姚天亮 劉喬 黃巨龍

摘 要：隨著人類環(huán)保意識(shí)的提高和電池續(xù)航技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車成為將來遠(yuǎn)距離出行的一種選擇。然而，我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不健全，尤其是高速公路充換電站的嚴(yán)重缺乏，嚴(yán)重阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展。因此，本文提出了一種利用風(fēng)光儲(chǔ)技術(shù)的高速公路電動(dòng)汽車充換電站，可解決電動(dòng)汽車充電設(shè)施不健全的問題，同時(shí)還能促進(jìn)可再生能源就近消納，大幅度降低風(fēng)光發(fā)電的棄光率和棄風(fēng)率。

關(guān)鍵詞：高速公路;風(fēng)光儲(chǔ);充換電站

中圖分類號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0174-02

0 引言

隨著能源短缺和環(huán)境污染的日益加劇，充分利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電、推廣電動(dòng)汽車的使用已成為節(jié)能減排的重要手段。截止到2019年底，我國(guó)新能源發(fā)電累計(jì)裝機(jī)已達(dá)4.15億kW，占全國(guó)電源總裝機(jī)的21%，其中光伏發(fā)電裝機(jī)2.05億kW，占比10.2%，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)2.1億kW，占比10.4%。我國(guó)新能源裝機(jī)量及發(fā)電量始終保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，新能源發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比也在逐年提高。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)新能源發(fā)電量已經(jīng)達(dá)到6295億kW·h，占總發(fā)電量的8.6%。高速發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)已然成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中不容忽視的一部分。然而，伴隨著新能源的高速發(fā)展，新能源限電問題成為新常態(tài)，破解就近消納的難題成為行業(yè)的長(zhǎng)期出路。

隨著電動(dòng)汽車的不斷普及，如何正確引導(dǎo)電動(dòng)汽車進(jìn)行合理充換電得到了越來越多的關(guān)注。加強(qiáng)電動(dòng)洗車充換電行為的管理，不但能提高電網(wǎng)的可靠性，達(dá)到削峰填谷的目的，還能減少各類損耗和對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備的投資[1]。

因此，如何通過創(chuàng)新供用電方式，利用電動(dòng)汽車業(yè)務(wù)促進(jìn)可再生能源就近消納，進(jìn)而大幅度降低棄光率和棄風(fēng)率成為焦點(diǎn)問題。研究一種既能促進(jìn)電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展與全面推廣，又能就近消納可再生能源的充換電站，對(duì)于根治限電頑疾具有重要意義[2]。

針對(duì)引言所述問題，本文提出了一種利用風(fēng)光儲(chǔ)的高速公路電動(dòng)汽車充換電站，通過構(gòu)建風(fēng)光儲(chǔ)充供用電系統(tǒng)提供充換電服務(wù)，并通過系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)充換電站可靠供電，解決可再生能源就近消納的問題。

1 風(fēng)光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充換電站

1.1技術(shù)分析

2019年，我國(guó)新能源汽車的年銷量突破120.6萬輛。但是，隨著電池續(xù)航技術(shù)的不斷進(jìn)步，充電基礎(chǔ)設(shè)施成為電動(dòng)汽車發(fā)展的主要瓶頸，特別是高速公路充換電站的嚴(yán)重缺乏，阻礙了電動(dòng)汽車的廣泛普及。

首先，目前只有大城市公交樞紐和出租車集散地有小規(guī)模電動(dòng)汽車充換電站，高速公路沿線缺乏大型公用電動(dòng)汽車充換電站，導(dǎo)致電動(dòng)汽車不能上高速公路長(zhǎng)距離連續(xù)行駛。本文在參照高速公路上加油站和服務(wù)區(qū)建設(shè)模式，在高速公路沿線每隔一定距離建設(shè)大型電動(dòng)汽車充換電站，提供快速充電和更換電池的服務(wù)，滿足電動(dòng)汽車像加油站加油一樣持續(xù)行駛的需要，解決可再生能源就近消納的問題，還可兼作高速公路服務(wù)區(qū)。

其次，按照慣例，高速公路兩側(cè)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站只有連接電網(wǎng)這一條電力送出消納通道，其升壓變電站只與電網(wǎng)連接。本文增加了風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的電力送出消納通道，其升壓變電站還與電動(dòng)汽車充換電站連接，可再生能源電站作為主供電源，電量余額上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了可再生能源就近消納。

最后，常規(guī)充換電站需要從電網(wǎng)引接電力專線供電，但對(duì)于荒漠區(qū)高速公路電動(dòng)汽車充換電站而言，因外接電源距離遠(yuǎn)，造成投資巨大。本文的充換電站電源直接引自風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站升壓變電站，將升壓變電站連接電網(wǎng)的線路作為備用電源，只有電力不足時(shí)才從電網(wǎng)購(gòu)買電力，既滿足了可靠供電要求，又節(jié)約了成本，有利于大型公用充換電站的商業(yè)化推廣。

另外，在充換電站內(nèi)配置大容量?jī)?chǔ)能裝置，提供一種大規(guī)模風(fēng)-光-儲(chǔ)-充供用電系統(tǒng)，利用風(fēng)-光-儲(chǔ)技術(shù)構(gòu)建，在可再生能源大發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)電力的存儲(chǔ)，停發(fā)時(shí)釋放電力，通過“削峰填谷”為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰輔助服務(wù)，有利于增強(qiáng)區(qū)域電網(wǎng)接納可再生能源的能力，充換電站還能獲得調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)貼。

