李松 楊洪 劉嘉琦 張浩

摘 要：提出一種現(xiàn)代化、功能完備的超級太陽能充電站系統(tǒng)方案。設(shè)計(jì)太陽能發(fā)電功率100KW，同時(shí)配備儲能、并網(wǎng)等功能。在太陽能充電站中配備多臺交、直流充電樁，為充電站擴(kuò)容預(yù)留直流充電樁接口。

關(guān)鍵詞：太陽能充電站；電動(dòng)汽車；交流母線；光伏發(fā)電

1.概述

為響應(yīng)國家新能源號召政策，設(shè)計(jì)建設(shè)現(xiàn)代化、功能完備的超級太陽能充電站。該項(xiàng)目太陽能發(fā)電功率100kW，同時(shí)充電站還配備儲能、并網(wǎng)等功能。在太陽能充電站中配備多臺交、直流充電樁，為充電站擴(kuò)容預(yù)留直流充電樁接口。該項(xiàng)目的建成定會帶來良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)基于交流母線的工作形式。光伏發(fā)電組件作為主要的能量來源，可直接提供給負(fù)載使用，或者為蓄電池儲能，同時(shí)還可并網(wǎng)為電網(wǎng)饋電。當(dāng)光伏組件無法正常工作時(shí)，系統(tǒng)能源可由儲能電池或電網(wǎng)提供。還可依據(jù)電網(wǎng)波峰波谷狀態(tài)調(diào)整功率輸入輸出。此系統(tǒng)完全使用智能化管理模式，可以實(shí)現(xiàn)無人值守電站。

超級太陽能充電站由多個(gè)分系統(tǒng)組成，其整個(gè)分布構(gòu)成圖可由下圖1所示：

太陽能充電站系統(tǒng)主要由光伏分系統(tǒng)、儲能分系統(tǒng)、功率變換與配電分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)、充電分系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖2所示：

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行模式

該太陽能充電站系統(tǒng)的運(yùn)行流程分為以下3種模式，分別為：

（1）電動(dòng)汽車充電模式

a.充電站內(nèi)有電動(dòng)汽車充電狀態(tài)下，根據(jù)負(fù)荷功率大小，優(yōu)先利用太陽能光伏發(fā)電，向電動(dòng)汽車提供電能供給；

b.若負(fù)荷功率較大，則協(xié)調(diào)儲能電池分系統(tǒng)，增大電能供給；

c.負(fù)荷功率缺口部分由電網(wǎng)提供。

（2）光伏陣列發(fā)電模式

a.充電站內(nèi)無電動(dòng)汽車充電狀態(tài)下，根據(jù)儲能電池SOC荷電狀態(tài)，優(yōu)先利用太陽能光伏發(fā)電，向儲能電池儲能；

b.若儲能電池處于滿電狀態(tài)，則將光伏發(fā)電能量輸送給電網(wǎng)。

（3）儲能電池饋電模式

a.充電站內(nèi)無電動(dòng)汽車充電狀態(tài)下，根據(jù)工業(yè)用電波峰波谷電時(shí)價(jià)差，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)儲能和向電網(wǎng)饋電的能量交互。

3.分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1光伏發(fā)電分系統(tǒng)

太陽能電池板作為充電站主要能量來源，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)緯度、光照強(qiáng)度等各種因素，設(shè)計(jì)光伏組件串聯(lián)數(shù)量為20塊。由于總功率要求為100KW，則需要20組光伏組串進(jìn)行并聯(lián)，共需組件400塊。

本項(xiàng)目采用固定式安裝。固定式結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，安裝調(diào)試及管理維護(hù)都很方便。同時(shí)為防止局部陰影遮蔽導(dǎo)致太陽電池成為系統(tǒng)負(fù)載出現(xiàn)“熱斑效應(yīng)”，太陽電池并聯(lián)反向旁路二極管。

3.2儲能分系統(tǒng)

太陽能充電站每天主要使用負(fù)載為交流充電樁及一些常規(guī)交流負(fù)載，所以提供電壓為220VAC，每臺交流充電樁額定功率為7KW，每天額定工作8小時(shí)，鄭州最長連續(xù)陰雨天為2天，可估算蓄電池容量B。

其中A為安全系數(shù)，通常取1.1～1.4之間；QL為負(fù)載日平均消耗電量，即工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，T0為蓄電池充電溫度修正系數(shù)，DOD為蓄電池放電深度。

按目前充電站設(shè)計(jì)，平均每天有6個(gè)樁體工作，每天工作8小時(shí)，平均理論需要耗電74度電（42×8×220=74kWh），加上損耗、轉(zhuǎn)換效率等，約需要100度電，所以儲能電池組設(shè)計(jì)方案足以滿足充電站在太陽能電池板無法工作的孤島狀態(tài)下運(yùn)行2天。

