高速公路服务区光储充电站运行控制分析

中交资产管理有限公司 李 根

因传统燃油汽车在使用过程中限制性因素有所增加，使得新能源汽车在近年来越来越受人们的青睐。相关数据显示，截至2022年国内的新能源汽车位居国际首位，并且占国际比重的60%以上。并且到2023年4月底国内的新能源汽车已经完成了49.44万辆的销售额，同比增长86.28%。

本文以某区域内的光储充电站发电项目为例，其日均发电量约为4000kWh，可满足该服务区内的日均用电需求。其在本地的光伏发电项目中光储充能源项目的容量是1.296MV，光伏区域的占比约为69.32%，而其中充电桩区域的实际占比是3.62%，储能区域的占比是21.04%。其具备实现充电桩+光伏+储能为一体的功能。并且服务区内会将所产生的电量，优先给到充电桩使用，然后给到储能系统进行充电。将剩余的部门服务区使用，若服务区内存在无法消纳的电量，则直接与公共电网对接。

1 高速公路服务区光储充电站运行控制问题

结合对白皮书的研究可知，在使用电动汽车时，日均充电高峰为下午5：00～7:00点，下午的12:00～16:00点以及夜间的23：00至次日1：00点。并且用户的平均充电量为245/6kWh，充电时长约为49.3min。单次的充电金额是25元，每日需充电1.4次。在此背景下，即便充电基础设施目前已经取得进步，但仍存在一些问题，值得相关人员研究及改善，具体如下。

1.1 充电网络覆盖度低

国内目前已经建成了4.9万km 的高速公路快充网络，而在部分区域内的支线地带，仍存在未完全覆盖的情况，因为技术故障以及车位被占据等因素影响，使App 内显示有可充电车位，但达到后却被燃油车或者是其他车辆占位，无法进行充电。因为布局有盲点，所以充电网络覆盖度整体较低。

1.2 充电车位环境较差

在充电车位附近的管理工作仍须加强，在完成充电后，存在随意扔充电枪等问题。也存在车主插队充电等情况，降低新能源汽车使用者的体验感[1]。

1.3 充电电桩缺少维护

充电桩的整体布局方式不合理，因为各个充电设施的运营企业未合理地处理充电App，使人们所使用的导航服务仍有欠缺。使汽车的保有量下降并且充电站内的冷热分布不均匀，区域性充电桩限制，还有部分区域无桩可用，接口不兼容，充电桩损坏等问题，都是充电桩在维护环节可能遇见的问题[2]。

1.4 相关配套设施匮乏

在高速公路内的偏远地带存在充电桩数量不足的情况，相关配套设施的匮乏，无法保证充电站能够完成超前布局，使分散建桩更不易被管理。若存在自行建桩的情况，也会增加安全性方面的影响[3]。

2 高速公路服务区光储充电站运行控制措施

2.1 提高充电网络覆盖度，加强光储充电系统设计

为实现对高速公路服务区内光储充电站的控制，应提高充电网络的覆盖度，适当加强系统设计，运用成对方式，将充电站布置在公路的两端。这样，采用地区电网的供电方式，则可让一段由馈电电缆完成接入操作，使得总降电压的变电室能够顺利提供电能[4]。

首先，以某地的服务区为例，在充电桩项目建设期间，可以实现对空地资源的升级改造，增加储能装置在此期间的应用，让所连接的电缆长度有所延长，如此则可降低电压后续所带来的影响，从前期设计活动开始，就保障了配电系统的安全性（如图1所示）。

图1 光储充电系统设计图

其次，可以运用单位公路的运行方式，让接入点电压具备可调节的功能。使低压电力区域的受力偏差值是-7%～+7%，在简化设计流程的同时，顺利生成光储充电电路。其中，服务区内南侧的负荷电压是U1，北侧的负荷电压是U2；电网接入的电压是Ug。而K、Z则为低压侧的变比和等效阻抗；Z1是馈电线路和总降压变电室的等效阻抗；Z2为等效南北两侧的等效阻抗；IPV表示并网电流。若通过公式来确认在单位功率因数运行过程中的并网电流为：IPV=-mU2。并且，若服务区已经完成光伏发电系统的新增工作，则其中的负载电压可通过公式表示，具体如下：

而其中的发电功率，也可运用公式表示，具体为：

如此，在服务区内电缆参数以及配电变压器等条件为已知后，则可根据上述公式内容，完成南北两侧的电压计算工作。掌握U1，U2如何变化，列出光伏电源的具体接入功率。也可通过趋势曲线来掌握电网接入点内Ug的变化情况。当Ug=1pu时，配电变压器内的T1也会发生变化，使其中的额定电容在400kVA 左右。若光伏电源与功率对接时，其变化幅度就会增加，使得服务区内的南侧电压变化范围缩小，而U2的变化范围则相对明显。若在高速公路服务区内的光伏电源整体接入容量已经增加到了140kW，则南侧的电压则会超出7%的上限。这也说明，此时电压存在越限的可能。

最后，为防止此方面问题的发生，应确认电压的最大超出限值，加强对光伏电源的运行状况的了解，从而确保相关设备能够安全地运行。同时，也应把控光伏电源的整体利用率，防止其发生利用率较低的问题。

