储能系统对充电站可靠性的影响分析

杨晨雨，黄春艳，江浩侠

（广州市奔流电力科技有限责任公司，广州 510700）

0 引言

伴随着“双碳”目标的提出，国家对于电动汽车的发展以及可再生能源的利用关注度逐渐提升，截至2022年底，我国共有已投运充电桩520 万台，其中，公共充电桩180 万台；私人充电桩340 万台。然而随着电动汽车的普及和可再生能源的大规模接入，传统的充电站模式已经面临一些挑战［1－2］。

电动汽车的普及不仅减少了石油等传统能源的消耗，降低环境污染，同时随着电动汽车保有量的增加，一些问题也随之出现；由于目前充电站主要采用传统的电网供电方式，但受电网负载不稳定和可再生能源波动性大等因素影响，充电站的供电稳定性和可靠性存在较大的挑战，比如，当大量电动汽车在同一时间进行充电时，可能会对电网产生巨大的压力，甚至可能导致电网的崩溃［3］。

考虑到充电站的可靠性是影响用户体验和市场推广的关键因素之一。而储能系统同时具备能量存储与释放的功能，其在削峰填谷，平衡电网负荷中起到关键作用，同时考虑到其具备较强的安装灵活性和运行稳定性；因此引入储能系统作为充电站的组成部分，对于提高充电站的可靠性具有重要促进作用。

储能系统是指将能量转化为其他形式存储起来，以便在需要时再将其转化为可使用的能量的系统。根据储能机理和应用场景的不同，储能系统主要分为电化学储能、机械储能、电磁储能、化学储能、冷热储能等多种类型。

目前储能系统应用广泛，例如电化学储能广泛应用于新能源车辆、电力系统储能等领域，机械储能主要用于电力系统的调峰和备用电源等，电磁储能适用于快速充放电和功率补偿等场景，化学储能和冷热储能则适用于能源储备和温度管理等场景。

在这种背景下，本文提出了储能系统与充电站相结合的运行模式，旨在利用储能系统自身的运行特性，提高充电站的运行可靠性。本文首先分析了储能系统的分类及运行特性，随后分析了充电站运行可靠性的主要需求及主要影响因素，基于此分析了储能系统对充电站可靠运行的提升作用。

1 充电站运行可靠性的影响因素

充电站运行可靠性是指充电站在规定的运行条件下，能够正常、稳定地为电动汽车提供充电服务的能力［4－6］。

影响充电站运行可靠性的因素较多，主要可分为内部因素及外部因素2 类。

1.1 外部影响因素

外部影响因素主要为电网及外部环境等。主要包括以下方面。

（1）电力供应。充电站需要稳定的电力供应来为电动汽车充电。如果电力供应不稳定，充电站可能会出现充电中断、充电速度慢等问题。

（2）天气和环境。天气和环境因素也会影响充电站的可靠运行。例如，高温、低温、潮湿、干燥等环境条件可能会对充电设备和电力供应产生影响。

1.2 内部影响因素

内部影响因素主要为充电站自身设备、运维人员及运维网络以及用户等。主要包括以下方面。

（1）充电设备。充电站的充电设备，如充电桩、充电枪等，需要定期维护和检查，以确保其正常运行。如果充电设备出现故障，充电站可能会无法正常工作。

（2）充电网络。充电站需要与电动汽车和电网进行通信，以确保充电过程的顺利进行。如果充电网络出现故障，充电站可能会无法正常工作。

（3）安全管理。充电站需要进行安全管理，以确保用户的安全。如果安全管理不当，可能会导致充电站出现安全问题，如火灾、触电等。

（4）维护和维修。充电站需要定期维护和维修，以确保其正常运行。如果维护和维修不当，可能会导致充电站出现故障，影响其可靠运行。

（5）人员素质。充电站的工作人员需要具备一定的专业知识和技能，以确保充电站的正常运行。如果人员素质不高，可能会导致充电站出现问题，影响其可靠运行。

综上所述，为了确保充电站的可靠运行，需要对多种不同因素进行综合考虑和管理。

2 储能系统适配性分析

2.1 储能系统运行特点分析

储能发电系统自身可实现能量延迟释放的特性，可以根据需求进行灵活的能量存储和释放，以满足用户的用电需求［7］。当储能系统运用于充电站中时，其具备以下运行特点。

（1）提高电力可靠性：储能系统可以作为备用电源，当电网故障或停电时，可以迅速切换到储能系统供电，提高充电站的电力可靠性。

（2）减少电力系统的峰值负荷：通过储能系统的峰谷电价机制，充电站可以在电价较低的谷时段储存电能，从而减少电力系统的峰值负荷。这对于降低电力系统对充电站的影响具有有益影响，同时可以减少用户的电费支出。

