劉 玲

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

電動汽車作為清潔環(huán)保的交通工具，受到國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度重視和政策扶持，具有廣闊的發(fā)展前景。而電動汽車的發(fā)展離不開充電站基礎設施的建設。國家電網(wǎng)公司提出按照“換電為主，插充為輔，集中充電，統(tǒng)一配送”的模式，打造電動汽車能源供給體系。根據(jù)目前的研究成果，如果對電動汽車完全采用接入電網(wǎng)的充電模式，按我國電力系統(tǒng)當前的一次能源結構，電動汽車的碳排放并不比燃油汽車更低，且電動汽車的大量接入會影響電網(wǎng)的調峰壓力，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。根據(jù)當前的發(fā)展情況，要真正意義上改變電網(wǎng)的能源結構是非常困難的，要實現(xiàn)電動汽車的零排放，通過微電網(wǎng)方式實現(xiàn)電動汽車與可再生能源的集成應用是最直接的方式。在特定的應用場景下（如海島供電），如果能將電動汽車的發(fā)展需求與風光互補供電系統(tǒng)結合起來，可以彌補各自的不足。一方面，電動汽車的動力電池可以作為儲能，提高風光互補系統(tǒng)的供電可靠性；另一方面，又能提高電動汽車的清潔能源利用率，有效降低碳排放量。

因此，對充電站微網(wǎng)的拓撲結構和容量優(yōu)化配置進行研究，不僅符合未來充電站建設的發(fā)展趨勢，亦有助于新能源的消納和電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行。

1 國內外研究現(xiàn)狀

受環(huán)境影響，光伏發(fā)電功率和風機發(fā)電功率具有較大的隨機性、波動性和間歇性，電動汽車的充電也具有較大隨機性，為平滑光伏出力的波動性，為減少充電負荷對電網(wǎng)的沖擊，需要配置合理的光伏電板、風機容量、儲能設備和變流器容量。當前，對微電網(wǎng)中的分布式新能源的容量優(yōu)化配置已積累了豐富的理論成果。同時隨著對電動汽車充電站的研究越來越多，考慮光伏和充電結合時光伏陣列與儲能設備之間的容量問題也有不少研究成果。

文獻[1]為提高獨立光伏供電可靠及利用率，根據(jù)光伏與儲能聯(lián)合運行特點，提出以負荷缺電率和能量溢出比為指標的光儲容量優(yōu)化配置方法。文獻[2]基于Copula理論構建混合函數(shù)，對光伏出力與充電負荷相關性描述，以充電站年運行成本最小建立目標函數(shù)。文獻[3]在考慮電動汽車用電需求的前提下，同時發(fā)揮電動汽車換電模式所具備的儲能能力，以系統(tǒng)投資成本、運行成本和電量不足損失成本綜合最低為目標，并考慮風光系統(tǒng)、充放電機和動力電池的約束條件，構造含電動汽車充電站的風光互補系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型。文獻[4]建立基于退役動力電池梯次利用的光伏充電站光儲容量配置模型，以充電站年凈收益最大為目標。文獻[5]考慮光儲聯(lián)合出力與調度計劃適應性，以光儲配置除去常量成本凈收益最優(yōu)為目標建立容量優(yōu)化模型。文獻[6]利用負載缺電率衡量系統(tǒng)可靠性、全壽命周期成本衡量系統(tǒng)經(jīng)濟性，建立以系統(tǒng)容量、儲能電池壽命為約束條件的容量優(yōu)化模型。文獻[7]提出了一種含風光互補系統(tǒng)的直流微網(wǎng)，利用電動汽車動力電池作為輔助儲能，仿真結果表明該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地為負載供電。

目前針對光伏充電站雖然已經(jīng)有較多對光儲容量優(yōu)化的研究分析，有以負荷缺電率和能量溢出比為指標考慮的、有考慮退役電池梯次利用等，均是在優(yōu)先考慮成本和凈收益最優(yōu)為前提情況下，得到最優(yōu)容量配置，未研究各裝置之間的能量耦合與最優(yōu)容量配置的關系。

2 交直流微網(wǎng)拓補結構分析

2.1 仿真模型

通過Powerfactory 軟件搭建交直流混合微網(wǎng)模型，并結合實際工程問題，針對含交直流混合微網(wǎng)拓撲中光伏配置方案，即光伏應配置于混合微網(wǎng)的直流側還是交流側進行仿真研究，用visio軟件畫出的拓撲圖如圖1，在Powerfactory軟件中搭建的仿真拓撲如圖2。

圖1 Visio拓撲圖

圖2 在DIgSILENT/Powerfactory 搭建的仿真拓撲圖

仿真參數(shù)設置如表1 所示。在實際工程中，可根據(jù)負荷的用電需求和電能傳輸距離做進一步調整。

仿真條件設置如下：1）正式的RMS機電暫態(tài)仿真是從10 s開始。2）PV系統(tǒng)的輸入是一個光伏電站的采集數(shù)據(jù)（即10 s～105 s過程。全天每15 min一個采樣點，共96個點，模擬全天的光伏出力），交流測和直流側的光伏屬于給定的統(tǒng)一的光照數(shù)據(jù)，但是呈倍數(shù)關系。3）交流負荷數(shù)據(jù)為某工廠的負荷數(shù)據(jù)（即10 s～105 s過程。全天每15 min一個采樣點，共96個點，模擬全天的負荷波動），直流負荷為給定的一個恒定值。4）交流側儲能在交流側光伏出力>交流側負荷功率時關閉，暫時未考慮充電過程，直流側儲能與交流側相同。

