單棟梁, 劉向立, 徐利凱, 王聰慧

(許繼電源有限公司,河南 許昌 461000)

0 引 言

隨著電動汽車及分布式光伏發(fā)電近年來的大力發(fā)展,對配電網(wǎng)規(guī)劃、并網(wǎng)運行管理等提出了很大挑戰(zhàn)。截至目前,全國電動汽車保有量達210萬輛,全國分布式光伏裝機容量累計達50.6 GW。為協(xié)調(diào)分布式光伏的出力特性和電動汽車日益增加的充電負荷需求,減小分布式光伏和電動汽車的接入對配電網(wǎng)的影響,改善配電網(wǎng)的整體負荷特性[1],最大化經(jīng)濟效益和社會效益,光伏、儲能、充放電設(shè)施等組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)運而生。光儲充一體化微電網(wǎng)系統(tǒng)解決方案在充電設(shè)施建設(shè)、分布式可再生能源消納、緩解配電網(wǎng)容量壓力、提升電網(wǎng)運行穩(wěn)定性等方面提供了有力保障。

構(gòu)建新型能源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),推動綠色能源發(fā)展?；诠夥?儲能+充電站的新型新能源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式,不僅可以平抑光伏發(fā)電波動,提高光伏發(fā)電的利用率,實現(xiàn)光伏的無縫對接,緩解配電網(wǎng)供電負荷壓力,還可借助“光儲充”的技術(shù)特性參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷等輔助服務(wù),實現(xiàn)電動汽車充換電網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)的有效銜接和協(xié)調(diào)發(fā)展,作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用載體有典型的示范作用。

分布式光伏發(fā)電作為實現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展的技術(shù)產(chǎn)物,有效利用可再生能源為區(qū)域內(nèi)的用戶進行專項供電[2]。同時光伏發(fā)電具有波動性和間歇性,通過儲能技術(shù)對其出力波動進行平抑。

儲能可提升用戶的電能質(zhì)量和可靠性。傳統(tǒng)的供電體系網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,設(shè)備負荷性質(zhì)多變,用戶獲得的電能質(zhì)量(電壓、電流和頻率等)具有一定的波動性。用戶側(cè)安裝的儲能系統(tǒng)服務(wù)對象明確,其相對簡單和可靠的組成結(jié)構(gòu)保證輸出更高質(zhì)量的電能。當電網(wǎng)供電不足或其他特殊情況時,儲能系統(tǒng)還可以作為備用電源,提升供電可靠性。

光儲充多能互補系統(tǒng)不僅可以在充電樁用電高峰期工作時減輕對電網(wǎng)的沖擊,并且提高間歇式清潔能源的消納能力和現(xiàn)有配電網(wǎng)資源的利用率,同時還有良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益,對促進電動汽車與清潔能源的協(xié)調(diào)發(fā)展起到良好的引領(lǐng)示范作用[3]。

1 系統(tǒng)方案對比

光儲充多能互補系統(tǒng)的用電拓撲形式可分為交流母線、直流母線及交直流母線混合形式[4],其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。各拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點對比分析如表1所示。

交流母線形式的架構(gòu)相對簡單,其中應(yīng)用的光伏和儲能變流器設(shè)備技術(shù)較為成熟,造價相對較低,適于工程應(yīng)用。

直流母線形式的架構(gòu)便于各類新能源設(shè)備接入,且整體效率較高,適用于直流負荷為主的系統(tǒng),工程應(yīng)用相對較少[5]。

交直流母線混合形式的架構(gòu)方便交直流設(shè)備的接入,配置較為靈活,系統(tǒng)相對復(fù)雜。

2 詳細方案設(shè)計

現(xiàn)有老舊小區(qū)及高速公路服務(wù)區(qū)的配電系統(tǒng)容量都較低,在這些區(qū)域增設(shè)光伏及儲能系統(tǒng)。系統(tǒng)包含供配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、消防及安防系統(tǒng)等。

(1) 供配電系統(tǒng):配電系統(tǒng)0.4 kV提供交流進線,為本站儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、充電機各子系統(tǒng)提供電源,同時提供多路備用電源向站用電負荷供電。

表1 各拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點對比分析

(2) 光伏系統(tǒng):可布置于房頂或地面空地。為提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率,通常采用對太陽進行自動跟蹤的方法,使電池板正對太陽,提升光伏系統(tǒng)發(fā)電效率。光伏發(fā)出的電能可用于充電樁供電,也可用于站內(nèi)日常用電,同時將多余的電能通過儲能系統(tǒng)儲存,做到零棄光[6-7]。

