光储充一体化电站建设关键技术研究

解 磊，王建基，耿 敏，李子凯

（国网山东省电力公司临沂供电公司，山东 临沂 276000）

0 引 言

为了满足现代人的用电需求，实现提高站内清洁能源利用比率和节能减排的目的。国网山东省电力公司临沂供电公司计划在现有充电站上，通过增建光伏雨棚、锂电池储能系统和能量管理系统等，组成一个小型光储充一体化示范充电站。该光储充一体化电站建设项目对开展研究分布式发电、优化配电网络以及建设智能电网具有十分重要的意义。

1 光储充一体化电站建设项目简介

本项目为临沂供电公司发起，计划在现有充电站基础上，通过增建光伏雨棚、锂电池储能系统和能量管理系统等，建设一座小型光储充一体化示范充电站。该电站主要包含以下几个部分：20 kWp雨棚光伏发电系统；50 kW×2 h储能系统；能量管理系统。其中，20 kWp雨棚光伏发电系统需改造原车位雨棚的结构。

2 光储充一体化电站的设计

2.1 设计思路

光伏发电是最常见的清洁能源，由于受外界环境等因素的影响较大，所以发电具有间歇性特点。为此，需要利用储能系统组成光储充一体化电站，以使之变为可调度的能源。在光储充一体化电站具体设计中，一方面要兼顾电网可靠运行需求和充电站经济性运营需求，另一方面要充分结合储能系统削峰填谷的功能，找出最合理的用电策略，以提高经济效益[1]。例如，在用电高峰时段，可以由光伏发电或储能系统向充电站运营提供供给；在用电平谷时段，可以由光伏发电和市电向充电站运营和储能提供供给。

2.2 设计原理

分布式光伏并网发出的电经过光伏逆变器转变成系统交流电，并通过储能系统为锂电池充电，也可直接给电动汽车充电。储能系统经双向变流器实现放电，为充电桩和相关负荷提供所需功率实现能量交换[2]。信息采集模块采集电网、光伏逆变器、电池管理系统以及双向变流器等实时运行的信息，并上传至能量管理系统。能量管理系统通过智能控制策略智能调度电网、光伏、储能系统以及充电桩之间的电力。

2.3 设计原则

2.3.1 结构合理，安全可靠

光储充一体化电站在设计中要遵循结构合理、安全可靠的原则。当分布式电源接入电网后，由于电网从单一受电结构变为多电源结构，会给电力系统的电压、谐波以及继电保护等带来较大影响。应根据电源容量合理选择接入的电压等级和接入方式，配合必要的控制手段，尽可能减少分布式电源接入给电网带来的不利影响。由于分布式电源接入对电网而言是一种不可控源，针对特殊情况下的分布式电源并网问题，电力系统往往会采用隔离方式进行处理，制约了分布式能源的消纳利用，不易于提高供电的可靠性[3]。为了解决这一问题，可以采用先进的储能技术，将储能系统和分布式电源作为一个整体。

2.3.2 提高能效，绿色环保

光储充一体化电站在设计中要遵循提高能效、绿色环保的原则。要充分完善和不断优化分布式电源的运行和管理，使之成为电动汽车充电站清洁电力来源的有效载体，实现节能环保。优化分布式电源可促进能源的梯次利用，使能源结构变得更加合理，提升充电站在发展低碳经济中的功能和作用。这一设计充分体现了智能电网绿色环保的建设理念，能够满足国家能源结构调整和经济社会发展战略的迫切要求。

3 光储充一体化电站建设关键技术

3.1 光伏发电系统的建设

光伏发电系统主要有太阳能电池阵列、汇流箱和光伏逆变器等部分组成。为了提高装机容量，增强装机的美观性和合理性，建设中在充电桩雨棚的表面平铺安装了太阳能电池组件，用来实现光伏发电。单车位雨棚的相关参数为：投影面积22.75 m2，车位和附属组件总面积为364 m2，总功率60 kWp。将光伏组件进行串并联组合汇流后连接到光伏逆变器上，再输出到380 V交流母线上。此外，需要在系统二次线缆处加装计量关口表和二次测控装置[4]。

