光储充一体化电站建设关键技术研究

崔帅帅，李启航，冯朝阳，范积亮

（西安交通燃气有限责任公司，陕西 西安 710000）

0 引 言

为了应对日益严峻的环境污染与国内能源结构调整与提升压力，对可再生能源的大力扶持已经成为非常重要的能源建设内容。同时，随着低碳经济的进一步推进，我国新能源产业进入到一个蓬勃发展与快速推进的时期，电动汽车的普及是我国交通领域重点的车用能源绿色行动。光能是一种普及推广的可再生能源，我国还需开展光能发电的研究，相关技术已经有了很大的进步。光储充一体化电站的建设提供了一个非常良好并且有效的途径，改善光能发电的稳定性同时确保了负载输出的高效，值得进行大力推广发展和应用。我国的电网建设在飞速发展，为提升其安全性与可靠性，需要加大相应的电站建设。结合光能发电技术，进行光储充一体化电站建设，对推进整体电网建设。发展完善国内基础设施建设工作具有重要作用。

面对零碳目标下新能源+储能快速规模化发展的新机遇，持续深化技术创新，以更科学合理的系统方案设计进一步挖掘和提升储能的服务价值，实现储能与电网从被动适应向主动安全、主动支撑转变，为构建上下游产业链命运共同体、促进储能产业健康可持续发展提供坚实保障。

1 光储充一体式充电站建设意义

光储充一体化模式就是将光伏发电、储能电池和充电桩组成一个微电网，利用光伏发电，将电量存储在储能电池中，当发电不稳定时，储能电池将电量供给充电桩使用。充电桩通过光储充系统，将清洁电源输送给新能源汽车进行智能化柔性充电[1]。目前，国家大力推进新能源消纳，光储充一体化电站在促进新能源供给消纳体系构建和缓解电网压力方面有着诸多优点。首先，光储充电站实现了使用可再生能源。利用光伏、储能为充电站和电动汽车补充清洁电源，符合国家双碳政策的发展方向，顺应发展趋势。其次，光储充电站有效减少对电网的冲击。根据了解，目前市面公共直流快充桩的功率达60 kW以上，大型城市使用这种快充桩将对电网造成冲击，而光储充电站中的储能系统通过削峰填谷平衡大电流对电网产生的冲击，保护电网稳定运行。最后，光储充电站为动力电池回收提供途径。我国正迎来动力电池的退役潮，退役电池可回收作为光储充电站的储能电池使用，将动力电池价值最大化同时减少了环境污染。

一般情况下，为满足充电站的用电需要，在进行整个建设过程中需要建立起一个完整完善的供电系统，并且对应的电力系统还需要与公共电网连接，通过接入电网购电[2,3]。因此，引入并设置光储充一体化电站建设十分重要，并且进行电站建设时还要考虑充电站整体的占地面积情况。通常，需建设完整的光储充配电系统，满足实际用电需要。当整个光储充一体化电站系统在进行子系统连接时，会采用三相交流母线接入的方式将光伏系统设备线路与存储系统、设备线路以及充电设备线路进行联络，再进行并网设置，从而解决整体集中大功率充电可能带来的问题，确保整个光储充电站能够自己发电并自己用电，完成电能的消耗，实现良好的储电用电保障功能。

2 光储充一体化电站系统研究

光储充一体化电站的关键技术涵盖的内容非常广泛，包括光储充一体化电站的整体系统与子系统的相关技术、光储充一体化电站建设过程中需要安装的各类设备以及光储充一体化电站建设完成后对整个系统运行情况的全面控制，以保证光储充一体化电站的稳定运行。

2.1 光储充一体化电站设备

总体来说，光储充一体化电站的设备主要由光伏设备、储能设备以及充电设备3个部分组成。

光伏设备是将光能或太阳能转化为电能的设备，光伏设备本身的电力输出能力与太阳辐射强度、周围环境温度有关[4,5]。光伏发电设备如图1所示。

图1 光伏发电设备

储能设备的设置需要考虑储能容量的实际配置情况，对应的储能系统在进行充放电时，需要考虑充放电的周期和充放电的实际效率，并对充放电的上限值和下限值进行控制。储能设备和储能系统运行过程中，需要对储能系统本身的建设成本和效益进行估算，这一过程通常利用储能设备或储能系统的使用寿命模型进行预测，由此计算出储能设备或储能系统在运行全过程中能够产生的最终效益。目前来说，最常见的储能方式之一就是运用电池进行储能。由于电池本身完成充放电的次数是有限的，应对整体效益进行估算。根据现有技术，电池的充放电循环次数与电池本身的工作环境情况密切相关，并且受充放电的深度影响。影响储能系统或设备成本的原因就是在日常使用过程中的维护与运营，维护运营工作本身需要成本，而维护和运营工作的成果对储能系统本身的使用寿命也有比较突出的影响。

