充电站微网拓扑结构及容量配置研究

刘 玲

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

电动汽车作为清洁环保的交通工具，受到国家发展战略的高度重视和政策扶持，具有广阔的发展前景。而电动汽车的发展离不开充电站基础设施的建设。国家电网公司提出按照“换电为主，插充为辅，集中充电，统一配送”的模式，打造电动汽车能源供给体系。根据目前的研究成果，如果对电动汽车完全采用接入电网的充电模式，按我国电力系统当前的一次能源结构，电动汽车的碳排放并不比燃油汽车更低，且电动汽车的大量接入会影响电网的调峰压力，不利于电网的安全稳定运行。根据当前的发展情况，要真正意义上改变电网的能源结构是非常困难的，要实现电动汽车的零排放，通过微电网方式实现电动汽车与可再生能源的集成应用是最直接的方式。在特定的应用场景下（如海岛供电），如果能将电动汽车的发展需求与风光互补供电系统结合起来，可以弥补各自的不足。一方面，电动汽车的动力电池可以作为储能，提高风光互补系统的供电可靠性；另一方面，又能提高电动汽车的清洁能源利用率，有效降低碳排放量。

因此，对充电站微网的拓扑结构和容量优化配置进行研究，不仅符合未来充电站建设的发展趋势，亦有助于新能源的消纳和电网的稳定安全运行。

1 国内外研究现状

受环境影响，光伏发电功率和风机发电功率具有较大的随机性、波动性和间歇性，电动汽车的充电也具有较大随机性，为平滑光伏出力的波动性，为减少充电负荷对电网的冲击，需要配置合理的光伏电板、风机容量、储能设备和变流器容量。当前，对微电网中的分布式新能源的容量优化配置已积累了丰富的理论成果。同时随着对电动汽车充电站的研究越来越多，考虑光伏和充电结合时光伏阵列与储能设备之间的容量问题也有不少研究成果。

文献[1]为提高独立光伏供电可靠及利用率，根据光伏与储能联合运行特点，提出以负荷缺电率和能量溢出比为指标的光储容量优化配置方法。文献[2]基于Copula理论构建混合函数，对光伏出力与充电负荷相关性描述，以充电站年运行成本最小建立目标函数。文献[3]在考虑电动汽车用电需求的前提下，同时发挥电动汽车换电模式所具备的储能能力，以系统投资成本、运行成本和电量不足损失成本综合最低为目标，并考虑风光系统、充放电机和动力电池的约束条件，构造含电动汽车充电站的风光互补系统容量优化配置模型。文献[4]建立基于退役动力电池梯次利用的光伏充电站光储容量配置模型，以充电站年净收益最大为目标。文献[5]考虑光储联合出力与调度计划适应性，以光储配置除去常量成本净收益最优为目标建立容量优化模型。文献[6]利用负载缺电率衡量系统可靠性、全寿命周期成本衡量系统经济性，建立以系统容量、储能电池寿命为约束条件的容量优化模型。文献[7]提出了一种含风光互补系统的直流微网，利用电动汽车动力电池作为辅助储能，仿真结果表明该系统可以稳定地为负载供电。

目前针对光伏充电站虽然已经有较多对光储容量优化的研究分析，有以负荷缺电率和能量溢出比为指标考虑的、有考虑退役电池梯次利用等，均是在优先考虑成本和净收益最优为前提情况下，得到最优容量配置，未研究各装置之间的能量耦合与最优容量配置的关系。

2 交直流微网拓补结构分析

2.1 仿真模型

通过Powerfactory 软件搭建交直流混合微网模型，并结合实际工程问题，针对含交直流混合微网拓扑中光伏配置方案，即光伏应配置于混合微网的直流侧还是交流侧进行仿真研究，用visio软件画出的拓扑图如图1，在Powerfactory软件中搭建的仿真拓扑如图2。

图1 Visio拓扑图

图2 在DIgSILENT/Powerfactory 搭建的仿真拓扑图

仿真参数设置如表1 所示。在实际工程中，可根据负荷的用电需求和电能传输距离做进一步调整。

仿真条件设置如下：1）正式的RMS机电暂态仿真是从10 s开始。2）PV系统的输入是一个光伏电站的采集数据（即10 s～105 s过程。全天每15 min一个采样点，共96个点，模拟全天的光伏出力），交流测和直流侧的光伏属于给定的统一的光照数据，但是呈倍数关系。3）交流负荷数据为某工厂的负荷数据（即10 s～105 s过程。全天每15 min一个采样点，共96个点，模拟全天的负荷波动），直流负荷为给定的一个恒定值。4）交流侧储能在交流侧光伏出力>交流侧负荷功率时关闭，暂时未考虑充电过程，直流侧储能与交流侧相同。

