新能源光储充一体化电站建设关键技术研究分析

许 立，纪锦超，冯桂贤

(1.西安领充创享新能源科技有限公司， 西安 710000；2.深圳市中电电力技术股份有限公司 西安分公司， 西安 710000)

0 引 言

新能源指的是非常规能源，除传统能源以外的各类能源，比如太阳能、海洋能、风能、地热能等。我国目前正大力支持发展新能源，但新能源发电不够稳定，导致电网运行有着较大的安全隐患。光储充一体化电站能够利用电池储能吸收负荷低谷期间电能，支撑负荷高峰期间用电，从而平衡电站负荷峰谷差，实现有效地运行，优化当前的配电网络。

1 新能源光储充一体化电站概述

1.1 电动汽车型光储充一体化电站

这一类型的充电设施是能够为电动汽车充电的专属设备，分为交流充电桩和直流充电桩这两种。交流充电桩用于交流电源充电，多是3、5和7 kW这类的小功率，优点是易安装、体积小、适用性强，缺点是充电速度偏慢，多安设在商场、居民小区等区域。直流充电桩用于直流电源充电，功率多是60、120 kW，优点是充电速度快，缺点是相关设备多、占地面积大。

随着新能源的应用范围不断变广，光伏发电成为了光储充一体化电站的主要能量来源。太阳能是清洁、绿色能源，光伏组件结构简单、便于安装、组装时间短，充电站进行储能可有效缓解光伏输出的波动频率。整个电站结构包括控制中心、光伏发电系统、储能系统、充电桩、配电网等。

在电站结构中，控制中心用于监测控制电站内的各类设备，协助电站各单位有序运行；光伏发电系统是通过光伏阵列对太阳能做能量转换，形成电力；储能系统是储能电池组，既可以存储能量也能够平衡功率，能够配合光伏发电系统对电动汽车进行充电；充电桩有交流、直流这两类，像高速公路上的电动汽车充电桩则用的是直流电；配电网变流模块会与交流配网、充电系统连接，依据电站设计的实际要求，交流电接入系统之前需要通过变流模块做转换才可充电。

1.2 户用型光储充一体化电站

户用型光储充一体化电站的发电灵活、方便，能够自发自用，可在住宅区、医院、学校广泛应用。在2019年新政讨论会中提到，户用补贴指标为3 GW，补贴额度是0.18元/kWh。我国浙江省就提到了“百万屋顶”计划，在全省的100多万户家庭的屋顶安装光伏，2020年的户用总装机在6 GW的规模。

户用型光储结构分成三类，分别是直流结构、交流结构及交直流结构。直流结构的第一种拓扑结构是单母线结构，用变换器连接不同负荷单元，结构电压等级固定。第二种拓扑结构是双母线结构，把母线分成不同电压等级。第三种拓扑结构是冗余式母线结构，用直流母线当做备用母线；交流结构的第一种拓扑结构中，交流母线是电网经过变压器形成，有大量转换，电能损耗大。第二种拓扑结构中，交流母线是光伏产生，储能通过变换器连接交流母线，电网由变压器与储能相连；交直流结构的第一种拓扑结构是交流、直流由两个母线经过变流器连接，利于单独控制。第二种拓扑结构是在直流侧加电网，稳定性高，可不具备直流侧加入负荷要求。第三种拓扑结构有双层直流母线，应用场景多但控制难度大。

图1 户用型光储充一体化电站结构

户用型需配备合理的储能系统才可有力保障光伏能量的利用率，如果储能电池容量偏小，光伏发电的能量则很难得到存储、利用，故在光伏储能配置上主要考虑到光伏容量，基于光伏容量做储能电池组容量的配置。家庭用电负荷有两种，分别是刚性负荷、柔性负荷，像冰箱、电脑便属于刚性负荷，吹风机、洗衣机属于柔性负荷。在此可依据户用型负荷实际情况、当地储能容量、光伏日发电情况对特定负荷下储能电池容量、光伏电容做配置。

