新能源電動汽車光儲充研究設(shè)計

劉學(xué)鋒　姜艷青　周冬蘭　廖丹　邱長春

摘 要：隨著電動車輛充電需求功率不斷增大，規(guī)模化的電動汽車充電可能會導(dǎo)致配電網(wǎng)運行指標(biāo)越限，同時還可能引起系統(tǒng)峰值負(fù)荷超額等問題，進(jìn)而對系統(tǒng)輸電和發(fā)電能力造成很大壓力。將光伏發(fā)電經(jīng)儲能系統(tǒng)與充電樁相結(jié)合，不僅能緩解電網(wǎng)系統(tǒng)的壓力，而且所建成的光儲充系統(tǒng)在發(fā)電過程中無環(huán)境和噪聲污染，實現(xiàn)了清潔能源的利用，也由此實現(xiàn)了以光養(yǎng)樁，削峰填谷，平抑充電負(fù)荷波動，降低電網(wǎng)容量壓力，提高供電可靠性的情況。在提倡綠色環(huán)保、節(jié)能減排，大力發(fā)展新能源的時代此設(shè)計方案具備良好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：電動汽車 配電網(wǎng) 光儲充系統(tǒng) 以光養(yǎng)樁 前景

Research and Design of New Energy Electric Vehicle Optical Storage and Charging

Liu Xuefeng，Jiang Yanqing，Zhou Donglan，Liao Dan，Qiu Changchun

Abstract：With the increasing power demand for electric vehicle charging， large-scale electric vehicle charging may cause the operation index of the distribution network to exceed the limit. At the same time， it may also cause problems such as excessive peak load of the system， which in turn will affect the power transmission and generation capacity of the system. The combination of photovoltaic power generation via energy storage system and charging pile can alleviate the pressure on the grid system， and the built solar storage and charging system has no environmental and noise pollution during the power generation process， and realizes the use of clean energy. In order to improve the reliability of power supply， it is possible to use light to maintain piles， cut peaks and fill valleys， stabilize charging load fluctuations， reduce pressure on grid capacity， and improve power supply reliability. In the era of promoting green environmental protection， energy saving and emission reduction， and vigorously developing new energy， this design has a good promotion prospect.

Key words：electric vehicles， power distribution network， photovoltaic storage and charging system， photovoltaic piles， prospects

1 研究意義

開發(fā)利用可再生能源是保證我國能源供應(yīng)安全和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，大力使用光伏發(fā)電成為戰(zhàn)略替代能源的電力技術(shù)之一，新能源汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車也已成趨勢。

將光伏發(fā)電與新能源電動汽車充電樁相結(jié)合這個設(shè)計不僅可完美履行國家開發(fā)可再生能源與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略，還有良好的社會經(jīng)濟效益，對促進(jìn)新能源電動汽車與開發(fā)可再生清潔能源的協(xié)調(diào)發(fā)展起到良好的引領(lǐng)示范作用。

將光伏發(fā)電經(jīng)儲能系統(tǒng)與充電樁相結(jié)合這一光儲充研究設(shè)計可以有效緩解配電網(wǎng)容量壓力、用電負(fù)荷低谷時段儲存電能，在用電負(fù)荷高峰時段將存儲的電量釋放提升電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。

2 研究背景

電化學(xué)電池已經(jīng)存在了100多年，太陽能光伏電池已經(jīng)使用了半個世紀(jì)。在太陽能發(fā)展初期，用戶在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方部署光伏電池板來為電池充電，這些電池為衛(wèi)星，氣象站和偏遠(yuǎn)房屋等供電。在本世紀(jì)初，人們開始將光伏系統(tǒng)直接連接到電網(wǎng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，光伏和電池儲能已納入新的建筑法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)較為成熟。

截止2019年年底，純電動汽車保有量已超過310萬輛，充電樁也已超120萬臺，根據(jù)中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟發(fā)布數(shù)據(jù)，2019年我國車樁比已經(jīng)提升至3.50：1，較2015年的7.84：1已經(jīng)有大幅的提升。其中，車與公樁比為8.25：1。車樁比雖然在不斷提升，但仍遠(yuǎn)低于《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》規(guī)劃的1∶1的指標(biāo)，充電樁仍有較大的建設(shè)空間。

2020年3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議，研究當(dāng)前新冠肺炎疫情防控和穩(wěn)定經(jīng)濟社會運行重點工作，要加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，其中，新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括特高壓、新能源汽車充電樁、5G基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和城際高速鐵路和城市軌道交通等七大領(lǐng)域。政策出臺后，新能源充電樁成為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點方向之一。值得注意的是，5G、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等這幾個“新基建”智能化、信息化技術(shù)板塊，也是充電樁、智能電網(wǎng)、智能交通、新能源汽車融合發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

3 項目設(shè)計

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本項目系統(tǒng)主要由光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

