公交光儲充一體化充電站設計

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”是服務于國家長遠發(fā)展和“兩個強國”建設戰(zhàn)略需求，以技術、產業(yè)驅動，具備集約高效、經濟適用、智能綠色、安全可靠特征的一系列現(xiàn)代化基礎設施體系的總稱。

電動汽車充電服務設施是“新基建”中一大領域，加速推進城市公交、市政環(huán)衛(wèi)等公共領域運輸作業(yè)車輛新能源化，加快新能源汽車充電樁在北京建設布局，作為“十四五”產業(yè)動力新引擎、助力數(shù)字經濟發(fā)展、構建智慧和諧社會具有重要意義。

通過汽車充電網的智能高度，完全能夠實現(xiàn)電網的削峰填谷，讓電網更加的柔性化，其中最大的價值在于新能源汽車實現(xiàn)把夜晚低谷的棄風、棄光、棄水的電儲存在汽車里帶到高峰期使用，即解決了上游的新能源供應，又解決了下游的消納。

近年來，黨中央、國務院高度重視新型基礎設施的建設。以“新基建”為牽引，夯實經濟社會高質量發(fā)展的“底座”“基石”，對于發(fā)動“十四五”產業(yè)動力新引擎、助力數(shù)字經濟發(fā)展、構建智慧和諧社會具有重要意義。

2 光儲充一體化公交充電站建設的必要性

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。在項目建設過程中，暴露出3方面痛點問題，急需研究解決。一是公交充電負荷存在短時長、負荷大、頻次多、峰谷顯著等特點，對電網造成大電流沖擊；二是新站選址建設中，局部電網難以支撐30%以上的站點用電需求；三是已建設投運公交充電站中，仍存在約25%的容量缺口，供需滿足率較低，對新能源車的推廣造成一定的掣肘。

2.2 現(xiàn)有充電網絡面臨的挑戰(zhàn)

公交充電站是城市重要的基礎設施，其規(guī)劃建設是否合理直接影響到城市交通體系的運行和電動公交產業(yè)的發(fā)展，大量電動汽車充電基礎網絡建設對既有配電網增加容量的迫切需求，充電負荷的不連續(xù)性，大規(guī)模無序充電對電網的沖擊和影響也是未來需要解決的問題。

3 光儲充一體化公交充電站的總體設計

擬選用朝陽區(qū)東高路和大魯?shù)?48 路兩處公交場站作為綜合能源示范試點場站。此兩處場站為滿足充電運營需求，已建設投運260 kWh/站的儲能設備，緩解了部分供電壓力，但仍存有缺口。目前在此儲能充電站的基礎上建設光伏系統(tǒng)和能量監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)并網自動化運行。并通過能量監(jiān)控管理系統(tǒng)來實現(xiàn)對光伏、儲能和充電設備的智能化管理，采集設備運行數(shù)據(jù)，進行光伏、儲能能量的優(yōu)化調度，實現(xiàn)削峰填谷，經濟用電的目標。系統(tǒng)整體設計方案示意如圖1所示。

3.1 光儲充一體化系統(tǒng)架構

3.1.1 智能配電柜

改造配電或儲能系統(tǒng)的交流母線，具備光伏并網條件。

3.1.2 微網監(jiān)控調度單元

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

3.1.3 電池儲能裝置

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能系統(tǒng)總體參數(shù)確定。由于當前BSC 可采用DC/DC+DC/AC的雙級結構，也可以采用DC/AC的單級結構；動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

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

圖1 光儲充一體化整體設計方案示意圖

3.2 光伏系統(tǒng)技術方案

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設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、并網逆變器、交流配電柜等設備，另外還有供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。其運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換輸出的電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網來調節(jié)。

其工作原理為，在光照條件下，太陽電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉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，將直流電轉換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應有限荷保護和防雷裝置，以保護系統(tǒng)設備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統(tǒng)設備的安全使用。

3.3 現(xiàn)狀儲能系統(tǒng)技術方案

現(xiàn)有儲能設備為100 kW/260 kWh，接入單側低壓母線系統(tǒng)中。其主要應對存在少量的容量不足的充電站建設場景，當電網側配變容量不足，儲能系統(tǒng)進行功率補充，滿足充電樁同時工作。

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

BMS完成電池組的充放電管理功能，動態(tài)監(jiān)測電池組的電壓，電流，溫度，自動計算SOC（荷電狀態(tài)）。

監(jiān)控主機收集電池儲能單元的運行數(shù)據(jù)進行備份，顯示電池儲能單元運行的各種信息和數(shù)據(jù)，供用戶查看和判斷系統(tǒng)運行狀態(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，提供充電過程中的電壓均衡功能，具備系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障報警顯示，同時能采集所有電池組的信息，通過液晶屏進行參數(shù)設置和修改，根據(jù)電池狀態(tài)調整充放電控制。

儲能變流器設備采用模塊化設計，每個模塊為50 kW，二個模塊并聯(lián)組成100 kW儲能變流器。設備拓撲采用三電平設計，相比較于兩電平拓撲，三電平拓撲能夠提高開關頻率、轉換效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低輸出諧波、開關損耗和變流器體積。

對于新建且大量電源容量缺失的公交場站背景下，電源容量的缺口大甚至可以達到總負荷的50%以上時，這種應用場景就對電池和環(huán)境管理方面有較高的要求，儲能設備電池也可采用鈦酸鋰電池，其具有高倍率、長壽命的特點，亦可滿足電動公交充電運營多次充放需求，大量減少車輛充電對電網側的需求。

3.4 能源監(jiān)控管理系統(tǒng)技術方案

整個系統(tǒng)的物理架構分為3 層：應用層、網絡層、感知層。主站系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 能源監(jiān)控主站系統(tǒng)結構圖

應用層主要是提供網絡任意端上應用程序之間的接口，實現(xiàn)對負荷數(shù)據(jù)分析等。

網絡層負責數(shù)據(jù)透明傳輸，可實現(xiàn)設備運行信息、設備運行控制命令的傳輸，一般包括接入層和核心層。

感知層負責識別、采集整個系統(tǒng)所有設備、傳感器的運行等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)、試驗平臺、配網信息、用電信息、無功補償、諧波治理等系統(tǒng)和設備的監(jiān)視和控制。

4 光儲充一體化充電站建設應用分析

4.1 減少局部配電網接入壓力

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

4.2 提升電網整體可靠性

充電站配置光伏、儲能并網運行，可實現(xiàn)離網儲能供電，滿足特殊長時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

通過建設光、儲、充微網能量管理系統(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 推動智能電網的發(fā)展

清潔發(fā)展，優(yōu)先利用新能源，改善能源結構，基于能源網互動優(yōu)勢，靈活適應各類電源發(fā)電上網和用戶多樣化用電需求，實現(xiàn)按需生產和調度。

5 光儲充一體化充電站未來發(fā)展探討

目前的充電站建設大多單獨在空地上建設，可在充電站頂棚建光伏，但這樣的建設并不能完全滿足充電站的需求。目前光儲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)模的光伏建設產生的能量足夠滿足充電站的使用，同時可以利用峰谷電價，減少成本。

隨著光伏業(yè)的發(fā)展，建設成本將會進一步的降低；而儲能電池，可考慮電動汽車退役下來的動力電池梯次利用，節(jié)約成本的同時，更高效的利用能源，也使電動汽車動力電池的回收有了新的解決方向，而隨著充電樁規(guī)模化的生產，有助于進一步降低建設成本。