2.2 光储充电站建设的系统结构

光储充一体化电站系统结构如图2所示。光储充一体化电站系统本身在新能源汽车领域应用较多，单独设置的光伏模块、储能模块以及充电模块彼此连接并接入统一配电线路，形成一个完整的微电网。对于光储充一体化电站而言，这样的微电网需要具备接入整个城市供电系统以及供电线路的基础功能[6,7]。

图2 光储充一体化电站系统结构

在进行电站建设的时候，最基础的就是需要包括光伏系统、储能系统以及充电系统3个方面。在此基础上，还要配有相对应的监控系统，监测整个电站的充放电情况，对电站的各项数据进行采集，良好地完成对电站的功率分配工作，确保能够满足不同用电设备和用电区域的具体需求。

此外，可以结合现有的自动化技术和信息技术建立一个完整的云端综合控制管理平台，对采集到的数据进行综合性处理、预测与分析，更好地完成整个系统中电力的优化配置与调度工作，准确下达对总系统的控制命令，从而使整个光储充一体化电站的功能得到完善与提升。

2.3 光储充一体化电站的控制方式

目前比较常见的控制模式主要包括2种，一是并网控制，二是离网控制。如果处在并网控制的状况下，那么结合上述所提到的云端综合控制管理平台了解次日天气数据与信息及历史的光伏发电功率、数据情况，结合次日的光伏功率情况对整体发电状况进行预测，由此下发具体的电力调度曲线情况给各自监控系统，并对光储充一体化电站电的发电功率进行限制补充以及调整，从而使得整个光储充一体化电站的发电稳定，并且不会对电网整体的电能稳定性和发电质量造成干扰[8,9]。

而接入的电网本身，由于自然条件和气候因素变化，加之用电高峰期等问题存在不能够良好地对整个工业园区进行用电的情况，此时可以考虑切换到一个离网运行模式。采用该模式后，即使外接电网出现了故障，也可以确保整个工厂仍然在有序稳定的进行相应的生产工作，通过对储电、储能、光伏发电等设备实际运行功率的调整和联合，确保最终的发电更加稳定。

2.4 持续优化设备整体配置情况

通过对光储充一体化电气设备的整体系统模型构建，优化整体用电设施设备的资源配置，从而确保整体电站可以获得最大的净收益[10,11]。因此，要对设备的整体配置不断优化，对各项技术进行革新和改进，以确保最终电站建设完成后效益的最大化。

3 光储充一体式充电站运行技术研究

光伏电站本身会对整体电网产生比较明显的冲击与影响，这就造成了光伏电站现在的应用情况处在一种自给率低且对光伏电站并网工作存在限制的情况。而单独的充电设施与装置比较明显的特点就是容易在用电高峰时对电网造成波动，这种集中性的充电工作增加了整个电网的运行负担[12]。总体而言，城市整体的电路系统建设中缺少对大规模充电设施的考虑。如果将充电设备直接进行配网，那么需要对相应的变电气和线路进行改造，增加整体建设成本。如果建设了光储充一体化电站，可以在用电量较大的时候通过光储充电站对设备用电情况进行补充，减少接入电网时可能造成的系统干扰问题，提升企业整体的经济效益，有助于促进企业的绿色发展，具有非常突出的社会效益。

为了满足电动汽车充电的稳定性和电站运营成本最低化，运行控制策略原则如下：一是保证电能输出的稳定性；二是最大程度消纳光电能；三是最大限度实现削峰填谷作用；四是降低对电网的冲击。

根据西安市阶梯电价运行原则（见表1），结合运行控制策略原则，设计优化策略。

表1 阶梯电价表

根据峰平谷电价的时间段分布进行控制阶段的设定，为3级调控方式，具体如下。

（1）在用电谷值期间，其电价成本最低，可由市电进行充电供能并给储能模块进行充电作业，保证在平或峰值期间储能模块的电量供给。在谷值期间，市电总负荷量也处于低位，在此期间进行供电和储能充电作业可提高夜间用电量，达到“填谷”的作用。

（2）在平值期间，电价为中等档次。此时控制策略采取光伏供电预先形式：如果光伏电量能够满足电动汽车需求，则单独供电；如果光伏电量无法满足电动汽车需求时，则利用储能设备进行供电（储能设备电能余量需满足在高峰期与光伏整体的稳定输出），仍然不足时需采取市电供电措施。

（3）在峰值期间，电价为最高档。此时应尽量避免采取市电供电：首先，用光伏进行供电，利用储能设备进行稳定输出配合；其次，如果光能源电量将出现缺口时，则应采用储能设备进行补充，稳定输出；最后，在二者均无法满足供电需求时，补充市电进行充电作业。光储充一体式充电站运行控制如图3所示。

图3 光储充一体式充电站运行控制图

4 结 论

本文将光伏发电、储能系统与电动汽车充电站结合，并对光储充一体式充电站设备、结构、运行策略进行了分析，确立了以运行成本为控制主目标、以储能底循环电量为辅助目标的运行控制策略。本文在运行控制策略模型中对智能算法进行了初步探索，下一步研究中将引进智能算法体系，实现多目标最优配置，并结合实例数据进行效果验证，保证控制策略的可行性。