(3) 儲能系統(tǒng):選用磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng),在峰谷電價機制下,可以移峰填谷、削減峰谷差,降低供電成本,提高電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力;可以兼做不間斷供電電源,提高供電的可靠性;可以延緩電網(wǎng)升級投資,降低線路網(wǎng)損,提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(4) 充電系統(tǒng):產(chǎn)品采用新型SIC功率器件設(shè)計,設(shè)備效率高,功率密度大,高防護等級,液晶操作界面,可實現(xiàn)同時充電。設(shè)備具備寬電壓輸出范圍,既能大功率給大巴車充電,又能給乘用車充電,提高了服務(wù)能力;充電機具備恒功率輸出能力,可以大大提高充電機的充電效率,縮短充電等待時長,提升車主充電體驗。

(5) 監(jiān)控系統(tǒng)(含能量管理):監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測各單元狀態(tài),監(jiān)控光儲充系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備狀態(tài),將信息上傳至展示屏,并根據(jù)峰谷時段及用電情況控制各發(fā)用電單元的能量流動,實現(xiàn)削峰填谷、谷電利用、新能源消納等功能,提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

某服務(wù)區(qū)變壓器配置容量為315 kVA,根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,選擇服務(wù)區(qū)某月的用電負荷曲線,如圖2所示。從圖2可以看出,服務(wù)區(qū)的用電負荷最大值為245 kVA左右,為變壓器容量的78%,如在服務(wù)區(qū)增設(shè)充電機等大功率沖擊性負荷,配電容量無法滿足用電需求,需對變壓器進行擴容。

為解決配電容量問題,經(jīng)考察,服務(wù)區(qū)有閑置的屋頂及地面空地,充分利用該空間建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)進行清潔能源發(fā)電,可作為虛擬電廠,相當于對配電網(wǎng)容量補給;光伏發(fā)電受環(huán)境因素影響較大,輸出很不穩(wěn)定,對電網(wǎng)會有沖擊。儲能系統(tǒng)可以跟蹤可再生能源發(fā)電輸出的曲線,削峰填谷,使其輸出變成一個可控的曲線,方便電網(wǎng)調(diào)度,減少對電網(wǎng)的沖擊,一定程度上緩解配電容量的增容,選用圖1中a拓撲形式。

2.1 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)配置原則:同型號光伏組件;同型號逆變器;根據(jù)可利用面積,光伏并網(wǎng)容量≤70%配電容量;優(yōu)先負荷消納,儲能充電次之,余電上網(wǎng)。

晶體硅光伏電池以絕對優(yōu)勢占據(jù)著光伏電池市場,主要是由于地球上硅原材料儲量豐富,晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,硅半導(dǎo)體器件工藝成熟,受環(huán)境的影響很小,而且有希望提高光電效率降低生產(chǎn)成本。目前晶體硅電池占各種形式的光伏電池總量的93%。單晶硅光伏電池相較于多晶硅光伏電池具有功率密度大、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點,本次使用單晶硅光伏電池。結(jié)合峰谷時段、光伏發(fā)電曲線和負荷模擬曲線,得到服務(wù)區(qū)光伏、負荷及時段曲線如圖3所示。

服務(wù)區(qū)用電負荷主要集中在日間,且負荷變化趨勢與電價峰谷時段基本對應(yīng),在電價高峰時段負荷較大。光伏系統(tǒng)出力隨光照強度而變化,光伏功率上午逐漸上升,中午達到頂峰后,下午漸漸下降。該服務(wù)區(qū)配置分布式光伏系統(tǒng)后,可有效利用光伏發(fā)電為負荷供電,減小服務(wù)區(qū)配電容量壓力,為服務(wù)區(qū)配置充電設(shè)施提供充足容量。另配置儲能系統(tǒng)可平滑光伏發(fā)電的電能輸出,削峰填谷,減少對電網(wǎng)的沖擊。

2.2 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)配置原則:電池容量≤用戶每天高峰時段用電量/充放電次數(shù);變流器功率≤系統(tǒng)電價高峰時段平均功率;變流器功率≤光伏峰值發(fā)電功率-峰值負荷容量;變流器功率≥電池容量/谷電時長。