表1 仿真参数

2.2 仿真结果分析

当5 MW 的光伏位于直流侧，主要仿真结果见图3、图4。

图3 交流侧与直流侧光伏、储能出力与负荷功率

图4 交流侧与直流侧电压和交流侧频率波动情况

当5 MW 的光伏位于交流侧，主要仿真结果见图5、图6。

图5 交流侧与直流侧光伏、储能出力与负荷功率

图6 交流侧与直流侧电压和交流侧频率波动情况

由仿真结果可知，在所给仿真参数下，系统能正常响应光伏出力变化以及负荷变化。直流微网的电压和交流微网的电压及频率均未发生较大波动，证明了该拓扑架构设计的可行性以及电压等级选取的合理性。此外，在仿真中发现，当远期光伏放在交流侧，交流母线在模式切换时刻的频率波动更小了。如果光伏的工程建设公司技术成熟，远期光伏放在交流侧更恰当。此时无需配备交流和直流母线间大容量的AC-DC 换流器。而且一般光伏厂家在实际操作中都是在交流系统安装光伏，在相应面板串并联方案及换流的配套设备上技术更为成熟。按照电源与负载接入系统的形式以及交流和直流母线的配置方式，交直流混合微网的拓扑结构可分为交流耦合型混合微网、直流耦合型混合微网、交直流耦合型混合微网。该仿真选取的混合微网拓扑是交直流耦合型混合微网，如图7 所示，外部电网接在交流母线侧。该拓扑结构的优点是：两侧子微网系统容量均衡，功率流动较少，易于控制。而且由于并网点在交流母线侧，可通过灵活控制并网点开关，实现混合微网在并网运行与孤岛运行两种状态下切换，适用于交流DG（distributed generation）及交流负荷占比重较大，而直流DG 和直流负荷分布较少的场合，目前应用较为广泛。

图7 交直流混合微网基本拓扑

3 交直流混合充电站的容量优化配置研究

3.1 仿真模型

文中通过Homer软件搭建交直流混合充电站的微网模型，见图8所示。以净现成本最小为优化目标得到充电站的最优容量优化配置，并揭示了各装置之间的耦合关系，分析耦合关系对装置容量的影响，最后通过灵敏度分析法分析购电电价对充电站优化规划的影响。

该充电站为并网型充电站，主要包括风机、光伏发电、储能以及变流器。其中，虚线部分表示容量待优化的装置。

图8 交直流混合充电站微网模型

3.2 仿真结果分析

文中对交直流混合充电站进行容量优化配置时，在满足负荷需求的同时，以净现成本最小为优化目标进行规划。净现成本包括各装置的投资成本、置换成本、运维成本、购电成本以及碳排放成本。文中采用分时电价从电网购电，如表2 所示。交直流混合充电站的运行周期为20年。

表2 分时电价

表3 给出了4 种优化方案，按照净现成本从小到大进行排列。从表中可以得到，方案1 的净现成本最小，充电站的最优容量配置应包括光伏、储能和变流器。对比方案1 和方案2，可以得到方案2 的风机装机容量很小，这是因为该地区的风能资源较差且风机投资成本较高，不适宜安装风机。对比方案1、2、4，可以得到随着光伏容量的减小，储能容量一直在增大。这是因为光伏容量减小，储能需在电价较低时进行充电，以满足高峰负荷地需求，从而减少购电成本，使得充电站高效经济地运行。同时，从表3 可以得到，方案1 的度电成本最小，随着电动汽车负荷的增大，方案1的经济优势更加显著。

4 结语

1）通过仿真结果得到远期光伏放在交流侧，可减小交流母线的在模式切换时刻的频率波动。结合实际工程问题得到，若光伏的工程建设公司技术成熟，远期光伏放在交流侧更恰当。因此本研究对交直流混合微网的拓扑结构规划问题有一定的指导性。

2）本研究结合实际平台，建立交直流混合充电站的仿真模型，得到了交直流混合充电站的最优容量配置方案，并分析了装置之间的耦合关系和购电电价对容量优化配置的影响。由仿真结果分析可得可再生能源与负荷会直接影响到容量优化配置结果，因此在充电站的前期规划中，应实地考察当地的可再生能源与电动汽车充电的需求，在满足供电可靠的条件下，减小前期的投资成本。对于并网型交直流混合充电站，应在前期规划中与电网协商购电电价，购电电价也会直接影响到容量优化配置的结果。