（3）提高电力系统运行效率：储能系统可以快速响应负荷需求，实现对充电负荷的快速调整，从而提高充电站的运行效率［8－9］。

总之，储能系统在、提高电力可靠性、减少电力系统、峰值负荷降低电费等方面对用户具有积极影响。但同样的，在实际应用中，储能系统往往存在一定的投资运维方面的成本需求。

2.2 适用于充电站的储能系统分析

考虑到目前充电站多位于现有停车场内，且在可预见的未来一段时间内，充电站多以类似于停车场的型式存在，因此在选择储能系统时，在考虑其可靠性以外，还需考虑充电站对于空间的限制［10－12］。

基于现有发展较为成熟的储能系统分析，目前具有较高可靠性，且满足小型化需求的储能系统主要包含电池储能、飞轮储能及超级电容器储能。

2.2.1 电池储能适配性分析

电池储能是一种通过将电能转化为化学能，并在需要时将化学能转化回电能的储能技术。由于锂离子电池自身具有较高的能量密度及相对较高的运行稳定性，目前是应用最为广泛的一款电池类型［13］。

锂离子电池储能优点如下。

（1）能量密度高。锂离子电池的能量密度高，其体积能量密度和质量能量密度分别可达450 W／dm3和150 W／hg，可满足充电站负荷波动性较大需求。

（2）平均输出电压高。锂离子电池的平均输出电压约为3.6 V，是Ni－Cd、Ni－l电池的3 倍，可满足充电站对于充电电压稳定性的需求。

（3）可快速充放电。锂离子电池可以快速充放电，1 C充电时容量可达标称容量的80%以上。可满足充电站瞬时负荷激增的需求。

（4）容量衰减慢。锂离子电池的使用寿命长，100% DOD 充放电可达900 次以上；当采用浅深度（30%DOD）充放电时，循环次数可超过了5 000 次；且锂离子电池的自放电小，每月自放电在10%以下，不到Ni－Cd、Ni－Mh电池的一半，且不存在相同的记忆效应，循环性能优越。

（5）工作环境适配性高。锂离子电池的工作温度范围宽，为－30 ℃～45 ℃。适配绝大多数充电桩运行环境条件。

锂离子电池储能缺点如下。

（1）运维成本高。锂离子电池的成本相对较高，主要原因为正极材料LiC002 的价格较高，但随着正极技术的不断发展，有望采用LiMn204、LiFeP04 等为正极，从而大大降低锂离子电池的成本。

（2）保护电路要求较高。锂离子电池必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放。

（3）环境污染问题。锂离子电池退役后存在一定的环境污染问题，需采取针对性回收处理手段。

综上可知，锂离子储能可满足充电站对储能系统低衰减、高能量密度、适应性强等要求，但同时存在一定的运维成本及环境污染问题。

2.2.2 飞轮储能适配性分析

飞轮储能系统是一种通过将飞轮加速到非常高的速度并将系统中的能量保存为转子的旋转能量的能量存储技术［14］。

飞轮储能优点如下。

（1）长寿命：飞轮储能系统使用寿命通常在15～30年之间，是目前所有储能技术中寿命最长的技术之一，可减少系统维护对充电站使用效率的影响。

（2）输入／输出功率高：飞轮储能可承受数十甚至数百千瓦的输入／输出功率，且其能量转换效率高达90%；能够快速充放电，响应速度同样在毫秒级。可实现充电站的快速充放电需求。

