梁欽賜

（國網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000）

0 引言

為了緩解環(huán)境污染和能源危機等問題，電動汽車和分布式的能源得到了迅速發(fā)展和社會的普遍認可。這些分布式的能源，特別是光伏發(fā)電向配電網(wǎng)內(nèi)并入，具有很強的隨機性，并且會對配電網(wǎng)電能的質(zhì)量、諧波以及潮流等造成一定的影響。此外，電動汽車充電站的建設(shè)對配電網(wǎng)也會產(chǎn)生一定沖擊，為了避免或減輕該類情況對配電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響，需要對光儲充檢放一體化充電站加強研究。

1 光儲充檢放一體化充電站原理

將光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)時，會使配電網(wǎng)潮流分布產(chǎn)生變化，從而對配電網(wǎng)內(nèi)的電壓產(chǎn)生影響。導致光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)諧波污染的主要是逆變器，向配電網(wǎng)內(nèi)注入諧波時，會導致沿線電壓發(fā)生畸變現(xiàn)象。電動汽車充電站對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要原因有以下2個方面。1） 電動汽車的充電時間出現(xiàn)疊加、或在負荷高峰的時段充電都會加劇配電網(wǎng)的負擔。2） 由于充電設(shè)施是非線性負載，在充電時會產(chǎn)生較多諧波，因此該種情況和光伏發(fā)電一樣都會對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響。光儲充檢放一體化充電站，能有效解決此類問題[1]。

在光儲充檢放一體化充電站中，儲能系統(tǒng)能夠按照實際情況對光伏發(fā)電和電動汽車的充電需求進行分析，緩解配電網(wǎng)的壓力。當充電站的負荷處在高峰期時，可以釋放電能對電動汽車進行供電，并且對光伏發(fā)電的富余電量進行存儲，實現(xiàn)輸出電網(wǎng)功率的峰值和提升整體的供電性能。同時，儲能系統(tǒng)還能對光伏發(fā)電、供電的特性進行改善，降低電動汽車在充電中配電網(wǎng)內(nèi)負荷的波動，實現(xiàn)穩(wěn)定電壓、改善相角和有源濾波的效果。除此之外，充電系統(tǒng)主要是為電動汽車提供充電的基礎(chǔ)條件，借助充電接口為電動汽車提供充電服務(wù)，實現(xiàn)對電動汽車進行穩(wěn)定且快捷的充電功能；檢測系統(tǒng)主要是實現(xiàn)快速地檢測新能源汽車的電池，為車主提供電池檢測的報告和風險預警等，確保電池的安全、可靠，延長電池的壽命。

2 光儲充檢放一體化充電站在配電網(wǎng)中的應(yīng)用方案

以某市專區(qū)為例，計劃建立1座能夠集“發(fā)、充、儲、檢、放”交直流混合供電的充電站，并對其光儲充檢放一體化充電站應(yīng)用進行分析[2]。在該項目內(nèi)，光儲充檢放的一體化主要包括整流器設(shè)施、光伏充電系統(tǒng)、供配電的系統(tǒng)、群控充電的系統(tǒng)、電能儲能的系統(tǒng)、單元監(jiān)控系統(tǒng)以及展示系統(tǒng)。其中，實現(xiàn)以直流母線為基礎(chǔ)的多端式互聯(lián)裝置，包括0.4 kV/1000 kVA的交流電源2路進線、100 kW的光伏1路接口、500 kW的儲能1路接口、120 kW的新型充電機10路接口以及60 kW的常規(guī)型充電機10路接口。

3 光儲充檢放一體化充電站在配電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

3.1 供配電的系統(tǒng)

在該項目中，設(shè)置了1臺MNS的低壓交流式配電柜，并且為雙路電源的進線，進行2回路1000 A的斷路器配置，分別和2臺500 kW的整流器連接；預留10回路100 A的斷路器，并且分別和10臺交流式充電樁連接，配置1回路40 A的斷路器，并且提供了20 kVA的站用式電源。另外，還設(shè)置了1臺直流式配電柜，并且配置10 回路250 A的斷路器，與10臺120 kW的充電機分別連接；配置150 A的斷路器，并和100 kW的光伏式變流器連接；配置800 A的斷路器，并和500 kW的儲能式變流器連接[3]。

