馬小芳

（寧夏龍祥新能源科技有限公司）

1 光儲充檢放一體化電站概述

近幾年，隨著新能源的迅速發(fā)展，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等發(fā)電系統(tǒng)的電力輸出方面存在很大的波動問題，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成一定程度上的影響，從而制約了光伏發(fā)電以及資源浪費。而光儲充檢放一體化電站作為儲能系統(tǒng)的重點研究課題，太陽能具有可持續(xù)發(fā)展、可再生等特點，通過對光儲充一體化電站的技術(shù)和系統(tǒng)建設(shè)，對促進我國新能源領(lǐng)域發(fā)展以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行乃至雙碳環(huán)保等方面都具有重要現(xiàn)實意義。同時，從其工作原理方面來看，光儲充檢放一體化電站主要利用光伏發(fā)電，產(chǎn)生的余電存儲到儲能設(shè)備中，共同承擔(dān)供電、反向充電任務(wù)[1-2]。使得電站建設(shè)過程中存在的有限土地以及配電網(wǎng)問題得到了解決，并借助對電能的存儲以及優(yōu)化配置，實現(xiàn)了對本地能源的生產(chǎn)以及平衡用戶用電產(chǎn)生的負(fù)荷。當(dāng)處于用電低谷狀態(tài)時，電站可給自身或電動汽車充電。在用電高峰，電網(wǎng)供電不足時，光儲充一體化電站可給電網(wǎng)供電，起到削峰填谷的作用。

2 光儲充檢放一體化電站的組成

光儲充檢放一體化電站主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電樁系統(tǒng)、電池檢測系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等五個部分組成，具體如圖1所示，滿足了一體化電站特性以及快速充電、電池檢測服務(wù)以及反向供電等方面的需求。因此，每項功能的互相配合執(zhí)行，能夠確保一體化電站的供電能力、發(fā)電能力以及儲能能力得到充分發(fā)揮。并借助直流微電網(wǎng)技術(shù)和儲能系統(tǒng)，為車輛提供更加高效和穩(wěn)定的充電服務(wù)；儲能系統(tǒng)中存儲的電能資源還能夠為充電樁提供服務(wù)，以此降低能源的消耗和電網(wǎng)的負(fù)荷。由此可見電站的建設(shè)不僅實現(xiàn)了對能源的優(yōu)化配置，還實現(xiàn)了為新能源電動汽車提供穩(wěn)定的供電服務(wù)，為新能源汽車的普及奠定了堅實的基礎(chǔ)。而磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)的運用，更是增強了整個充電樁的安全性和穩(wěn)定性。其超長的使用壽命和卓越的安全性能，使得光儲充檢放一體化充電樁在提供高效能源補給的同時，也保證了使用的安全性。電站中充電樁的設(shè)計，配備了超級快充技術(shù)，通過利用180～480kW超級快充樁，能夠進一步縮短新能源汽車補電的時間，解決了汽車“充電難”的問題，這無疑為新能源汽車的普及和推廣提供了強大的支持。值得一提的是，光儲充檢放一體化充電樁還搭載了電池檢測功能。通過利用云端檢測技術(shù)，實現(xiàn)了對新能源汽車在充電時對車輛電池狀態(tài)的實時監(jiān)測，且監(jiān)測過程當(dāng)中用戶并不需要將車載電池拆卸，就能夠?qū)崿F(xiàn)對電池的檢測，并在充電工作完成之后得到相應(yīng)的檢測報告。而檢測報告的內(nèi)容主要涉及車載電池的風(fēng)險預(yù)警方面、保險定損方面、電池殘值評估方面以及電池回收利用方面等問題。最后，電站還具有反向供電能力，可以對市電網(wǎng)進行供電，以滿足用戶的用電需求[3]。

圖1 光儲充一體化電站系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3 光儲充檢放一體化電站中的關(guān)鍵技術(shù)研究分析

以某市為例，該城市計劃打造一座具有光儲充檢放+反向供電的一體化電站，旨在為用戶提供交直流混合供電服務(wù)。具體一體化電站設(shè)計時的關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

在光儲充一體化電站中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計主要由逆變器技術(shù)和光伏組件技術(shù)等兩種技術(shù)組成。

3.1.1 逆變器技術(shù)

逆變器技術(shù)是光伏電站中不可或缺的一部分，隨著電站類型的多樣化，逆變器產(chǎn)品也在不斷發(fā)展和完善。因此，為了能夠進一步降低光儲充一體化電站的建設(shè)成本，各大功率等級的集中式逆變器以及系統(tǒng)將成為未來電站發(fā)展的需求。而隨著組串式逆變器的功率逐漸提升，為商業(yè)化光伏發(fā)電站的建設(shè)提供設(shè)備上的支持，滿足用戶的需求，逆變器的保護功能也在不斷完善，并進一步提高電網(wǎng)的適應(yīng)性，確保發(fā)電系統(tǒng)的安全。這些技術(shù)的進步不僅提高光伏電站的效率和可靠性，也為光伏行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。逆變器技術(shù)的不斷創(chuàng)新也將推動光伏行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)做出更大的貢獻。