（3）功率密度相对较高：飞轮储能系统的功率密度在数十千瓦／千克（kW／kg）及以上。满足充电站对于占用空间限制的条件。

飞轮储能缺点如下。

（1）机械应力较大。飞轮储能系统在高速旋转时，会产生较大的机械应力，且可能导致机械疲劳损伤和破裂。

（2）放电时间短。飞轮储能系统的放电时间相对较短，目前技术水平仅可维持数秒或数分钟的稳定持续放点。无法提供长时间的持续电力。

综上可知，飞轮储能可满足充电站高能量密度、快速充放电等要求，但其同样存在放电时间短的问题。

2.2.3 超级电容器储能适配性分析

超级电容是一种具有高储能密度和快速充放电能力的新型储能电容器。它介于传统电容器和充电电池之间，兼具化学电池储备电荷能力和传统电容器的高放电功率特点［15］。

超级电容器储能优点如下。

（1）循环次数多。超级电容器储能可以进行数百万次的循环充放电，寿命较长。满足充电站反复充放电需求。

（2）充放电响应速度快。超级电容器储能的充放电时间在秒级，响应速度快，满足充电站对于快速充放电的需求。

（3）能量转换效率高。超级电容器储能的能量转换效率高达80%～90%。可减少能量浪费。

（4）维护需求低。超级电容器储能内部无旋转部件，降低了故障率，不需要特别的维护。可有效保证充电站的使用效率。

（5）环境适应性高。超级电容器储能在－40 ℃～＋60 ℃的温度范围内均可正常工作，且对环境友好。有效满足绝大多数充电站的运行环境要求。

超级电容器储能缺点如下。

（1）电介质耐压低。超级电容器的电介质耐压较低，一般仅有几伏，限制了储能水平。

（2）能量密度低。超级电容器储能的单位体积能量密度相对较低，在当前技术条件下，由碳纳米管石墨烯制成的超级电容电极能量密度约为155 W·h／kg。无法与锂离子电池储能等其他类型储能相比。

（3）投资成本高。超级电容器储能的建设成本较高，可能限制其在一些充电站中的应用。

（4）自放电率较高。超级电容器储能自放电率大概在几毫安／小时到几十毫安／小时不等，可能导致能量损失相对较高。

综上可知，超级电容器储能可满足充电站对于频繁充放电及充电效率的要求，但其同样具有成本高、能量密度低且自放电率较高的缺点。

结合前文对现有可实现小型化的储能系统优缺点的分析，结合充电站对于储能系统能量密度高、衰减率低、安全稳定的要求，本文建议采用锂离子电池储能作为储能系统的主要储能方式。

3 储能系统对充电站运行可靠性的影响分析

由前文分析可知，结合储能系统的运行特点，其可有效提升充电站的可靠运行。

3.1 储能系统在充电站中的应用方式

当储能系统与充电站实现协同运行是，其可为充电站提供多种辅助功能［16－18］。

（1）作为备用电源

在电网故障或电力中断时，储能系统可以作为备用电源为充电站提供紧急电力供应，保障充电站的正常运行。

（2）负荷调节

储能系统可以在充电站负荷高峰时吸收多余的电力，在负荷低谷时释放储存的电力，从而平衡充电站的负荷，提高电网的稳定性。

（3）电能质量优化

储能系统可以通过监测电力质量并优化电力调度，提高电力供应的稳定性和电能质量。

（4）节能减排

储能系统可以利用夜间低谷电价进行充电，在白天高峰时段为充电站提供电力，从而降低充电站的电力成本，实现节能减排的目的。

3.2 储能系统对充电站电力供应的稳定性的影响

储能系统对充电站电力供应稳定性的影响是多方面的。首先，储能系统可以通过充电和放电来平衡充电站的电力需求和供应，从而减少充电站对电网的依赖，提高电力供应的稳定性。其次，储能系统可以作为备用电源，在电网故障或电力供应中断时为充电站提供紧急电力供应，保障充电站的正常运行。此外，储能系统还可以通过监测电力质量和优化电力调度来提高电力供应的稳定性［19－20］。

3.3 储能系统对充电站负荷调节的作用

同时储能系统可以通过负荷调节来提高充电站的可靠性。在充电站中，储能系统可以在充电高峰时段吸收多余的电力，并在低谷时段释放储存的电力，从而平衡充电站的负荷。这样可以减少充电站对电网的冲击，提高电网的稳定性。此外，储能系统还可以通过智能控制算法来预测负荷变化，并自动调整储能系统的充放电状态，以更好地适应负荷的变化。这样可以进一步提高充电站的可靠性［21］。

