风光储式高速公路电动汽车充换电站方案设计

姚天亮 刘乔 黄巨龙

摘 要：随着人类环保意识的提高和电池续航技术的进步，电动汽车成为将来远距离出行的一种选择。然而，我国充电基础设施的建设不健全，尤其是高速公路充换电站的严重缺乏，严重阻碍了电动汽车的发展。因此，本文提出了一种利用风光储技术的高速公路电动汽车充换电站，可解决电动汽车充电设施不健全的问题，同时还能促进可再生能源就近消纳，大幅度降低风光发电的弃光率和弃风率。

关键词：高速公路;风光储;充换电站

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0174-02

0 引言

隨着能源短缺和环境污染的日益加剧，充分利用可再生能源进行发电、推广电动汽车的使用已成为节能减排的重要手段。截止到2019年底，我国新能源发电累计装机已达4.15亿kW，占全国电源总装机的21%，其中光伏发电装机2.05亿kW，占比10.2%，风力发电装机2.1亿kW，占比10.4%。我国新能源装机量及发电量始终保持增长态势，新能源发电量在总发电量中的占比也在逐年提高。统计数据显示，2019年我国新能源发电量已经达到6295亿kW·h，占总发电量的8.6%。高速发展的新能源产业已然成为我国能源结构中不容忽视的一部分。然而，伴随着新能源的高速发展，新能源限电问题成为新常态，破解就近消纳的难题成为行业的长期出路。

随着电动汽车的不断普及，如何正确引导电动汽车进行合理充换电得到了越来越多的关注。加强电动洗车充换电行为的管理，不但能提高电网的可靠性，达到削峰填谷的目的，还能减少各类损耗和对基础设备的投资[1]。

因此，如何通过创新供用电方式，利用电动汽车业务促进可再生能源就近消纳，进而大幅度降低弃光率和弃风率成为焦点问题。研究一种既能促进电动汽车行业快速发展与全面推广，又能就近消纳可再生能源的充换电站，对于根治限电顽疾具有重要意义[2]。

针对引言所述问题，本文提出了一种利用风光储的高速公路电动汽车充换电站，通过构建风光储充供用电系统提供充换电服务，并通过系统并网运行和孤网运行实现充换电站可靠供电，解决可再生能源就近消纳的问题。

1 风光储式电动汽车充换电站

1.1技术分析

2019年，我国新能源汽车的年销量突破120.6万辆。但是，随着电池续航技术的不断进步，充电基础设施成为电动汽车发展的主要瓶颈，特别是高速公路充换电站的严重缺乏，阻碍了电动汽车的广泛普及。

首先，目前只有大城市公交枢纽和出租车集散地有小规模电动汽车充换电站，高速公路沿线缺乏大型公用电动汽车充换电站，导致电动汽车不能上高速公路长距离连续行驶。本文在参照高速公路上加油站和服务区建设模式，在高速公路沿线每隔一定距离建设大型电动汽车充换电站，提供快速充电和更换电池的服务，满足电动汽车像加油站加油一样持续行驶的需要，解决可再生能源就近消纳的问题，还可兼作高速公路服务区。

其次，按照惯例，高速公路两侧风电场和光伏电站只有连接电网这一条电力送出消纳通道，其升压变电站只与电网连接。本文增加了风电场和光伏电站的电力送出消纳通道，其升压变电站还与电动汽车充换电站连接，可再生能源电站作为主供电源，电量余额上网，实现了可再生能源就近消纳。

最后，常规充换电站需要从电网引接电力专线供电，但对于荒漠区高速公路电动汽车充换电站而言，因外接电源距离远，造成投资巨大。本文的充换电站电源直接引自风电场和光伏电站升压变电站，将升压变电站连接电网的线路作为备用电源，只有电力不足时才从电网购买电力，既满足了可靠供电要求，又节约了成本，有利于大型公用充换电站的商业化推广。

另外，在充换电站内配置大容量储能装置，提供一种大规模风-光-储-充供用电系统，利用风-光-储技术构建，在可再生能源大发时实现电力的存储，停发时释放电力，通过“削峰填谷”为电力系统提供调峰辅助服务，有利于增强区域电网接纳可再生能源的能力，充换电站还能获得调峰辅助服务补贴。