3.3功率變換與配電分系統(tǒng)

系統(tǒng)依據(jù)交流母線的工作情況，適時(shí)調(diào)整儲能變流器的工作狀態(tài)，完成光伏組件產(chǎn)生電能的存儲以及和外部電網(wǎng)的互動(dòng)。功率變換設(shè)備在設(shè)計(jì)選擇時(shí)考慮發(fā)電站額定功率為100KW的原則，且每個(gè)功率變換設(shè)備都需要單獨(dú)運(yùn)行，需滿足發(fā)電站額定功率的需要。

3.4充電分系統(tǒng)

目前根據(jù)充電站功率配置情況，考慮在充電站中配備交流充電樁和直流充電樁兩種規(guī)格。方案中均采用落地式柜體設(shè)計(jì)。

方案設(shè)計(jì)在充電站中建設(shè)10臺交流充電樁，設(shè)定平均每天充電樁使用率為60%，且每天工作8小時(shí)，充電機(jī)平均消耗功率為2.5kW，則每天消耗電能為2.5×8×6=120kWh，每臺交流充電樁消耗20 kWh，算上損耗約為130kWh。按照方案前面光伏組件仿真估計(jì)，額定功率100kW系統(tǒng)平均每天可發(fā)電340度，可滿足交流充電樁供電需求。

直流充電樁設(shè)計(jì)功率為70kW，假定每天工作5小時(shí)，每天耗電350度。光伏系統(tǒng)發(fā)電和儲能電池能夠提供電能供直流充電樁樁使用，若負(fù)荷功率較大，還可通過電網(wǎng)補(bǔ)充電能。

3.5監(jiān)控管理分系統(tǒng)

監(jiān)控管理平臺對充電站中每一分系統(tǒng)設(shè)備都能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、智能管理，還能通過后臺終端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，盈利結(jié)算等。該平臺設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留擴(kuò)容接口，可選配數(shù)據(jù)服務(wù)器、多站通信等功能，如圖3所示。

4.設(shè)備布置方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地用地規(guī)劃，對設(shè)備放置和安裝做了如下設(shè)計(jì)。場地主要分為三個(gè)部分，太陽能陣列、功率設(shè)備室和電池存儲室。形式如下圖4所示。

太陽能電池陣列部分包括太陽能電池板，支撐鋼架，交流充電樁和直流充電樁。太陽能電池陣列分5組南北向排列，共400塊太陽能電池板，粗略估算需要長72m，寬11m的用地面積。交流充電樁和直流充電樁分列在太陽能電池板下。

根據(jù)仿真計(jì)算情況，陣列采用光伏車棚的鋪設(shè)方式，既可以利用車棚頂鋪設(shè)光伏組件發(fā)電，下方還可以作為充電站及停車位使用，具體鋪設(shè)形式采用圓弧設(shè)計(jì)，見下圖5：

布置規(guī)劃大致為以上方案，設(shè)備放置和安裝位置可按方案進(jìn)行。在每個(gè)設(shè)備下面需挖線纜溝槽，以備鋪設(shè)線纜。同時(shí)還需鋪設(shè)專業(yè)地線和增加防雷設(shè)備，線纜的設(shè)計(jì)和鋪設(shè)根據(jù)行業(yè)要求，需要有專業(yè)資質(zhì)的專業(yè)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收。

5.結(jié)束語

該項(xiàng)目是將電動(dòng)汽車充電站與太陽能發(fā)電站有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真正意義的綠色交通，具有很高的參考價(jià)值和示范作用。相信隨著新能源產(chǎn)業(yè)與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，太陽能充電站的發(fā)展前景也更加美好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董密.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制策略研究：[D]. 長沙：中南大學(xué)，2007

[2] 周德佳.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]，電氣應(yīng)用. 2007

[3] BennerJP，KazmerskiL.Photovoltaicsgaininggreatervisibility. SPeetrum，IEEE.1999，36（9）：34-42

[4] 余蜜.光伏發(fā)電并網(wǎng)與并聯(lián)關(guān)鍵技術(shù)研究：[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009

[5] 韓玨.太陽能電池陣列模擬器的研究和設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6] 張謙，韓維健，俞集輝.電動(dòng)汽車充電站仿真模型及其對電網(wǎng)諧波影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）： 159-164

[7] 宋煥東.電動(dòng)汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，11（5）： 21-23

[8] 張志偉，顧丹珍.電動(dòng)汽車智能充電策略研究[J].中國電力，2013，46（6）： 91-95