還有，傳統(tǒng)加油站和服務(wù)區(qū)屋頂未利用，本文的充換電站屋頂全部采用鋼結(jié)構(gòu)，充分利用屋頂布置屋頂式光伏，接入風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)，體現(xiàn)了風(fēng)光儲(chǔ)特色。

1.2工作原理

本文提出的電動(dòng)汽車充換電站方案參照目前高速公路上的傳統(tǒng)加油站和服務(wù)區(qū)布置模式，在高速公路沿線每隔一定合理的距離建設(shè)大型公用電動(dòng)汽車充換電站，具備充電和換電功能，滿足電動(dòng)汽車快速充電和更換電池的需要。具體如下：

如圖1所示，充換電站采用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)為充換電站提供電力，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以作為儲(chǔ)能元件進(jìn)行能量存儲(chǔ)，也可以作為電源為充換電站供電[3]。包括建造在高速公路兩旁的風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站，在高速公路沿線每隔一定合理的距離建造大型公用電動(dòng)汽車充換電站，該充換電站內(nèi)設(shè)置有充電區(qū)、換電區(qū)及充換電站配電室;充電區(qū)內(nèi)布置充電樁，可為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電;換電區(qū)可進(jìn)行電動(dòng)汽車電池更換;充換電站配電室為充電樁和換電區(qū)的蓄電池進(jìn)行供電。風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站分別配有風(fēng)電升壓站和光伏升壓站，充換電站配電室的電源分別通過風(fēng)電電源線、光伏電源線和風(fēng)電升壓站和光伏升壓站進(jìn)行連接。同時(shí)風(fēng)電升壓站和光伏升壓站的風(fēng)電并網(wǎng)線路和光伏并網(wǎng)線路與電網(wǎng)連接。既為充換電站內(nèi)充電樁和換電設(shè)施提供可靠電力，又實(shí)現(xiàn)了可再生能源就地消納。

電動(dòng)汽車充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響。在充電模式下，用戶對(duì)電動(dòng)汽車的使用是個(gè)體行為，因此電動(dòng)汽車的充電行為是很難進(jìn)行總體調(diào)控的，只能通過用戶自發(fā)地改變行為來達(dá)到削峰填谷的目的。一般地，電網(wǎng)公司可以制定不同的電價(jià)政策或出臺(tái)一些獎(jiǎng)勵(lì)措施來激勵(lì)用戶改變充電習(xí)慣，從而達(dá)到優(yōu)化負(fù)荷曲線形態(tài)的目的。而換電方式一般通過換電站進(jìn)行，具有一定的規(guī)模效益，便于統(tǒng)一管理，電網(wǎng)公司可進(jìn)行統(tǒng)籌安排。換電站可以通過調(diào)節(jié)電池的起始充電時(shí)間來達(dá)到優(yōu)化負(fù)荷曲線的目的。

電動(dòng)汽車充換電站運(yùn)行方式可分為并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行兩種模式[4]。

在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行發(fā)電并有陽光照射時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可同時(shí)為充電站及站用負(fù)荷供電，同時(shí)為蓄電池組儲(chǔ)能，將多余電力送入電網(wǎng)。

在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行發(fā)電并有陽光照射時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)其同為充電站及站用負(fù)荷供電，同時(shí)為蓄電池組儲(chǔ)能。

根據(jù)風(fēng)速情況、光照情況、蓄電池組的SOC狀態(tài)，確定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池組和電網(wǎng)為充電設(shè)施及站用負(fù)荷供電的方式靈活，具體模式如表1所示。

在電動(dòng)汽車充換電站配置大容量?jī)?chǔ)能裝置，可再生能源大發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)電力的存儲(chǔ)，停發(fā)時(shí)釋放電力，通過“削峰填谷”解決可再生能源發(fā)電受限問題，還能為充換電站獲得調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)貼。充換電站建有屋頂，屋頂上安裝頂式光伏發(fā)電裝置，該光伏發(fā)電裝置接入充換電站配電室。充換電站內(nèi)設(shè)有服務(wù)區(qū)，該服務(wù)區(qū)內(nèi)有超市和餐廳，為旅客提供便民服務(wù)。

2結(jié)論

隨著人們低碳出行意識(shí)的提高和電池續(xù)航技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)汽車成為將來遠(yuǎn)距離出行的一種選擇。然而，我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不健全，尤其是高速公路充換電站的嚴(yán)重缺乏，阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展。因此，本文提出了一種利用風(fēng)光儲(chǔ)技術(shù)的高速公路電動(dòng)汽車充換電站。通過在荒漠區(qū)高速公路沿線建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站以及電動(dòng)汽車充換電站，充換電站屋頂布置屋頂式光伏，并且配置大容量?jī)?chǔ)能裝置，通過構(gòu)建大規(guī)模風(fēng)-光-儲(chǔ)-充供用電系統(tǒng)結(jié)合系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)充換電站可靠供電和可再生能源就近消納，大幅度降低風(fēng)光發(fā)電的棄光率和棄風(fēng)率。

參考文獻(xiàn)

[1] 許雯榕.考慮電動(dòng)汽車充電特性的負(fù)荷優(yōu)化管理及激勵(lì)措施研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[2] 李瀟瀟，趙子青，李悅悅，等.高速公路光儲(chǔ)式換電站的分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（7）：165.

[3] 姚天亮，劉喬，李志偉，等.一種利用風(fēng)光儲(chǔ)技術(shù)的高速公路電動(dòng)汽車充換電站[P].中國(guó)專利：CN209719292U，2019-12-03.

[4] 武國(guó)良，張明江，于海洋，等.風(fēng)光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站運(yùn)行模式研究[J].供用電，2017（4）：24-28.