鋰離子電池目前已廣泛應(yīng)用于新能源汽車和電化學(xué)儲能等領(lǐng)域。鋰離子電池根據(jù)電極材料不同又分為較多種類。常用的鋰離子電池有磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池、鈦酸鋰電池等,其中磷酸鐵鋰電池更適合用于電化學(xué)儲能系統(tǒng)。儲能用鋰離子電池對能量密度要求稍微寬松,但對安全性、循環(huán)壽命和成本要求較高。從以上幾方面來看,磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段各類鋰離子電池中最適合用于電化學(xué)儲能的技術(shù)路線。

儲能變流器功率選擇如圖4所示,由負荷曲線與光伏曲線的峰段差值考慮。儲能變流器選擇150 kW,可滿足負荷峰值情況下的電能供應(yīng)?？紤]設(shè)備的最大利用率及收益,考慮每天2次充放,電池容量選擇2個峰段放電區(qū)間的較小值。在10:00～15:00的第一個電價峰段中,光伏出力小于負荷功率的時段儲能系統(tǒng)可放電量為200 kWh。在18:00～21:00的第二個電價峰段中,負荷消耗電量為430 kWh,且該時段光伏出力很小,由于儲能系統(tǒng)配置容量為300 kWh,儲能系統(tǒng)在此時段可放電量為240 kWh左右。

2.3 充電系統(tǒng)

充電系統(tǒng)前級采用全橋可控PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu),采用SIC器件進行設(shè)計,充電設(shè)備電壓范圍寬(DC 200～750 V)、功率密度高和備恒功率充電功能,提升了充電樁的服務(wù)范圍及利用率。根據(jù)現(xiàn)有乘用車輛電壓平臺普遍在500 V以內(nèi),整車電量在40 kWh左右,充電樁功率采用30 kW充電設(shè)備進行布局。

2.4 能量管理系統(tǒng)

能量管理設(shè)計原則:① 考慮儲能系統(tǒng)的使用壽命問題,盡可能避免儲能系統(tǒng)的深度充放電;② 最大限度地消納光伏發(fā)電;③ 減小對電網(wǎng)的沖擊,光伏單元峰值功率不超過設(shè)定值;④ 購電成本最低,盡量使用低谷電價或平時段電量[8]。

能量管控系統(tǒng)采用信息分層式架構(gòu)予以部署,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。對下,實現(xiàn)集中式的統(tǒng)一管控,在為充電用戶提供良好充電服務(wù)體驗的前提下,可為運維人員提供便捷、高效的運維模式;對上,將各方數(shù)據(jù)整合后,向平臺推送統(tǒng)計、關(guān)鍵的實時信息。能量管控系統(tǒng)可優(yōu)化平臺整體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),是平臺的必要補充。系統(tǒng)可采用4G或有線方式通過能源控制器接入運營服務(wù)云平臺。

控制系統(tǒng)根據(jù)時段確定光伏單元、儲能單元、檢測系統(tǒng)檢測的用電負荷信息,制定充電站的運行策略;光儲(充)的能量管理系統(tǒng)根據(jù)實時電價動態(tài)制定儲能控制計劃,使其電價低谷時充電、電價高峰時放電,利用電價差實現(xiàn)儲能電站收入最大化。根據(jù)負荷功率的變化,動態(tài)調(diào)節(jié)儲能出力,減少從大電網(wǎng)的功率輸入,以賺取利潤。具體應(yīng)用場景如下:

(1)用電低谷時,此時用戶負荷和儲能充電同時由市電提供,功率之和小于配電容量。

(2)用電平時段時,由于儲能系統(tǒng)容量已滿,此時優(yōu)先采用光伏發(fā)電給負荷供電,如果光伏無法滿足需求時,需要市電給負荷補充供電。

(3)用電峰時段時,此時優(yōu)先采用光伏發(fā)電給負荷供電,如果光伏無法滿足負荷需求時,采用儲能同時給負荷供電,當儲能和光伏均不能滿足負荷需求時,采用市電給負荷供電;當光伏功率大于負荷功率時,光伏給儲能充電。

(4)用電平時段時,此時優(yōu)先采用光伏發(fā)電給負荷供電,如果光伏無法滿足負荷需求時,采用市電給負荷供電;光伏功率大于負荷時,光伏給儲能充電。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)該服務(wù)區(qū)可利用的屋頂面積布置光伏270 kW左右,儲能系統(tǒng)配置150 kW/300 kWh,每天儲能系統(tǒng)充放電2個循環(huán),充電系統(tǒng)30 kW,整站設(shè)備投入180萬元左右。

