曹軼婷，歐方浩，王建興

（華商三優(yōu)新能源科技有限公司，北京 通州100100）

1 研究背景

“新基建”是服務(wù)于國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和“兩個(gè)強(qiáng)國(guó)”建設(shè)戰(zhàn)略需求，以技術(shù)、產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)，具備集約高效、經(jīng)濟(jì)適用、智能綠色、安全可靠特征的一系列現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系的總稱。

電動(dòng)汽車充電服務(wù)設(shè)施是“新基建”中一大領(lǐng)域，加速推進(jìn)城市公交、市政環(huán)衛(wèi)等公共領(lǐng)域運(yùn)輸作業(yè)車輛新能源化，加快新能源汽車充電樁在北京建設(shè)布局，作為“十四五”產(chǎn)業(yè)動(dòng)力新引擎、助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展、構(gòu)建智慧和諧社會(huì)具有重要意義。

通過汽車充電網(wǎng)的智能高度，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，讓電網(wǎng)更加的柔性化，其中最大的價(jià)值在于新能源汽車實(shí)現(xiàn)把夜晚低谷的棄風(fēng)、棄光、棄水的電儲(chǔ)存在汽車?yán)飵У礁叻迤谑褂?，即解決了上游的新能源供應(yīng)，又解決了下游的消納。

近年來，黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。以“新基建”為牽引，夯實(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的“底座”“基石”，對(duì)于發(fā)動(dòng)“十四五”產(chǎn)業(yè)動(dòng)力新引擎、助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展、構(gòu)建智慧和諧社會(huì)具有重要意義。

2 光儲(chǔ)充一體化公交充電站建設(shè)的必要性

2.1 現(xiàn)有充電站面臨的問題

自2015年至2019年，北京地區(qū)共建成公交充電站130余座，總需求容量超過500 MVA，年度總用電量已超3.2億kWh。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，暴露出3方面痛點(diǎn)問題，急需研究解決。一是公交充電負(fù)荷存在短時(shí)長(zhǎng)、負(fù)荷大、頻次多、峰谷顯著等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)造成大電流沖擊；二是新站選址建設(shè)中，局部電網(wǎng)難以支撐30%以上的站點(diǎn)用電需求；三是已建設(shè)投運(yùn)公交充電站中，仍存在約25%的容量缺口，供需滿足率較低，對(duì)新能源車的推廣造成一定的掣肘。

2.2 現(xiàn)有充電網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

公交充電站是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其規(guī)劃建設(shè)是否合理直接影響到城市交通體系的運(yùn)行和電動(dòng)公交產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大量電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)既有配電網(wǎng)增加容量的迫切需求，充電負(fù)荷的不連續(xù)性，大規(guī)模無序充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊和影響也是未來需要解決的問題。

3 光儲(chǔ)充一體化公交充電站的總體設(shè)計(jì)

擬選用朝陽區(qū)東高路和大魯?shù)?48 路兩處公交場(chǎng)站作為綜合能源示范試點(diǎn)場(chǎng)站。此兩處場(chǎng)站為滿足充電運(yùn)營(yíng)需求，已建設(shè)投運(yùn)260 kWh/站的儲(chǔ)能設(shè)備，緩解了部分供電壓力，但仍存有缺口。目前在此儲(chǔ)能充電站的基礎(chǔ)上建設(shè)光伏系統(tǒng)和能量監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)自動(dòng)化運(yùn)行。并通過能量監(jiān)控管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏、儲(chǔ)能和充電設(shè)備的智能化管理，采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行光伏、儲(chǔ)能能量的優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，經(jīng)濟(jì)用電的目標(biāo)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案示意如圖1所示。

3.1 光儲(chǔ)充一體化系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.1 智能配電柜

改造配電或儲(chǔ)能系統(tǒng)的交流母線，具備光伏并網(wǎng)條件。

3.1.2 微網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度單元

安裝在智能配電柜中，通過以太網(wǎng)或CAN通信接口查詢各部分的狀態(tài)信息，控制光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)各部分的運(yùn)行；通過局域網(wǎng)與監(jiān)控調(diào)度中心進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，接受中心的調(diào)度和管理。

3.1.3 電池儲(chǔ)能裝置

包括電池及其管理系統(tǒng)（BMS）、DC/DC 模塊組和DC/AC變流器，電池及變流器容量由所在的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)總體參數(shù)確定。由于當(dāng)前BSC 可采用DC/DC+DC/AC的雙級(jí)結(jié)構(gòu)，也可以采用DC/AC的單級(jí)結(jié)構(gòu)；動(dòng)力電池可以采用先串后并的形式也可以采用先并后串的形式。

3.1.4 充電樁

在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中以特殊負(fù)荷的形式出現(xiàn)，在給電動(dòng)汽車充電時(shí)，表現(xiàn)為負(fù)荷的特性；當(dāng)需要利用電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能容量參與運(yùn)行時(shí)，也可以表現(xiàn)為電源的特性。充電樁通過CAN 或以太網(wǎng)與MDU 通信，同時(shí)還可以通過多種通信介質(zhì)與電動(dòng)汽車交換信息。

圖1 光儲(chǔ)充一體化整體設(shè)計(jì)方案示意圖

3.2 光伏系統(tǒng)技術(shù)方案

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，另外還有供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置。其運(yùn)行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。

其工作原理為，在光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進(jìn)行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過負(fù)載運(yùn)行及免遭雷擊，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全使用。