3.1.2 光伏組件技術(shù)

光伏組件也被稱為太陽能電池板。該組件作為光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的核心技術(shù)，是由高達幾十塊太陽能電池片與框架、接線盒共同組成的。但由于單個體的太陽能電池?zé)o法直接作為電源應(yīng)用，因此只有對其進行串、并連接和封裝才能夠組成電源。其工作原理，當(dāng)太陽光的光能照射在光伏發(fā)電電池片的半導(dǎo)體p-n結(jié)構(gòu)上，電池片中的半導(dǎo)體就會形成一個新的空穴電子對，并在其電場作用之下，接通n區(qū)到p區(qū)的電路，并形成電流。簡單來說，就是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并輸送到蓄電池區(qū)域存儲起來。該光伏組件當(dāng)中常用的太陽能電池板中所應(yīng)用的電池片技術(shù)有4種類型：晶體硅光伏組件技術(shù)、單晶硅光伏組件技術(shù)以及一種摻入“硼”的硅片的P型光伏組件；摻入“磷或者砷”元素的N型光伏組件，其組件的轉(zhuǎn)換效率約為21.1%～22.5%，且該兩種組件在2023年已經(jīng)完成量產(chǎn)[4]。

3.2 整流器設(shè)計

整流器是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其設(shè)計需要充分考慮模塊化、高效能和穩(wěn)定性。在本次設(shè)計中，選擇利用隔離式變壓器與交流電網(wǎng)進行接入，用電氣隔離的方式隔離直流母線與交流電網(wǎng)，確保系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。核心的變流器模塊是設(shè)計的重點。為了滿足100kW的功率需求，選用了雙向式AC/DC變流器，通過并聯(lián)的方式將相關(guān)模塊和交流側(cè)進行連接。這種設(shè)計方式不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，還為后續(xù)的維護和升級提供了便利。針對變流器模塊的設(shè)計采用通用性和模塊化設(shè)計理念，對“1”式三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為整流器的主電路，不僅簡化了設(shè)計，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。在濾波器的選擇上，選擇LCL濾波器作為交流側(cè)的濾波元件，同時在直流側(cè)采用CL濾波器設(shè)計。這種組合可以有效降低電流和電壓的紋波，提升電能的純凈度，為后續(xù)的電能利用提供優(yōu)質(zhì)的保障。在整流器的實際運行中，當(dāng)它處于充電模式時，“1”式三電平變流器可以將電網(wǎng)側(cè)的交流電高效地轉(zhuǎn)換為直流電，并直接為儲能系統(tǒng)和汽車提供電能供給。放電模式下，變流器還可以將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并回饋到電網(wǎng)中。滿載情況下，整流器可以在極短的時間內(nèi)完成從放電到充電，或從充電到放電的快速轉(zhuǎn)換[5]。

3.3 儲能系統(tǒng)設(shè)計

儲能技術(shù)是光儲充一體化電站的重要組成部分，其作用是儲存多余的電能，并在需要時釋放出來。從儲能系統(tǒng)方面來看，該模塊的設(shè)計主要由四個部分組成：電池組與BMS（電池管理系統(tǒng)）、PCS（儲能變流器）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、并網(wǎng)電壓需求進行配置對應(yīng)的升壓變壓器，具體系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。其中，儲能變流器（PCS）是實現(xiàn)能量雙向轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備，具有遠(yuǎn)程控制和自控能力。它可以支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，還能夠為光儲充放檢一體化電站提供抗短時沖擊功能、平滑供電功能、儲能功能以及削峰填谷等調(diào)節(jié)保護功能。監(jiān)控調(diào)度管理模塊則是由MGCC和EMS等兩個部分組成，也就是中央控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)，起到對儲能系統(tǒng)的實時監(jiān)控、調(diào)度與管理等作用。

圖2 儲能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計框圖

當(dāng)儲能系統(tǒng)為放電狀態(tài)時，Buck和Boost雙向變換電路均會在Boost工作模式下繼續(xù)運行。這種配置確保了高效的能量傳輸，并增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保護儲能裝置，采用恒壓限流放電方式，通過實時監(jiān)測儲能裝置的端電壓，可以避免出現(xiàn)過放現(xiàn)象，確保其長期穩(wěn)定運行。在放電控制方面，采用雙閉環(huán)控制策略，解決儲能系統(tǒng)發(fā)生過度放電的情況。外環(huán)的電壓環(huán)主要負(fù)責(zé)母線電壓的穩(wěn)定，只有這樣才能夠為用戶提供更加穩(wěn)定和持續(xù)的供電服務(wù)。并以快速響應(yīng)的方式確保電流內(nèi)環(huán)出現(xiàn)過放的現(xiàn)象，從而使得系統(tǒng)的安全性得到提升。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載突變時，超級電容的超快響應(yīng)速度，能夠迅速加大電流的輸出，而蓄電池則通過限幅器進行較小電流的輸出，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。這種協(xié)同工作方式，既保證了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，又增強了其穩(wěn)定性和可靠性。

3.4 充電系統(tǒng)技術(shù)