表1 仿真參數(shù)

2.2 仿真結果分析

當5 MW 的光伏位于直流側，主要仿真結果見圖3、圖4。

圖3 交流側與直流側光伏、儲能出力與負荷功率

圖4 交流側與直流側電壓和交流側頻率波動情況

當5 MW 的光伏位于交流側，主要仿真結果見圖5、圖6。

圖5 交流側與直流側光伏、儲能出力與負荷功率

圖6 交流側與直流側電壓和交流側頻率波動情況

由仿真結果可知，在所給仿真參數(shù)下，系統(tǒng)能正常響應光伏出力變化以及負荷變化。直流微網(wǎng)的電壓和交流微網(wǎng)的電壓及頻率均未發(fā)生較大波動，證明了該拓撲架構設計的可行性以及電壓等級選取的合理性。此外，在仿真中發(fā)現(xiàn)，當遠期光伏放在交流側，交流母線在模式切換時刻的頻率波動更小了。如果光伏的工程建設公司技術成熟，遠期光伏放在交流側更恰當。此時無需配備交流和直流母線間大容量的AC-DC 換流器。而且一般光伏廠家在實際操作中都是在交流系統(tǒng)安裝光伏，在相應面板串并聯(lián)方案及換流的配套設備上技術更為成熟。按照電源與負載接入系統(tǒng)的形式以及交流和直流母線的配置方式，交直流混合微網(wǎng)的拓撲結構可分為交流耦合型混合微網(wǎng)、直流耦合型混合微網(wǎng)、交直流耦合型混合微網(wǎng)。該仿真選取的混合微網(wǎng)拓撲是交直流耦合型混合微網(wǎng)，如圖7 所示，外部電網(wǎng)接在交流母線側。該拓撲結構的優(yōu)點是：兩側子微網(wǎng)系統(tǒng)容量均衡，功率流動較少，易于控制。而且由于并網(wǎng)點在交流母線側，可通過靈活控制并網(wǎng)點開關，實現(xiàn)混合微網(wǎng)在并網(wǎng)運行與孤島運行兩種狀態(tài)下切換，適用于交流DG（distributed generation）及交流負荷占比重較大，而直流DG 和直流負荷分布較少的場合，目前應用較為廣泛。

圖7 交直流混合微網(wǎng)基本拓撲

3 交直流混合充電站的容量優(yōu)化配置研究

3.1 仿真模型

文中通過Homer軟件搭建交直流混合充電站的微網(wǎng)模型，見圖8所示。以凈現(xiàn)成本最小為優(yōu)化目標得到充電站的最優(yōu)容量優(yōu)化配置，并揭示了各裝置之間的耦合關系，分析耦合關系對裝置容量的影響，最后通過靈敏度分析法分析購電電價對充電站優(yōu)化規(guī)劃的影響。

該充電站為并網(wǎng)型充電站，主要包括風機、光伏發(fā)電、儲能以及變流器。其中，虛線部分表示容量待優(yōu)化的裝置。

圖8 交直流混合充電站微網(wǎng)模型

3.2 仿真結果分析

文中對交直流混合充電站進行容量優(yōu)化配置時，在滿足負荷需求的同時，以凈現(xiàn)成本最小為優(yōu)化目標進行規(guī)劃。凈現(xiàn)成本包括各裝置的投資成本、置換成本、運維成本、購電成本以及碳排放成本。文中采用分時電價從電網(wǎng)購電，如表2 所示。交直流混合充電站的運行周期為20年。

表2 分時電價

表3 給出了4 種優(yōu)化方案，按照凈現(xiàn)成本從小到大進行排列。從表中可以得到，方案1 的凈現(xiàn)成本最小，充電站的最優(yōu)容量配置應包括光伏、儲能和變流器。對比方案1 和方案2，可以得到方案2 的風機裝機容量很小，這是因為該地區(qū)的風能資源較差且風機投資成本較高，不適宜安裝風機。對比方案1、2、4，可以得到隨著光伏容量的減小，儲能容量一直在增大。這是因為光伏容量減小，儲能需在電價較低時進行充電，以滿足高峰負荷地需求，從而減少購電成本，使得充電站高效經(jīng)濟地運行。同時，從表3 可以得到，方案1 的度電成本最小，隨著電動汽車負荷的增大，方案1的經(jīng)濟優(yōu)勢更加顯著。

4 結語

1）通過仿真結果得到遠期光伏放在交流側，可減小交流母線的在模式切換時刻的頻率波動。結合實際工程問題得到，若光伏的工程建設公司技術成熟，遠期光伏放在交流側更恰當。因此本研究對交直流混合微網(wǎng)的拓撲結構規(guī)劃問題有一定的指導性。

2）本研究結合實際平臺，建立交直流混合充電站的仿真模型，得到了交直流混合充電站的最優(yōu)容量配置方案，并分析了裝置之間的耦合關系和購電電價對容量優(yōu)化配置的影響。由仿真結果分析可得可再生能源與負荷會直接影響到容量優(yōu)化配置結果，因此在充電站的前期規(guī)劃中，應實地考察當?shù)氐目稍偕茉磁c電動汽車充電的需求，在滿足供電可靠的條件下，減小前期的投資成本。對于并網(wǎng)型交直流混合充電站，應在前期規(guī)劃中與電網(wǎng)協(xié)商購電電價，購電電價也會直接影響到容量優(yōu)化配置的結果。