还有，传统加油站和服务区屋顶未利用，本文的充换电站屋顶全部采用钢结构，充分利用屋顶布置屋顶式光伏，接入风光储系统，体现了风光储特色。

1.2工作原理

本文提出的电动汽车充换电站方案参照目前高速公路上的传统加油站和服务区布置模式，在高速公路沿线每隔一定合理的距离建设大型公用电动汽车充换电站，具备充电和换电功能，满足电动汽车快速充电和更换电池的需要。具体如下：

如图1所示，充换电站采用风力发电系统、光伏发电系统和传统电网为充换电站提供电力，蓄电池储能系统不仅可以作为储能元件进行能量存储，也可以作为电源为充换电站供电[3]。包括建造在高速公路两旁的风电场和光伏电站，在高速公路沿线每隔一定合理的距离建造大型公用电动汽车充换电站，该充换电站内设置有充电区、换电区及充换电站配电室;充电区内布置充电桩，可为电动汽车进行充电;换电区可进行电动汽车电池更换;充换电站配电室为充电桩和换电区的蓄电池进行供电。风电场和光伏电站分别配有风电升压站和光伏升压站，充换电站配电室的电源分别通过风电电源线、光伏电源线和风电升压站和光伏升压站进行连接。同时风电升压站和光伏升压站的风电并网线路和光伏并网线路与电网连接。既为充换电站内充电桩和换电设施提供可靠电力，又实现了可再生能源就地消纳。

电动汽车充电会对电网产生一定的影响。在充电模式下，用户对电动汽车的使用是个体行为，因此电动汽车的充电行为是很难进行总体调控的，只能通过用户自发地改变行为来达到削峰填谷的目的。一般地，电网公司可以制定不同的电价政策或出台一些奖励措施来激励用户改变充电习惯，从而达到优化负荷曲线形态的目的。而换电方式一般通过换电站进行，具有一定的规模效益，便于统一管理，电网公司可进行统筹安排。换电站可以通过调节电池的起始充电时间来达到优化负荷曲线的目的。

电动汽车充换电站运行方式可分为并网运行和孤网运行两种模式[4]。

在并网运行模式下，在风力发电机正常运行发电并有阳光照射时，光伏发电系统和风力发电系统可同时为充电站及站用负荷供电，同时為蓄电池组储能，将多余电力送入电网。

在孤网运行模式下，在风力发电机正常运行发电并有阳光照射时，光伏发电系统和风力发电系统其同为充电站及站用负荷供电，同时为蓄电池组储能。

根据风速情况、光照情况、蓄电池组的SOC状态，确定风力发电系统、光伏发电系统、蓄电池组和电网为充电设施及站用负荷供电的方式灵活，具体模式如表1所示。

在电动汽车充换电站配置大容量储能装置，可再生能源大发时实现电力的存储，停发时释放电力，通过“削峰填谷”解决可再生能源发电受限问题，还能为充换电站获得调峰辅助服务补贴。充换电站建有屋顶，屋顶上安装顶式光伏发电装置，该光伏发电装置接入充换电站配电室。充换电站内设有服务区，该服务区内有超市和餐厅，为旅客提供便民服务。

2结论

随着人们低碳出行意识的提高和电池续航技术的进步，电动汽车成为将来远距离出行的一种选择。然而，我国充电基础设施的建设不健全，尤其是高速公路充换电站的严重缺乏，阻碍了电动汽车的发展。因此，本文提出了一种利用风光储技术的高速公路电动汽车充换电站。通过在荒漠区高速公路沿线建设风电场和光伏电站以及电动汽车充换电站，充换电站屋顶布置屋顶式光伏，并且配置大容量储能装置，通过构建大规模风-光-储-充供用电系统结合系统并网运行和孤网运行，实现充换电站可靠供电和可再生能源就近消纳，大幅度降低风光发电的弃光率和弃风率。

参考文献

[1] 许雯榕.考虑电动汽车充电特性的负荷优化管理及激励措施研究[D].北京：华北电力大学，2015.

[2] 李潇潇，赵子青，李悦悦，等.高速公路光储式换电站的分析[J].山东工业技术，2018（7）：165.

[3] 姚天亮，刘乔，李志伟，等.一种利用风光储技术的高速公路电动汽车充换电站[P].中国专利：CN209719292U，2019-12-03.

[4] 武国良，张明江，于海洋，等.风光储式电动汽车充电站运行模式研究[J].供用电，2017（4）：24-28.