2 新能源光储充一体化电站建设关键技术

2.1 光伏电池出力

光伏电池板受到太阳光辐射之后会形成光生伏特效应，电池两端会有电动势，太阳能会转换成电能。现阶段常用到的光伏电池是PN结型光伏电池，晶体硅为半导体材料，有较高的转换效率。在理想光源状态下，左边光生电流IL是恒流源，光照强度变大后，电流也会增加。在图2中，PN结正向电流是IP、旁路电流是Ish、光伏电池输出电流为I、旁路电阻是Rsh、串联电阻是Rs、端电压是U。影响光伏电池输出的有很多影响因素，光照强度这一影响因素最为显著。当光照强度得到增强，光伏电池输出功率也会加大。

图2 光伏电池的等效电路图

2.2 储能系统

储能系统包括储能电池、电池管理系统及双向变流器，储能电池是以化学储能、电磁储能、机械储能为主，蓄冷储能、蓄热储能为辅，储能形式会根据技术成熟度、充放电时间、存储容量不同而有所不同。储能电池需有较好的充放电循环性能，兼顾环保性与安全性。锂电池则由较高的充放电效率，性价比偏高，故可将锂电池作为光储充一体化电站的储能电池。在使用蓄电池的过程中如果出现过度充电、放电，蓄电池的使用寿命会变短，要严格限制其荷电状态。双向变流器是50 kW双极式变流器做电池组充放电，直流电接的是电池组，交流电接的是交流母线，用以采集能量数据及测控投切[1]。

2.3 负荷特性

负荷是发电厂、电力系统于某一瞬间产生的工作负载，可分成无响应型、可中断型、可转移型、可调节型这四类。其中，无响应型要求无间断、长时间供电，不会对任何需求产生明显响应；可中断型可随时对负荷做中断，能够即时对负荷做转移调整或中断；可转移型能够根据发电厂生产计划安排启停时间；可调节型能够随时调整当前的用电时间，具体情况见表1。

表1 不同负荷需求响应状况

光储充一体化电站在为电动汽车充电时还要考虑到照明负荷，如果电站安设在商业住宅、居民小区里面，更要考虑到生活清洁负荷、商用负荷和办公类负荷。负荷响应能力是开展需求响应策略的关键，依据系统运行需要，应当调度好系统负荷，缩减系统负荷的峰谷差。

2.4 充电桩设备

充电桩可控制充电电流，为电动汽车充电。直流充电桩是用DC/DC变流器充电，交流充电桩是用DC/AC变流器充电，由于直流充电的功率大，故被称作快充，交流充电的功率小，被称作慢充。在我国的各居民小区中，电动汽车充电的方式多是交流充电。随着“互联网+充电服务”的发展，电动汽车充电有了更广阔的发展前景，但要考虑到最大上网电量、最大接入负荷限制、光伏供电比、平均排队时间和充电桩利用率[2]。

3 新能源光储充一体化电站建设关键技术存在难点

3.1 配电网负载过重

当大量电动汽车无序充电时，会严重影响到配电网的运行效果，造成电能质量急剧下降，主要的影响方面包括安全稳定运行方面、电网经济性方面、电能质量方面。安全稳定运行包括电器设施售卖、峰值负荷、电压波形；电网经济性包括变压器负载、变压器功率损耗；电能质量包括电压不平衡、电压偏移、谐波电流。

电站在为电动汽车充电时，电力负荷会不断上升，进而扩大峰谷值，要求配电厂耗费更多备用电来满足用电峰时。在网损方面，电动汽车渗透率小，线路负载损耗小，电动汽车渗透率升高，线路负载会增加。有学者验证得出，渗透率在20%，线路总损耗最小。渗透率在20%以上，线路损耗会不断增加。线路损耗率与线路损耗变化成正比，线路损耗率表达式为：