3.2 储能系统的建设

储能系统主要有以下几个部分组成：50 kW×2 h锂电池、电池管理系统、50 kW双向变流器等。锂电池采用磷酸铁锂电池。充电站的占地面积较小，但是需要较大的瞬时功率输出，所以要求电池储能系统拥有较高的比能量和较好的倍率充放电性能。磷酸铁锂电池正满足这一要求，且具有容量高、输出电压高、输出电压稳定、安全可靠、充放电循环性能好以及循环寿命长等优点。电池管理系统分为三级架构，电池先由从控单元采集信息后上传至主控单元，再由各主控单元汇总信息，并统一由总控单元和双向变流器进行交互，实现对电池组的充放电。双向变流器采用50 kW双极式变流器进行电池组的充放电，其中直流侧接至电池组，交流侧接至380 V交流母线，通过配置负荷开关和二次测控装置，用于采集能量管理系统的数据和测控投切，并响应能量管理系统的需求。储能系统在建设时采用集装箱安装方式。

3.3 能量管理系统的建设

能量管理系统实时跟踪微电网正常运行状态下的功率，平滑供给充电站正常用电、消峰填谷、管理储能系统充放电以及微电网间功率的交换。在微电网孤岛运行方式下，能量管理系统可以通过调节储能提供标准电压和频率，以实现对各电源间功率的平衡分配，有效保证孤网系统的安全可靠运行和充电站供电的稳定性。当外部电网系统恢复正常后，能量管理系统能够通过跟踪系统的电压和频率，带动孤网系统及时并入主网，实现系统并网运行[5]。一般的能量管理策略为：每天一个循环，延长储能系统的寿命；最大限度地消纳光伏发电；峰值功率不超过设定值，以减小对电网的冲击；尽量采用低谷或平时电量。

能量管理系统的运行模式主要有三种。第一种，并网运行。由光伏系统将发电量并入电网，实现清洁能源并网发电；储能系统负责对光伏发电峰值功率进行平抑，以确保母线电压、频率符合相关要求。第二种，离网运行。由储能系统作为主电源建立电压和频率，在能量管理系统的控制下，保障光伏发电系统的正常运行。合理调节电量的使用，当光伏发电量大于站内负荷时，可以将多余的电量作为储能存储，有效提高能源的利用率。第三种，分时段离并网主动切换运行。系统根据用电的高、低峰时段进行离并网定时切换，实现系统的分时段运行，降低用电成本。

4 光储充一体化电站建设的安全保障措施

4.1 设备安全

确保光储充一体化电站建设过程中使用的一切设备都选自正规厂家，质量合格，性能符合相关标准，且具备相关检测报告。厂家必须按照相关要求提供设备说明书、故障排查维修手册和质量合格证书等。所有设备操作人员都必须要经过专业培训，具备上岗资格，且严格遵守操作规范进行操作。此外，要对设备进行定期检修和维护。

4.2 系统安全

光伏发电系统的雨棚需进行特殊加固处理，确保其满足承重、防风等要求。要加强无功调度和谐波治理工作，减少光伏发电对电网的污染。要重点维护储能系统中的电池组，按要求配套消防系统和通风系统，做好防火、降温等工作。充电系统必须满足国网相关典设方案。另外，要建立健全微电网运行、监控系统，从而有效地监控能量管理系统。

4.3 施工安全

在光储充一体化电站项目的实际施工过程中，要明确责任主体，加强对方案设计、设备采购、施工过程、安装调试以及验收交接等环节的监管，并严格审核项目设计单位、土建施工单位、电气施工单位等各相关单位的资质，签订安全责任书，严格监督执行安全保障方案。

4.4 运维安全

在光储充一体化电站建设完毕后，要成立专业的运维团队对其进行有效运营维护。积极开展安全教育宣传工作，提高工作人员的安全生产理念，做好设备巡检维护工作，并加强安全消防演练。

5 结 论

综上所述，光储充一体化电站主要包含20 kWp雨棚光伏发电系统、50 kW×2 h储能系统以及能量管理系统等。目前，在光储充一体化电站建设中，宜采用磷酸铁锂电池，各系统的设计应满足经济和节能的要求，能量管理策略应根据相关政策进行合理制定。