3.2 整流器

圖1是整流器的原理框圖。對整流器按照模塊化理念設(shè)計，借助隔離式變壓器向交流電網(wǎng)接入，使直流母線和交流電網(wǎng)實現(xiàn)電氣的隔離，在交流側(cè)以5個100 kW的雙向式AC/DC的變流器相應(yīng)模塊實施并聯(lián)。在整流器中，主要包括隔離的變壓器、變流器的模塊、配電的單元和控制單元等。其中集中控制的單元對5個雙向式AC/DC的變流器相應(yīng)模塊載波實現(xiàn)同步。

圖1 整流器的原理框圖

雙向式AC/DC的變流器相關(guān)模塊以通用平臺模塊化理念實施設(shè)計，其主電路選擇“1”式三電平的逆變拓撲類型，交流側(cè)選擇LCL的濾波器，在直流側(cè)進行CL的濾波器設(shè)計來減少電流和電壓的紋波?！?”式三電頻的變流器在充電時，將網(wǎng)側(cè)的交流電整流為直流電，對儲能的電池和電動汽車實施充電；在向電網(wǎng)進行放電時，會將直流電逆變?yōu)榻涣飨螂娋W(wǎng)回饋，在滿載的條件下充電模式與放電模式間轉(zhuǎn)換可以在100 ms內(nèi)完成[4]。

集中式整流器主要由整流器柜和變壓器柜共同構(gòu)成。變流器柜由2個柜體組合而成，單柜的寬深高分別是600 mm、800 mm和2160 mm。將每5只AC/DC的模塊、5個支路的直流端子在1面的柜體安裝，將集中式控制器和配電單元及其他附件在另外柜體內(nèi)安裝。此變壓器柜是單面的柜體，其寬深高分別為1500 mm、1200 mm和2160 mm。

3.3 充電系統(tǒng)

充電系統(tǒng)主要包括DC/DC的充電相應(yīng)模塊、分配功率的控制器、充電的單元、對充電能量的控制器以及保護性電器等部分。

該方案的充電系統(tǒng)通過集中式整流器提供DC800 V的直流電。使用1臺標準式500 kW整流單元的輸出能夠和5個120 kW的電單元相接，每1個充電的單元和1路充電的終端輸入對應(yīng)，并且直流變換的充電模塊按照電壓平臺可以分作200 V～750 V、500 V～1000 V的2種類型，可以對近期和遠期車輛的充電平臺的需求。各個充電單元由4個30 kW的直流轉(zhuǎn)換充電的模塊以并聯(lián)方式組成，從而實現(xiàn)對200 V～750 V的輸出電壓范圍進行調(diào)節(jié)、以及對500 V～750 V范圍內(nèi)恒功率的輸出進行有效控制。該系統(tǒng)主要采取直流母線的拓撲形式方案，分作前后兩級功率轉(zhuǎn)變。在前級部分AC/DC的單元中，選擇集中式的PWM（脈沖寬度的調(diào)制）整流器，把380 V的交流電轉(zhuǎn)變成具有穩(wěn)定性的±0.4 kV直流電，從而向直流母線實施供電；在后級部分DC/DC的單元中，選擇高頻隔離的變換器，把±0.4 kV的直流電轉(zhuǎn)換為電動汽車蓄電池在充電中所需200 V～750 V和500 V～1000 V的交流電，并按照車輛充電的需求和整流負荷的控制的具體要求，將最大安全的負荷作為約束性條件，對多路充電接口內(nèi)輸出的功率實施動態(tài)分配，達到有序充電的目的。這樣不僅能夠確保用戶充電的需求，而且能夠使集群充電的負荷控制處于整流配電的容量安全范圍內(nèi)。借助直流母線向光伏發(fā)電的間歇電源、儲能電池的系統(tǒng)、整流負荷與充電負荷等接入，實現(xiàn)協(xié)同操作的目的。另外，系統(tǒng)按照采集的用戶、車輛以及電網(wǎng)等信息，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)的平臺內(nèi)峰谷用電的調(diào)控指令信息，能夠?qū)Τ潆娯摵梢约俺Ｒ?guī)負荷的用電周期和時段進行平衡調(diào)節(jié)，對用電的高峰期的充電負荷進行限制，防止出現(xiàn)峰上加峰的情況，保證電網(wǎng)的安全性。

