新能源光储充一体化电站建设关键技术研究分析

黄 玮

（中国南水北调集团新能源投资有限公司）

0 引言

“2030碳达峰、 2060碳中和”的环保目标将加速电动汽车取代石油和天然气汽车的进程， 为了迎合电动汽车的当下发展规模和未来发展需要， 城市需要更加科学地布局和建设社会公共充电基础设施， 在国家对新能源发展的大力支持下， 城市要强化推进充电设施与电动汽车的协同发展， 因地制宜， 根据城市现状科学分布充电站点， 解决电动汽车充电造成的电网运行不稳定的问题， 建设光储充一体化电站， 为高峰期间的用电给予必要支撑， 使得电站负荷峰谷差处于平衡状态， 以达到正常运行的目的， 并实现对既有配电网络的优化目标。

1 新能源光储充一体化电站建设现实意义

光储充一体化的电动汽车充电站是将可再生能源光伏发电与储能系统相结合共同组成充电设施的电能补给系统， 光伏和储能相互结合可以充分发挥各自的优势， 就地消纳了光伏能源， 实现了可再生能源的整合， 提高了可再生能源的渗透率， 将充电站与可再生能源有效衔接， 在用电高峰时， 减轻了电动汽车超充时高电压、 大电流对配电网造成的冲击， 能够很好地满足各类型电动汽车的快充需求； 夜间用电低谷时，则会给自身储电， 起到局部微网削峰填谷的作用。有效缓解了充电站充电负荷的不确定性所产生的不利影响， 节省了配电增容费用， 弥补了太阳能发电连续性不佳的缺点。合理的配置优化光储充一体化充电站，或将成为充电设施未来发展的主流方向， 能够获得更高的社会效益和经济效益。

在新能源发电占比逐渐加大的背景下， 光伏与风力发电等新能源发电系统输出电力波动更明显， 直接威胁了电网运行的稳定性， 资源浪费问题逐渐凸显出来， 使得新能源发电推广应用被制约[2］。光伏系统内储能配置也逐渐发展成主要研究方向。在电动汽车数量增加的同时对于充电需求也明显加大， 早期老旧小区、 高速公路和公共场所建设的充电场所在配电容量方面也逐渐出现问题。为此， 新能源光储充一体化电站建设与推广的商业价值突出， 同样可促进电动汽车以及新能源的发展。

2 新能源光储充一体化电站阐释

2.1 电动汽车型

电动汽车充电桩分为交流电和直流电两种。前者主要是交流电源充电输入端与交流电网连接， 输出端依靠插头与电动汽车连接， 以3kW、 5kW、 7kW 小功率为主， 不仅体积小且具有较强的适用性， 安装相对简单， 但充电速度缓慢， 通常用于居民小区与商场。而后者的功率以60kW、 120kW 为主， 能满足各种电池的各种充电方式， 充电速度较快但需要配置较多设备， 重量大且占地面积相对较大[3］。

在追求碳中和目标的过程中， 优先开发当地的可再生能源并结合储能新技术是电动汽车充电站建设的大趋势， 太阳能为清洁能源， 光伏组件的结构安装也较为简单， 在充电站储能的基础上， 可使光伏输出波动频率得到缓解。

2.2 户用型

此类型电站发电十分方便且灵活， 具有自发自用的特点， 被广泛用于医院、 住宅区与学校。户用型光储充结构 （图1） 主要包括三类： 1） 直流结构： 单母线结构， 采用单母线将变换器与各负荷单元分段接线，各单元之间的电压相同； 双母线结构， 分为两个电压等级， 其中一条回路中断， 另外一条作为备份母线便会继续给设备正常供电； 2） 交流结构： 交流母线主要是电网经变压器形成， 转换量较大， 电能损耗也更大， 因此效率较低， 成本较高[4］。交流母线由光伏形成， 经变换器实现储能， 两者都是经独立的dc-ac变换后接入电网； 3） 交直流结构： 交直流混合节省了发电端与受电端之间的交直流变换的环节， 将交流和直流连接后任然可以单独进行控制。且用电效率和稳定性更高， 具有较多的应用场景。