此外在谐波污染方面，电站产生的谐波会影响到变压器、电能质量，谐波电流会增加导线电阻，造成变压器热损增加、输出电能质量变低。

3.2 电网规划面临新挑战

电动汽车充电负荷的曲线峰时会与基础负载重叠，造成负荷高峰期产生峰谷差。目前电站所实施的电能充电，是把电动汽车电池当做可分散电源在电谷时取电、在电峰时供电，以此抑制电网负荷，避免频率较大幅度波动。可由于电动汽车的数量不断增多，此类智能化充电并不能满足大规模充电行为，故配电容、继电器、电路等设备均需要更新换代。

3.3 充放电储能协同调度不合理

首先，调度对象特征不明确，电源侧的光伏电源能源分布和地域相关不明确，很难去把握调度对象的规律。负荷侧因电动汽车储能负荷的增加，调度电源跟踪负荷、电力存储情况在会逐步出现变化，分布式主动负荷特性不明确；其次是调度体系不适应，集中调度的光伏电源调度依然是传统电源调度，难以全面监控分布式资源，故分布式资源只可在微网内做局域优化调度；最后，光伏发电的特性差异大，彼此之间有协同性与互补性，电网调度缺乏对这些互补性做有效利用，会限制光伏发电的高效利用[3]。

4 新能源光储充一体化电站建设关键技术存在难点的对策

4.1 有序充电弥补峰谷差

电站为电动汽车充电时会加剧峰谷差，为应对这一问题要考虑到电池放不放电。若不考虑电池放电，有两种方式，一是要求用户自行转移充电时段，在深夜时分充电，但这样的方式不太现实。二是增加电网调控机制，电动汽车接入电网时正处于用电峰值，那么电池接入之后不会立即充电，而处于断路状态。等到电峰值结束后电网解除断路，开始充电。若考虑电池放电，为保证全电网有平衡的有功功率，减少电网波动，电动汽车供电需满足相应的条件，这一公式为：

Ptotal(t)=PEV(t)=Ploss(t)+Pfund(t)

式中，Ptotal是输电网供给总有功功率；PEV是汽车做电源时的额外功率；Ploss是电网损耗功率；Pfund是每天基础耗电功率。如果严控电动汽车的充电行为，能够有效降低峰值阶段功率，提高谷值阶段功率。为了解汽车充电负荷对潮流的影响，需通过蒙特卡洛模拟出充电负荷，之后再加入DIgSILENT中电网节点，再以潮流计算公式计算出对应结果。

4.2 滤波器的优化设计

针对谐波污染的问题，可从两方面加以抑制。一是从谐波源降低谐波含量，二是增加谐波滤除装置，装置分成有源滤波装置、无源滤波装置、动态电压恢复器等[4]。以LCL滤波器设计为例，LCL滤波器的优点在于，相同开关频率的条件下，滤波电感取值有所降低，系统体积也会变小，更便于控制。为抑制LCL滤波器谐振，可在滤波器中加阻抗，以此避开谐振点。而LCL滤波器的优化要考虑到滤波器各个参数对性能造成的影响。由于滤波器总电感磁芯会决定整体的体积、成本，故在满足逆变器滤波的情况下要让其电感值达到最小。

4.3 充放电储能协同调度设计

为保障电站为安全、可靠、经济，应当综合利用好电动汽车充放电、储能功能。在此可通过微电网的能量管理系统对电动汽车基础信息、运作状态信息进行采集，像汽车出行时间、起始荷电状态等。而后再做全局调度，把决策信息传至V2G控制中心，再由该技术来控制电动汽车充放电。微电网的能量管理系统可以影响到电动汽车充放电，充电负荷和常规负荷均为峰值，可用V2G技术对电动汽车状态做控制，使其放电。若发电量比需求量要大，应当将电动汽车当做储能元件，使其保持充电。电动汽车充电时间、充放电功率均由V2G做控制。

5 结束语

光储充一体化电站将光伏新能源与储能有效结合，发挥出不同类型储能特性，延长了储能电池使用寿命。无论是电动汽车型还是户用型，应当注意到光储充一体化电站关键技术现状。本文分析了新能源光储充一体化电站建设现状，提出了关键技术存在难点及对策，能够实现电站运营商的收益最大化。