充電計費的控制主要包括2類模式。1） 以集中計費的控制方案為基礎(chǔ)，群控充電的單元內(nèi)多個充電終端使用同一計費控制的單元。在充電終端沒有操作的界面，則用戶借助e充電的App，對充電終端所固定的二維碼掃描就能夠完成充電的支付。2） 以獨立計費的控制方案為基礎(chǔ)，對群控充電的單元內(nèi)每個充電的終端都進行1個計費的控制單元設(shè)置，且具有CPU卡的讀卡器、用戶操作的屏幕，其充電不僅滿足充電卡的支付，而且用戶可以使用e充電的App，通過動態(tài)的二維碼完成用戶賬號的支付等功能。該集群控制的充電系統(tǒng)借助計費控制的單元和車聯(lián)網(wǎng)的平臺接入，對充電設(shè)備的狀態(tài)信息、充電監(jiān)控和交易的數(shù)據(jù)實施上傳，并對平臺的交互指令進行接收[5]。

3.4 儲能系統(tǒng)和放電

該儲能系統(tǒng)包括500 kW的PCS（儲能的變流器）1套、電池的管理系統(tǒng)、電池箱和電池架等部分。在該方案中，選用磷酸鐵鋰的電池，單體是3.2 V/50 Ah的規(guī)格，并且每簇電池在簇成組中是6并聯(lián)216串聯(lián)動的方式，額定的電壓是691.2 V，其單簇的電池組的電壓范圍在540 V～777.6 V。在該方案中，儲能系統(tǒng)共有5簇，并且每簇有216串，采取300 Ah單體的電池，一共需要180塊300 Ah容量電池的單元，該電池標稱達到1036. 8 MWh的總?cè)萘?。對儲能的變流器，按照模塊化理念設(shè)計，使用一級變換的拓撲，使用5個100 kW的雙向式DC/DC變流器的模塊，在直流側(cè)分作5支路，并且每個支路和1簇電池連接，電池的電壓為500 V～780 V。

當儲能裝置處在放電的模式時，兩雙向變換電路Buck、Boost均在Boost的工作模式下工作。2個儲能裝置都采取恒壓限流放電的方式。在其放電的過程中，對它們端電壓的大小實時監(jiān)測，避免儲能裝置出現(xiàn)過放。對儲能裝置放電的控制通過雙閉環(huán)的控制策略實現(xiàn)。通過對外環(huán)的電壓環(huán)的控制實現(xiàn)穩(wěn)定母線電壓，通過對電流內(nèi)環(huán)的控制確保系統(tǒng)響應(yīng)的速度且防止出現(xiàn)過放。如果發(fā)生負載的突變現(xiàn)象，由于超級電容的響應(yīng)速度十分快，那么利用它進行較大電流的輸出，蓄電池借助限幅器對較小電流輸出。

3.5 電池檢測系統(tǒng)

在電池檢測的單元中，對12只單體內(nèi)電池的電壓和溫度等相關(guān)信息進行檢測，每簇電池內(nèi)包括18個電池檢測的單元；在每簇電池內(nèi)，1個電池組的管理系統(tǒng)和18個電池檢測的單元進行通信，實現(xiàn)對電池組的實時性監(jiān)控；每5簇電池和一電池系統(tǒng)的管理單元對應(yīng)，并且分別與BCMU（電池組的管理系統(tǒng)）借助RS485實施通信，1個BAMS和5個BCMU進行通信，以1路的CAN設(shè)備和儲能的變流器實現(xiàn)通信，1路的以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)的交換機實現(xiàn)通信。

3.6 光伏系統(tǒng)