图1 户用型光储充一体化电站结构图

3 新能源光储充一体化电站建设的关键技术

3.1 光伏电池出力

光伏电池是用硅片、 无机盐化合物、 功能高分子材料、 纳米晶等材料制作而成， 利用以上材料吸收太阳光能后， 物体内电荷分布状态改变进而产生电动势和电流， 完成光能量向电能量的转换， 也就是通常所说的光伏效应。目前， 光伏电池多为P-N结型， 通过P型半导体与N 型半导体的紧密连接， 两种半导体的接触面因载流子浓度不同而产生扩散运动， 也就是载流子流，从而形成正负离子电场。在理想状态下， 左侧光生电流IL为恒流源， 在光照的强度变大以后， 电流会随之增加。根据图2 可知，Ish为旁路电流，Rs为串联电阻，I是光伏电池输出电流，IP为PN 结正向电流，U属于端电压，Rsh是旁路电阻。对光伏电池输出影响的因素诸多。

图2 光伏电池等效电路图

3.2 负荷特性

负荷， 指的是电力系统、 发电厂瞬间所形成的工作负载， 主要包括四类 （见表1）：

表1 不同负荷需求响应情况

光储充一体化电站为电动汽车充电的过程中需对照明负荷加以考虑， 若设置于居民区与商业住宅内，也要对商用负荷、 办公类负荷以及生活清洁负荷等情况加以考虑。需求相应策略的选择关键在于负荷响应能力， 需结合系统的运行需求对负荷进行调度， 以达到负荷峰谷差缩减的目的。

3.3 储能系统

储能电池是光储充一体化充电站必不可少的电能存储部件， 在光照充足时存储电能， 在光照不足和应急状态下可以为负载供电。铅酸蓄电池、 锂电池、 镍镉电池、 钠硫电池是以稀硫酸为电解质的化学储能，通过电化学反应实现电能与化学能之间的额相互转换。另外还有释放压缩空气来驱动发电的机械储能方式和超导体的线圈的电磁储能方式。储能电池应具备充放电循环的特点， 并具有环保和安全性。因锂电池充放电效率与性价比较高， 充电能力强、 时间短， 低温放电性能好， 所以多被用做光储充一体化电站储能电池[5］。蓄电池使用期间若有过度充放电的情况， 其使用寿命也会受到影响， 使其荷电状态受到限制。

3.4 充电桩设备

汽车充电桩工作模式是由整流模块将输入主回路的三项交流电转换为直流电， 进入二次回路完成待机、 充电、 读卡、 启停等指动作流程。而直流充电桩选择的是DC/DC 变流器， 充电功率大、 速度快， 多见于充电站或大型商超停车场； 交流电电桩一般选择DC/AC 变流器， 通过整流逆变模块， 能与后台顺畅通讯， 完成电网与电池的双向能量交换， 充电功率小、速度慢， 多见于居民小区停车场。电动汽车充电站发展前景广阔， 但同样需对光伏供电比、 充电桩利用率、 最大上网电量、 平均排队时间等进行综合考虑。

3.5 耦合技术

考虑光伏系统与储能系统技术特点， 光储充一体化电站适配形式主要选择交流耦合与直流耦合等多种， 进而与各场合需求相适应。其中， 直流耦合技术就是在光伏组件将直流电输出以后经过汇流箱实现汇流， 并利用PDS 直流变流器与PCS 储能变流器连接。而交流耦合技术则是由光伏组间输出直流电后，借助逆变器向交流电转换， 储能蓄电池在直流电输出后经PCS 储能变流器向交流电转换， 在两者汇流后可为充电桩供电。

4 新能源光储充一体化电站建设难点

4.1 配电网负载过重

若大规模电动汽车处于无序充电状态， 会严重影响电网经济性、 电能质量与安全稳定运行等。电站为电动汽车充电的过程中， 电力负荷会随之增加， 使得峰谷值被扩大， 所以配电厂要使用大量备用电来满足用电峰。而对于网损， 部分学者在验证后指出，线路损耗最小的前提是渗透率为20%。渗透率越高，线路损耗越大， 二者之间存在正比例关系。线路损耗率公式是