3.4 储能系统对充电站运营成本的影响

储能系统对充电站运营成本的影响主要体现在以下几个方面。首先，储能系统可以利用夜间低谷电价进行充电，在白天高峰时段为充电站提供电力，从而降低充电站的电力成本。其次，储能系统可以减少充电站对电网的负荷，降低电网的运营成本，同时也可以减少充电站的维护成本。此外，储能系统还可以提高充电站的可靠性，减少因故障导致的停机时间和维修成本。综合来看，储能系统可以显著降低充电站的运营成本，提高充电站的经济效益。

3.5 储能系统对充电站可靠性的提升作用

储能系统对充电站可靠性的提升作用主要体现在以下几个方面。首先，储能系统可以作为备用电源，在电网故障或电力中断时为充电站提供紧急电力供应，保障充电站的正常运行。其次，储能系统可以通过智能控制算法来预测负荷变化，并自动调整储能系统的充放电状态，以更好地适应负荷的变化，从而降低充电站的故障率。此外，储能系统还可以通过监测电力质量和优化电力调度来提高电力供应的稳定性，从而降低充电站的故障率。综合来看，储能系统可以显著提高充电站的可靠性，为充电站的可靠运行提供保障［22－25］。

4 案例说明

以某商场充电站为例，该充电站位某于大型商业综合体的停车场内，共有快充桩10 台，均为公共充电桩，其供电电源与商场采用同一专变，充电用户以前往商场购物的客户为主，充电站充电负荷曲线如图1 所示。由图可知，该充电站的负荷在9：00—11：00 存在一个较快的负荷激增阶段，在11：00—15：00 为负荷高峰期，15：00—18：00 存在一个较快的负荷骤降阶段，后在19：00—19：30，及21：15—21：50 存在两个较为明显的负荷高峰期。结合该商场日常营业时长及客流量统计数据，可知本充电站的充电用户主要为商场购物及消费群体，进而使得充电站负荷高峰期与日常商场高峰期重叠，对电力系统供电稳定性产生较大压力。

图1 充电负荷曲线

图2 所示为该商场充电站在未配套储能装置时的充电站供电入口处1 天的电压运行曲线，由曲线可知，充电站入口处电压在负荷高峰期时存在明显的电压下降现象，且电压已下降至电压运行下限，存在较高的稳定运行风险。

图2 未安装储能系统的充电站电压曲线

基于前文分析，在该充电站新装储能系统在负荷低谷时储存电能，在负荷高峰时释放电能，可有效缓解电网压力，同时可有效提升充电桩的运行可靠性。

基于该充电站的历史运行数据，商场在该充电站旁配套了一个0.94 MW的集装箱储能项目；待项目建成投产后，获取该充电站供电入口处1 天的电压运行曲线如图3 所示。由图可知，当在原充电站系统中添加储能系统后，充电站供电入口处电压存在明显的好转现象，不仅缓解了充电负荷高峰与商场负荷高峰重叠带来的供电可靠性隐患，同时有效解决了充电站电压存在越下限危险的问题。实现了降低充电站的电压波动同时，提升充电站的可靠运行的目的。

图3 安装储能系统的充电站电压曲线

5 结束语

综上可知，将储能系统与充电站协同运行后，利用储能系统延时放电的特性，实现了充电负荷与传统负荷的错峰用电，在保证不同负荷正常用电的同时，提升了充电站的运行可靠性，缓解了电网供电压力的同时，仍然满足充电用户对于电能的需求。

本文提出了一种储能系统与充电站协同运行的方案，用于提升充电站的运行可靠性。首先分析了外部环境及充电桩内部自身设备等多种会对充电站运行可靠性产生影响的因素；随后分析了储能系统自身的运行特性，并针对充电站提出适配性较高的储能系统方案；接着分析了储能系统在充电站中起到的有益作用，并具体分析了储能系统对充电站可靠运行的有益影响；最后利用具体案例说明了储能系统在充电站中的积极作用。

然而，储能系统在充电站中的应用也面临一些挑战和限制。如建设成本较高、技术不成熟以及安全风险等问题需要得到更好的解决。因此，进一步研究将重点关注储能系统的便捷高效接入充电站的方式方法。