3.3 現(xiàn)狀儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)方案

現(xiàn)有儲(chǔ)能設(shè)備為100 kW/260 kWh，接入單側(cè)低壓母線系統(tǒng)中。其主要應(yīng)對(duì)存在少量的容量不足的充電站建設(shè)場(chǎng)景，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)配變?nèi)萘坎蛔?，?chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)充，滿足充電樁同時(shí)工作。

儲(chǔ)能系統(tǒng)包括智能配電、儲(chǔ)能蓄電池組、BMS系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器和儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)。變流器選型根據(jù)儲(chǔ)能最大輸出功率進(jìn)行選擇。

BMS完成電池組的充放電管理功能，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電池組的電壓，電流，溫度，自動(dòng)計(jì)算SOC（荷電狀態(tài)）。

監(jiān)控主機(jī)收集電池儲(chǔ)能單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，顯示電池儲(chǔ)能單元運(yùn)行的各種信息和數(shù)據(jù)，供用戶查看和判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

電池采用磷酸鐵鋰電池，電池管理系統(tǒng)提供過充、過放、過流、過溫、短路保護(hù)，提供充電過程中的電壓均衡功能，具備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障報(bào)警顯示，同時(shí)能采集所有電池組的信息，通過液晶屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改，根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)整充放電控制。

儲(chǔ)能變流器設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊為50 kW，二個(gè)模塊并聯(lián)組成100 kW儲(chǔ)能變流器。設(shè)備拓?fù)洳捎萌娖皆O(shè)計(jì)，相比較于兩電平拓?fù)?，三電平拓?fù)淠軌蛱岣唛_關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低輸出諧波、開關(guān)損耗和變流器體積。

對(duì)于新建且大量電源容量缺失的公交場(chǎng)站背景下，電源容量的缺口大甚至可以達(dá)到總負(fù)荷的50%以上時(shí)，這種應(yīng)用場(chǎng)景就對(duì)電池和環(huán)境管理方面有較高的要求，儲(chǔ)能設(shè)備電池也可采用鈦酸鋰電池，其具有高倍率、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，亦可滿足電動(dòng)公交充電運(yùn)營(yíng)多次充放需求，大量減少車輛充電對(duì)電網(wǎng)側(cè)的需求。

3.4 能源監(jiān)控管理系統(tǒng)技術(shù)方案

整個(gè)系統(tǒng)的物理架構(gòu)分為3 層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 能源監(jiān)控主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用層主要是提供網(wǎng)絡(luò)任意端上應(yīng)用程序之間的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷數(shù)據(jù)分析等。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)透明傳輸，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行信息、設(shè)備運(yùn)行控制命令的傳輸，一般包括接入層和核心層。

感知層負(fù)責(zé)識(shí)別、采集整個(gè)系統(tǒng)所有設(shè)備、傳感器的運(yùn)行等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)、試驗(yàn)平臺(tái)、配網(wǎng)信息、用電信息、無功補(bǔ)償、諧波治理等系統(tǒng)和設(shè)備的監(jiān)視和控制。

4 光儲(chǔ)充一體化充電站建設(shè)應(yīng)用分析

4.1 減少局部配電網(wǎng)接入壓力

充電站通過合理設(shè)置光儲(chǔ)系統(tǒng)，充分滿足充電需求，降低局部配電網(wǎng)接入壓力，一方面能夠滿足電動(dòng)汽車充電的總需求，另一方面能夠適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展能力，保證后期充電設(shè)施發(fā)展。

4.2 提升電網(wǎng)整體可靠性

充電站配置光伏、儲(chǔ)能并網(wǎng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)儲(chǔ)能供電，滿足特殊長(zhǎng)時(shí)間的電力故障搶修要求，大大提高充電站系統(tǒng)整體供電可靠性水平。

4.3 節(jié)能高效、清潔環(huán)保

通過建設(shè)光、儲(chǔ)、充微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，公交充電站能最大化使用清潔能源，踐行綠色出行、低碳用能新發(fā)展理念。

4.4 推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展

清潔發(fā)展，優(yōu)先利用新能源，改善能源結(jié)構(gòu)，基于能源網(wǎng)互動(dòng)優(yōu)勢(shì)，靈活適應(yīng)各類電源發(fā)電上網(wǎng)和用戶多樣化用電需求，實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)和調(diào)度。

5 光儲(chǔ)充一體化充電站未來發(fā)展探討

目前的充電站建設(shè)大多單獨(dú)在空地上建設(shè)，可在充電站頂棚建光伏，但這樣的建設(shè)并不能完全滿足充電站的需求。目前光儲(chǔ)充一體化更適用于商業(yè)園、工業(yè)園、商用住宅等范圍，在屋頂上建光伏，這樣規(guī)模的光伏建設(shè)產(chǎn)生的能量足夠滿足充電站的使用，同時(shí)可以利用峰谷電價(jià)，減少成本。

隨著光伏業(yè)的發(fā)展，建設(shè)成本將會(huì)進(jìn)一步的降低；而儲(chǔ)能電池，可考慮電動(dòng)汽車退役下來的動(dòng)力電池梯次利用，節(jié)約成本的同時(shí)，更高效的利用能源，也使電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的回收有了新的解決方向，而隨著充電樁規(guī)?；纳a(chǎn)，有助于進(jìn)一步降低建設(shè)成本。