电站形成谐波会对变压器与电能质量产生一定影响， 而谐波电流还会使导线电阻增加， 导致变电器的热损随之提高， 直接影响了输出电能的质量。

4.2 充放电储能协同调度缺乏合理性

大力发展光伏发电并与电网充电协调调度， 或者加强充电站与光伏发电系统的关联恶意提高对光伏能源的消纳利用能力， 有效降低碳排放量。但现实情况是， 调整电网的能源结构并不容易， 光伏能源分布地与充电站地域间的关联及规律并不好把控。随着汽车充电站规模的日益增大， 储能负荷不断增加，由于不同区域的光伏发电特性差异明显， 光伏充电站的容量配置等方面都需要进行优化调度， 以应对分布式电荷的缺乏特性， 协同性和互补性较强， 但电网调度利用互补性的程度有限， 直接影响了光伏发电的效率。

4.3 电网规划挑战严峻

电动汽车充电具有随机性和集聚性， 当很多用户集中夜间充电时， 与基础用电高峰叠加对电压等级、电网容量等均是很大的考验， 电网负荷明显加重， 尤其是大功率直流桩充电时， 可能产生谐波电流和冲击电压， 会严重影响局域电网质量和供电安全， 当前很多充电站将储能电池作为可分散电源， 并于电峰状态下供电， 以减轻对电网负荷的影响， 但是效果并不明显。目前的充电站呈现散、 多、 乱的状态， 对电动汽车的充电时间与地点并没有较好的引导和调节方案， 对电网的扩容和服务工作带来较大的挑战， 所以电路、 继电器与配电容等相关设备均要及时更新。

5 解决新能源光储充一体化电站建设的关键技术

5.1 保证充电的有序性

电动汽车在电站充电的过程中会使峰谷差增加，在对此问题核决的过程中主要考虑两个问题， 即增加蓄电池的放电能力和有效调整电动汽车的充电时段， 保证错峰、 有序进行。如果选择电池放电的方式， 要想确保整个电网有功功率平衡， 规避电网的波动， 则要求电动汽车的供电与具体条件相满足， 即公式 为：Ptotal(t) =PEV(t) =Ploss(t) +Pfund(t) ； 错 峰 充电的一种方法是运行电网调控机制， 当用电高峰时电动汽车与电网连接也不会发生充电行为， 待电峰值结束以后， 电网会立即充电。另一种方法便是制定相关制度严格管控电动汽车的充电行为。在对汽车充电负荷影响潮流程度方面， 一般可利用蒙特卡洛对充电负荷进行模拟， 并将DIgSILENT电网节点加入后， 利用潮流公式对结果进行计算。

5.2 优化设计滤波器

光伏发电网输出的电流中含有大量谐波， 严重影响电能质量， 并有大规模事故的风险。谐波污染问题的解决方法主要包括两种： 1） 谐波源减少谐波含量； 2） 谐波滤除装置的增设。以LCL 滤波器的设计举例分析， 其优势表现为： LCL 滤波器为三阶系统，衰减速率较高， 滤除谐波所需的电感量较小， 同样系统体积较小， 内加阻抗能避开谐振点， 抑制谐振效果更明显。优化滤波器设计时， 需在与逆变器滤波满足的基础上尽可能减小电感数值[6］。

5.3 充放电储能协同调度

要想确保电站经济、 安全且可靠， 有必要对电动汽车的储能与充放电功能进行科学运用。通常， 借助微电网能量管理系统采集电动汽车的基本信息与运行状态数据， 而后进行全局化调度， 向Ⅴ2G 控制中心上传决策信息， 通过此技术即可对电动汽车的充电时间与充放电功率进行控制。

6 结束语

新能源光储充一体化电站是电动汽车能够快速发展的重要前提和基础保障， 在其建设时要认真勘察周边环境的影响， 准确评估站点的充电负荷量， 分配好蓄电池容量， 使其能为区域电网用电峰提供补充和辅助， 不管是电动汽车型或是户用型， 均需对电站关键技术发展多加关注。