的数字能量信息化技术是一种软件定义的动态拓扑可重构的数字能量处理与计算系统。不同于传统方法控制电流的思路，动态可重构电池网络的核心思想是通过控制电池的充放电时间来调节电池充放电容量，实现以电池为载体的精准能量综合管控。一方面，可以及时的消纳接入直流母线的新能源发电；另一方面，可以灵活响应电网峰谷政策，动态调整本地负荷供电情况；同时，数字能量技术改造还使得基站储能备电设备提质增效、开源节流，实现更为绿色、安全、经济的用电模式。具体体现在：

一是通信站点供电保障提质增效。采用基于通信基站48V数字备电系统的应用方案，使基站的电源形式更加多样化，更具可扩展性，包含数字能源处理与计算装置、数字电池管控单元、光伏直流接入单元，均采用模块化装配，随站扩容的改造或建设方式，降低了建设成本，丰富了基站或数据中心的能源供电形式，提高了能源利用效率和经济效果。

二是通信站点供电保障实现本质安全。由数字化储能技术改进的基站，可以实现电池能量的离散化和数字化处理，通过微秒级或毫秒级电池网络拓扑动态重构实现电池单体层面的充放电均衡、故障电池单体在线检测和自动隔离等功能，克服电池单体差异性带来的系统短板效应这一行业痛点问题，提升电池系统有效寿命、充放电效率、可靠性、可维护性。

三是通信站点构建电网辅助服务能力。采用基于通信基站48V数字备电系统，通过数字能源的负荷优化管控与广域集群调度，将分散的储能资源与负荷需求整合为统一特性的智慧负荷，优化用电成本的同时，减缓了基站负荷对电网的压力。将广域基站群或大型数据中心的负荷与电网调度完美融合，提高了电网系统供电的可靠性和电网结构的稳定性。

云储5G基站项目具有良好的规模化推广前景。根据通信行业运营商需求规划，可形成地市级、省级的规模分布式的数字储能备电集群，实现智能运维、群调群控、虚拟电厂等具体功能，将海量基站储能管控纳入公司综合能源和需求响应等系统，从高弹性电网出发，响应需求、灵活调整，实现储荷的“一键控制”联动；将储能基站整合形成统一的“虚拟聚合”，开实现5G基站“可观、可测、可控、可调”，形成具有信息能源融合特色的广域虚拟微电网系统。

（7）综合效益（经济、环境、社会效益）

1）直接经济效益

相比于传统方案，本案例的经济效益体现在两个方面：

第一，有效减少初始投资成本和运维成本。

初始投资成本（Capex）方面，数字能量技术有能力管理品质不一、差异性较大的电池，可选用非大厂电池，也可采用A-品电池、B品电池，有效降低了电池采购价格，从而将Capex降低20%以上。运维成本（Opex）方面，传统方案下，需在电池10年生命周期内进行多次人工运维；而本案例中，由云平台执行日常在线巡检，仅需在偶尔发现电池故障时进行人工上站运维，极大地节省了人力成本，Opex降低约30%。

第二，未来参与电力市场交易，获取经济收益。

随着电力市场改革的逐步深化，基站备电资源有望得以盘活，参与电力市场交易、提供电力辅助服务。参考2021年《甘肃省电力辅助服务市场运营暂行规则》（征求意见稿），独立储能提供调峰辅助服务可获得不超过0.5元/千瓦时的补偿; 提供AGC调频服务可获得0-15元/MW的补偿。调峰服务按每日一充一放、每年运行200天、补偿价格0.3元/千瓦时进行测算，每年可获得收益15万元。调频服务按照日调频容量10MW、中标1个时段（1h）、每年运行200天、补偿价格10元/MW测算，每年可获得收益2万元。通过提供电力辅助服务，每年共可获得收入17万元。备电设备变纯成本项为收入项。

2）节能降碳效益

本项目节约电量120万千瓦时/年、节标准煤约480吨/年、减排CO2约119.7吨；同时节约电费255.6万元/年，主要来自以下三个方面：

①延长电池使用寿命

锂离子电池是5G基站的主要能量储存设备，电池作为一种工业品，其生产过程需要使用大量能源。因此，延长电池使用寿命或减少电池使用数量，将直接减少因电池制造带来的碳排放。本项目技术通过动态可重构电池网络，可以延长电池使用寿命30%以上，同时可以减少维修维护中新电池的使用量。根据调研数据，每生产1千瓦时的电池产品，需要1000度电的生产能耗。本项目中使用了25MWh的磷酸铁锂电池，通过本次项目实证验证了电池在先进技术手段下的有效寿命延长、降低维护用量。按照通信基站供电系统设计寿命为10年考虑，本项目该项等效每年的节能减排电量计算如下：

Q1= 25000×1000×30%÷10 =75万千瓦时

②全额消纳光伏发电

光伏发电直流接入+储能动态存储是本项目新能源发电消纳的主要手段，通过储能电池调节新能源发电的波动性，实现光伏发电的100%消纳。即，在发电高峰时，通过储能电池系统对超出就地通信负荷接纳能力的光伏发电量进行临时存储；在发电低谷时将存储的能量供负荷使用；总体达到防止新能源发电的弃用、减少能量浪费的作用。按照典型通信基站光伏装机量2kW，150个基站（本项目光伏渗透率30%），辐照度1500W/㎡，本项目该项每年的节能减排电量计算如下：

Q2=2kW/站 x 150站 x 1500小时 = 45万千瓦时 / 年

③峰谷电价优化

利用电网峰谷电价价差，减少电费支出。在低谷电价时段，以较便宜的电价对储能系统充电；在尖峰或高峰电价时段，由数字储能设备和电网同时供电；利用峰谷电价差降低用户用电成本。5G通信基站电池最大负荷为5kW，备电小时数一般为8~10小时，设定其中2小时备电全功率参与峰谷电价优化。按照福建省电价政策一天两个高峰、价差为0.7元/千瓦时。本项目该项每年的节省电费计算如下：

P1= 5kW x 2h x 2次 x 0.7元/千瓦时 x 365天 x 500站 =255.6万元

④综合计算

根据每节约 1度（千瓦时）电，等效减排0.997千克“二氧化碳”或减排0.272千克“碳”。相应的节约了0.4千克标准煤，同时减少污染排放0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳（CO2）、0.03千克二氧化硫（SO2）、0.015千克氮氧化物（NOX）的计算标准。本项目节约电量120万千瓦时/年、节标准煤约480吨/年、减排CO2约119.7吨；同时节约电费255.6万元/年。

表6-1 总体减排计算