2.2 营造良好光储充电环境，强化光伏发电渗透率

为营造出良好的光储充电环境，应对公共充电桩的利用率进行提升。例如，若日均通勤距离为70km，则3～4日完成一次充电即可。此时，应在App 内准确地标注充电桩的位置，缩短新能源汽车的充电时间。并且，可以结合相关标准中的要求，让光伏逆变器能够与控制指令相互对接，让光伏单元可以更改无功出力的形式。

这样，若光伏发电过程中，系统内的功率因素角是φ，则其中的并网电流则为：IPV=-m（1+jtanφ）U2。同时，可以采用简化分析的方式，完成南侧负荷电压的假定，让U1值能够维持在可控范围内，以降低北侧负荷所带来的影响，使得服务区内南侧的电压幅值能够运用公式表达：

如此，则可了解在服务区内光储充电站中的无功功率是否有增大的可能。同时，可采用无功功率的合理调节，让光伏的发电渗透率有所提高。并且，让服务区不会处于轻载的条件，使得服务区内的充电桩不会出现电压超限的情况。另外，也可通过EMS 系统的辅助，让其与集线器、电能质量分析仪、微网控制器相互衔接（如图2所示），提高光伏逆变器无功容量的利用率，以防止系统中的电量发生过度损失的情况。

图2 光伏发电渗透流程图

最后，也应减少馈电电缆所带来的影响，让多根电缆采用并列的运行方法，分担电缆载流量。这样，则可使光充电站在完成降压的同时，使同等容量的光伏电顺利分配。

2.3 加强对充电桩的维护，制定光储充电站运行控制方案

为强化高速公路上光储充电站运行效果，提升充电桩的利用率，应防止光伏发电系统出现问题。首先，应保证光伏系统的正常运行，避免电压发生超限的情况，采取行之有效的操作方式，防止资源浪费并将投资回收期缩短。如此，则可加强对充电桩的维护，让其能够延长使用年限。

其次，应了解光伏负荷用电、光伏发电出力的情况。增加对电价信息等诸多方面的重视。采用合理的控制方式，让储能装置顺利充放电。如此，则可增加在光储充电站运行环节的收益。并且，也可强化储能逆变器、光伏逆变器的具体功能，让服务区内的电压能力有所提升。这样，则可让系统中的电能损耗有所减少。

这样，在上述控制目标达成后，方可形成完整的能量管理系统。以实现对电压水平、电压越限、电压负荷及检测模块、储能充放电模块的控制。使得所得到的数据内容，都可以采用远程发布的方式，上传到能量管理系统当中，以增加在后续管理活动方面的助力。

最后，若光伏的发电量相对较大，则服务区内所产生的电负荷则相对较小。因此，应了解光伏并网电力的具体反馈方式，输电线路上能够顺利地形成电压。则可运用电压控制模块，开展实时的检测工作，使得所设定的阈值与电压值能够相互比较，让其不会超出阈值。则可充分利用光伏逆变器，让其中的无功能力可以确认，以降低服务器内的电压。

2.4 增加相关配套设施，执行仿真测试及验证操作

为保证公共充电网络建设活动的顺利开展，应适当地把控公共充电网络建设的质量与数量，让建设的布局结构更加严谨，防止地域不平衡等问题，对本项目造成影响。

首先，可采用改建、新建以及扩容的方式，实现对充电桩的合理布局，重点加强高速公路服务区内充电桩的密度，以保证后续的充电需求能够得到满足。并且，可以基于高速公路服务区的运营能力以及建设能力，实现对充电场站服务等级的认证，以保证公共充电网络服务的质量有所提升。

其次，须实行仿真测试及验证操作。优先生成数字化的仿真装置，完成降压变、供电电网、馈电线路、用电负荷、光伏发电系统、储能装置等的组装操作，形成光储充电站模型。这样，则可保证储能逆变器、光伏逆变器以及能量管理系统的合理衔接。也可依靠RTDS 仿真平台，实现实物控制器与仿真平台之间的对接。如此，则可采用电压、SOC、电流、PWM 等脉冲信号，实现光伏逆变器与能量管理系统的衔接，使得现场内的控制器能够保持一致。这样，则可防止电压不平衡等问题的发生。

最后，可运用三相电压的不平衡测试方式，实现对所记录波形的测试，保证在能量管理工作当中，各区域内的调节功能可以被强化。若储能装置已经停止工作，则可让光伏发电系统以限功率的形式出现。结合三相电压幅值的差异值进行分析，当其达到10.55%时，则可说明此时为夜间，光伏发电系统未工作。

与此同时，应增加对RTDS 仿真平台的了解，使储能充放电以及电压水平状态都能够被调节。并且经过测试发现，在冬季时，充电站内的电压幅值差异会变大，而在部分时段，电负荷中的电压幅值会降低到12.9%。如若此时，对发电数据进行输入量的仿真验证，则可了解到三相电压的幅值在此状态下是保持一致的，而光伏发电系统中的无功功率正维持在平衡状态，并且可以规避用电设备的不正常用电风险。而储能装置若处于电价谷段，则在凌晨1：00点左右，充电功率是57kW，而在5：00点则可完成充电。当电价处于峰段，也就是8:00～11：00，可以确认光伏发电系统的输出功率，让电价平衡点是11：00点，并且可以运行剩余的光伏，让充电电能完成补充操作[5]。