充電技術(shù)是光儲充一體化電站的重要應(yīng)用之一。其充電方式主要分為兩種：交流充電和直流充電。交流充電適用于家庭和公共場所，充電速度慢，但建設(shè)成本低；而直流充電適用于快速充電站，充電速度快，但建設(shè)成本高。因此，開發(fā)高效、快速、安全的充電技術(shù)是當(dāng)前研究的重點。

3.5 電池檢測系統(tǒng)設(shè)計

電池檢測系統(tǒng)是光儲充檢放一體化充電站的核心部分之一，它的主要任務(wù)是實時監(jiān)測各電池的溫度、電壓等關(guān)鍵信息，確保電池的安全運行和穩(wěn)定供電。在設(shè)計這一系統(tǒng)時，充分考慮光儲充檢放一體化充電站中電池的數(shù)量，以實現(xiàn)精確、高效的監(jiān)測。為了全面覆蓋所有電池，根據(jù)每簇電池的數(shù)量設(shè)置了相應(yīng)的電池檢測單元。通常，在每簇電池內(nèi)，會部署18個電池檢測單元，確保每個電池都能得到實時的監(jiān)測。這種設(shè)置方式不僅提高了監(jiān)測的精度，還極大增強了系統(tǒng)的可靠性，確保電池管理系統(tǒng)與電池檢測單元兩者之間的穩(wěn)定通信。這種通信方式使得管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取電池的運行數(shù)據(jù)，包括溫度、電壓等信息。通過這些數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)可以動態(tài)化地對電池組的運行情況進行全面監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題或故障，采取對應(yīng)解決措施或者進行預(yù)警、修復(fù)。實現(xiàn)對電池全方位的監(jiān)測，確保其安全、穩(wěn)定地運行，為新能源汽車提供持續(xù)、可靠的能源支持。

3.6 直流和交流耦合技術(shù)

在光儲充一體化電站中，耦合技術(shù)是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它決定了光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)之間的連接方式和能量傳遞效率，根據(jù)光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的技術(shù)特點進行選擇和應(yīng)用。目前，直流耦合技術(shù)和交流耦合技術(shù)是電站當(dāng)中的兩種主要適配技術(shù)。首先，從直流耦合技術(shù)方面進行分析，光伏組件中輸出的直流電會直接經(jīng)過匯流箱，在完成匯集之后，通過直流變流器（PDS）直接和儲能變流器（PCS）實現(xiàn)連接。與此同時，PCS也直接連接電池。并且，在儲能交流器的控制下，光伏的直流電能夠直接被用于對蓄電池的充電，或者將其轉(zhuǎn)換成交流電為超級充電樁提供支持。光伏直流電可以直接用于對蓄電池進行充電，避免先轉(zhuǎn)換成交流電再充電的能量損失，因此具有更高的系統(tǒng)效率和能量利用率。其次，從交流耦合技術(shù)方面分析來看，該技術(shù)能夠?qū)⒐夥M件輸出的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，并利用儲能變流器將蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。由此可見，這兩種交流電匯流之后，均可以為充電樁提供供給服務(wù)。但與直流耦合技術(shù)相比，它需要進行交流/直流的轉(zhuǎn)換，因此系統(tǒng)能量損失較大，效率也相對較低。綜合分析來看，直流耦合技術(shù)在光儲充一體化電站中的應(yīng)用更具優(yōu)勢。由于光伏直流電可以直接對蓄電池進行充電，避免了交流/直流轉(zhuǎn)換的能量損失，因此系統(tǒng)效率更高。

3.7 能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)在光儲充一體化電站中起到至關(guān)重要的作用，這一系統(tǒng)不僅確保電站的穩(wěn)定運行，提高運行效率，還為電站的調(diào)度控制中心提供數(shù)據(jù)采集、管理、監(jiān)視、控制和優(yōu)化的全面功能。能量管理系統(tǒng)不僅為每個能源控制器設(shè)定了功率和電壓的設(shè)定點，還提供在系統(tǒng)故障情況下進行孤島運行與重合閘的邏輯與控制方法，進一步增強系統(tǒng)的可靠性和安全性，為一體化電站提供了全面的支持。這樣做的目的是滿足電站內(nèi)部的熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求，同時確保與主網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行協(xié)議。通過這樣的方式，以最小化能源消耗與系統(tǒng)損耗，實現(xiàn)更高效的能源利用。此外，能量管理系統(tǒng)還具備云平臺功能，使得管理人員無論身處何地都能實時監(jiān)控和控制電站系統(tǒng)，從而更好地了解電站的運行狀況。

4 結(jié)束語

綜上所述，光儲充檢放一體化電站作為一種新型的能源系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。然而，要實現(xiàn)光儲充一體化電站的廣泛應(yīng)用，還需要在太陽能發(fā)電、儲能技術(shù)和充電技術(shù)等方面進行更深入的研究和創(chuàng)新。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷拓展，光儲充一體化電站將在能源領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。具體而言，以下方向值得深入研究：一是提高光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性；二是降低儲能設(shè)備的成本和安全隱患；三是開發(fā)高效、快速、安全的充電技術(shù)。通過這些研究，有望推動光儲充一體化電站的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。