在該項目中，100 kW的光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)以及充電系統(tǒng)共同組成光儲充電站，所發(fā)的電能參與到能量的調(diào)度中，從而充分發(fā)揮光伏發(fā)電站的作用。光伏系統(tǒng)包括光伏的組件、電纜、支架和光伏的逆變器等，設(shè)備都在站內(nèi)的屋頂安裝，并從光伏的逆變器以及其交流側(cè)接入配電柜[6]。

該光伏系統(tǒng)的容量是100 kWp，選擇265 Wp的光伏組件且用23塊組件串聯(lián)為1路，一共16路，直接接入到光伏的逆變器其直流的輸入側(cè)區(qū)域，光伏的逆變器選擇2臺50 kW的變流器，其光伏的組件選用265 Wp的多晶硅式光伏的組件，呈現(xiàn)高功率的輸出和優(yōu)異性弱光發(fā)電的性能特點。

3.7 監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有完善的電池管理的功能、豐富的外部通信的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏的系統(tǒng)、儲能的系統(tǒng)以及充電的系統(tǒng)等設(shè)備運行的狀態(tài)實時化監(jiān)控，涉及對儲能的電站中電池的單體部分、電池的模組部分、電池簇和電池堆等信息的實時化采集、監(jiān)視、智能化維護、管理優(yōu)化以及信息查詢等。在界面設(shè)計中，主接線圖主要對儲能公共的快充站內(nèi)主要設(shè)備電氣聯(lián)系和各點實時化信息進行顯示，涉及有功和無功的功率、電壓、電流、頻率和各開關(guān)分合的狀態(tài)等；并在儲電站的綜合監(jiān)視和統(tǒng)計界面中，顯示了儲能系統(tǒng)內(nèi)電氣聯(lián)系和運行的信息、充放電的實時性功率等；儲能系統(tǒng) PCS 的運行監(jiān)控顯示了PCS的運行數(shù)據(jù)信息，包括子單元的有功和無功功率、SOC等信息；在對電池簇、電池堆和運行監(jiān)視的界面中，顯示了各電池簇實際運行的信息，包括電壓、電流和溫度等信息；在對電池單體的運行監(jiān)視中，顯示了各電池的單體運行的信息，包括狀態(tài)、溫度和電壓等；在對通信狀態(tài)的監(jiān)視中，顯示了各設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系和通信狀態(tài)等信息。該項目內(nèi)有100 kW的光伏系統(tǒng)部分，增加了1套對光伏功率的預測性系統(tǒng)。該系統(tǒng)預先在一定的時間段內(nèi)對光伏的發(fā)電站有功功率進行分析與預報，并且借助光伏系統(tǒng)發(fā)電預測的模型，對未來的15 min～4 h時間段內(nèi)發(fā)電的功率、未來72 h時間內(nèi)發(fā)電的功率等進行預測。

3.8 展示系統(tǒng)

為了體現(xiàn)儲能、光伏和充電機等運行的情況以及效果進行體現(xiàn)，將通過大屏幕形式對其進行展示。該系統(tǒng)展示的內(nèi)容包括總體展示的內(nèi)容和針對性顯示的內(nèi)容?？傮w展示的內(nèi)容包括系統(tǒng)安全性運行的小時數(shù)、節(jié)能的CO2、光伏的發(fā)電量、系統(tǒng)的拓撲圖和電動汽車的服務(wù)次數(shù)與售電電量等。針對性顯示的內(nèi)容包括光伏發(fā)電中的曲線、運行的狀態(tài)和總發(fā)電量等；儲能系統(tǒng)中充放電的曲線、運行的狀態(tài)和總充放的電量等；充電樁中充電的電度量具體曲線、收益、服務(wù)的車次和狀態(tài)等。該系統(tǒng)在儲能站配電的綜合樓中的樓會客廳安裝，通過LED的顯示屏進行展示。

4 結(jié)語

綜上所述，光儲充檢放一體化充電站為電動汽車的使用提供了全面、有效的服務(wù)，對其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用進行研究，希望對相關(guān)項目建設(shè)提供幫助。由于該技術(shù)具有巨大的發(fā)展前景，因此需要對該技術(shù)進行不斷研究。