能量管控系統(tǒng)根據(jù)實時電價動態(tài)制定光儲控制計劃,使其電價低谷時充電、電價高峰時放電,利用電價差實現(xiàn)儲能電站收入最大化。結(jié)合本項目配置情況,根據(jù)后期加入充電樁充電功率的變化,動態(tài)調(diào)節(jié)儲能出力,以減少從大電網(wǎng)的功率輸入,以賺取利潤。

光儲系統(tǒng)充放電時段如圖6所示,采取尖峰對平段,峰段對谷段的充放電方式,控制策略根據(jù)具體應(yīng)用場景進行調(diào)整(參數(shù)以實際情況配置)。根據(jù)電價的尖峰、峰、平谷時間段不同,以及依據(jù)負荷曲線及光伏發(fā)電曲線,在夜間電價谷電時段進行儲能充電;日間光伏功率小于負荷功率的電價高峰時段時進行儲能放電。在光伏功率大于負荷功率時,光伏發(fā)電余量給儲能系統(tǒng)充電;在光伏不出力的電價高峰時段進行儲能放電。光儲系統(tǒng)充放電策略如表2所示。

光儲系統(tǒng)采取每天充放電2次的策略。具體策略是儲能系統(tǒng)23∶00～次日7∶00的電價谷段進行1次充電;在10∶00～12∶00的電價峰段進行1次放電;在12∶00～18∶00進行1次充電(此時段優(yōu)先采用光伏減去負荷的余電給儲能系統(tǒng)充電,若光伏功率小于負荷時則在平時段用市電給儲能系統(tǒng)充電,直至充滿);在18∶00～21∶00的電價峰段進行1次放電。

表2 光儲系統(tǒng)充放電策略

考慮光伏發(fā)電全部自發(fā)自用,每天滿發(fā)時間為3.5 h,平均電價為0.9元,光伏系統(tǒng)效率按照0.8計算,每年發(fā)電量為:365×3.5×270×0.8=27.594萬kWh,節(jié)省電費24.8346萬元。25年總收益620.865萬元。

考慮儲能系統(tǒng)放電深度0.85,儲能系統(tǒng)效率87%,儲能電池壽命按照6 000次計算,峰谷價差按照平均0.7元/kWh,儲能系統(tǒng)全生命周期峰谷套利收益為300×0.85×0.87×6000×0.7=93.177萬元。

充電設(shè)備每天充電10次,每次充電20 kWh,每kWh盈利0.8元,每天盈利160元,每年盈利5.84萬元。設(shè)備資產(chǎn)回收周期約為4.5 a。

4 結(jié) 語

本文詳細描述了光儲充系統(tǒng)的配置原則及控制方法,結(jié)合具體的工程案例進行控制策略及經(jīng)濟效益分析,該方案既解決了服務(wù)區(qū)的配電容量不足的問題,又取得了良好的經(jīng)濟效益。光儲的引入提高了用戶側(cè)分布式能源接入能力、應(yīng)對災(zāi)變能力,保證供電可靠性,滿足電能質(zhì)量需求,削峰填谷。

截止2019年6月,純電動汽車保有量已超過210萬輛,充電樁也已達100萬臺。在配電容量較小且擴容困難的區(qū)域,要滿足車輛的正常充電,建設(shè)光儲系統(tǒng)成為一種可行的解決方案。根據(jù)《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》:到2020年我國高速公路里程要達到15萬km,根據(jù)《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定,則需要高速公路服務(wù)區(qū)3 000對,由此可見,隨著高速公路建設(shè)持續(xù)升溫,服務(wù)區(qū)的數(shù)量也必然持續(xù)增長。高速服務(wù)區(qū)建設(shè)充電設(shè)施已成為必要趨勢,配合光儲系統(tǒng)建設(shè)充電設(shè)施將會節(jié)省服務(wù)區(qū)配電容量、實現(xiàn)服務(wù)區(qū)綠色能源供應(yīng),為打造綠色交通提供有利條件。

光儲系統(tǒng)成本在逐年降低,與充電系統(tǒng)結(jié)合,可實現(xiàn)以光養(yǎng)樁,削峰填谷,平抑充電負荷波動,降低電網(wǎng)容量壓力,提高供電可靠性,實現(xiàn)充電設(shè)施全面運行監(jiān)控和智能運營管理。