3.1.1 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)采用光伏建筑一體化的模式，即光伏陣列與停車場車棚結(jié)合，光伏發(fā)出的電能可用于充電樁供電，也可用于站內(nèi)日常用電，同時將多余的電能通過儲能系統(tǒng)儲存，做到零棄光，當(dāng)然監(jiān)控智能控制系統(tǒng)檢測到新能源電動汽車充電數(shù)量過多、光伏發(fā)電存儲不足時，控制系統(tǒng)將會使用電網(wǎng)電能為充電樁充電。

光伏系統(tǒng)是由光伏組件經(jīng)過串、并聯(lián)而成的光伏陣列，太陽電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)，就是當(dāng)物體受到光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。

3.1.2 儲能系統(tǒng)

利用蓄電池組儲能，它是由一些性能大小相同的蓄電池單體通過串、并聯(lián)的方式組合而成的模組。蓄電池組作為太陽能光伏發(fā)電的儲能裝置，其作用是將太陽能方陣從太陽輻射能轉(zhuǎn)換來的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來，以供應(yīng)用。這里選用鋰電池，因為鋰離子電池具有能量密度高、壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，已廣泛在數(shù)碼便攜產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用，并且正逐步進(jìn)入新能源電動車、儲能電站等應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1.3 充電系統(tǒng)

新能源電動汽車的充電系統(tǒng)可以采用直流充電、交流充電和更換電池三種模式。

直流充電方式是直接利用直流母線的電作為直流充電樁的電源，通過充電連接裝置直接給電動汽車的動力電池充電。該方式充電電流一般為150-250A，充電速度快花費時間短。

交流充電采用三相交流電為電動汽車充電，一般功率在7-35KW之間，從無電狀態(tài)到充滿所需時間一般為8-10h。在低功率的交流充電模式下其優(yōu)勢在于對動動力電池壽命影響和對電網(wǎng)沖擊都較小，但充電時間較長，需長時間占用固定停車位。

更換電池充電模式通過全自動或半自動機械設(shè)備，進(jìn)行快速的電池更換實現(xiàn)電動汽車電能的補給，電池更換時間一般只需2-10分鐘即可完成。同時，換電模式下的電池組可以充當(dāng)儲能電池為整個微電網(wǎng)系統(tǒng)供電，更好的利用能源。

3.1.4 監(jiān)控系統(tǒng)（含能量管理）

光伏電力監(jiān)控組態(tài)軟件搭建的光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息共享、交換、傳輸?shù)裙δ埽瑵M足用戶中心數(shù)據(jù)庫的要求，監(jiān)控到各單元狀態(tài)以及監(jiān)控光儲充系統(tǒng)內(nèi)部運行狀態(tài)，自動根據(jù)峰谷時段及用電情況控制能量流動，實時數(shù)據(jù)的在線檢測。

3.2 電網(wǎng)能量智能控制技術(shù)，見圖1

新能源電動汽車光儲充系統(tǒng)中光伏陣列于最大功率跟蹤（MPPT）點輸出直流電能，經(jīng)過儲能設(shè)備，儲能充電系統(tǒng)處于有功功率-無功功率（PQ）控制工作狀態(tài)，儲能充電樁可供電動汽車充電，多余電能輸入大電網(wǎng)，光伏陣列發(fā)電不足時有大電網(wǎng)補充，其中最為核心的是控制中心—電網(wǎng)能量智能控制技術(shù)。

電網(wǎng)能量智能控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對整個新能源電動汽車光儲充系統(tǒng)的監(jiān)視、控制及優(yōu)化運行。通過對各回路設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對新能源電動汽車光儲充系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測與控制，合理安排新能源電動汽車光儲充系統(tǒng)的啟停、科學(xué)控制儲能充放電。通過遠(yuǎn)程實時監(jiān)控新能源電動汽車光儲充系統(tǒng)中光伏陣列發(fā)電、儲能設(shè)備和負(fù)荷的各項電能參數(shù)，及時調(diào)整優(yōu)化控制，為系統(tǒng)可靠性運行方案設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

本項目主要是利用停車場投資建設(shè)光伏車棚儲能充電樁一體化智能化的電網(wǎng)。新能源電動汽車光儲充系統(tǒng)中光伏發(fā)電經(jīng)儲能系統(tǒng)后供應(yīng)充電樁，不足部分由大電網(wǎng)補充，多余光伏電量存儲到儲能系統(tǒng)或輸送到大電網(wǎng)。

建設(shè)光儲充一體化智能新能源電動汽車光儲充系統(tǒng)，不僅可以推動開發(fā)光伏行業(yè)的發(fā)展，緩解大電網(wǎng)新能源汽車充電樁供電負(fù)荷壓力系，統(tǒng)設(shè)計方案中利用儲能系統(tǒng)提高光伏發(fā)電的質(zhì)量和利用率，還可借助“光儲充”的技術(shù)特性使光伏發(fā)電與大電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷和實現(xiàn)新能源電動汽車充換電時對大電網(wǎng)的沖擊。

江西省高等學(xué)校，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。項目編號：S202012795013。

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