光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

崔帥帥，李啟航，馮朝陽(yáng)，范積亮

（西安交通燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染與國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與提升壓力，對(duì)可再生能源的大力扶持已經(jīng)成為非常重要的能源建設(shè)內(nèi)容。同時(shí)，隨著低碳經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步推進(jìn)，我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入到一個(gè)蓬勃發(fā)展與快速推進(jìn)的時(shí)期，電動(dòng)汽車的普及是我國(guó)交通領(lǐng)域重點(diǎn)的車用能源綠色行動(dòng)。光能是一種普及推廣的可再生能源，我國(guó)還需開展光能發(fā)電的研究，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步。光儲(chǔ)充一體化電站的建設(shè)提供了一個(gè)非常良好并且有效的途徑，改善光能發(fā)電的穩(wěn)定性同時(shí)確保了負(fù)載輸出的高效，值得進(jìn)行大力推廣發(fā)展和應(yīng)用。我國(guó)的電網(wǎng)建設(shè)在飛速發(fā)展，為提升其安全性與可靠性，需要加大相應(yīng)的電站建設(shè)。結(jié)合光能發(fā)電技術(shù)，進(jìn)行光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)，對(duì)推進(jìn)整體電網(wǎng)建設(shè)。發(fā)展完善國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作具有重要作用。

面對(duì)零碳目標(biāo)下新能源+儲(chǔ)能快速規(guī)?；l(fā)展的新機(jī)遇，持續(xù)深化技術(shù)創(chuàng)新，以更科學(xué)合理的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)進(jìn)一步挖掘和提升儲(chǔ)能的服務(wù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與電網(wǎng)從被動(dòng)適應(yīng)向主動(dòng)安全、主動(dòng)支撐轉(zhuǎn)變，為構(gòu)建上下游產(chǎn)業(yè)鏈命運(yùn)共同體、促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)保障。

1 光儲(chǔ)充一體式充電站建設(shè)意義

光儲(chǔ)充一體化模式就是將光伏發(fā)電、儲(chǔ)能電池和充電樁組成一個(gè)微電網(wǎng)，利用光伏發(fā)電，將電量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電池中，當(dāng)發(fā)電不穩(wěn)定時(shí)，儲(chǔ)能電池將電量供給充電樁使用。充電樁通過光儲(chǔ)充系統(tǒng)，將清潔電源輸送給新能源汽車進(jìn)行智能化柔性充電[1]。目前，國(guó)家大力推進(jìn)新能源消納，光儲(chǔ)充一體化電站在促進(jìn)新能源供給消納體系構(gòu)建和緩解電網(wǎng)壓力方面有著諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，光儲(chǔ)充電站實(shí)現(xiàn)了使用可再生能源。利用光伏、儲(chǔ)能為充電站和電動(dòng)汽車補(bǔ)充清潔電源，符合國(guó)家雙碳政策的發(fā)展方向，順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)。其次，光儲(chǔ)充電站有效減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。根據(jù)了解，目前市面公共直流快充樁的功率達(dá)60 kW以上，大型城市使用這種快充樁將對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，而光儲(chǔ)充電站中的儲(chǔ)能系統(tǒng)通過削峰填谷平衡大電流對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。最后，光儲(chǔ)充電站為動(dòng)力電池回收提供途徑。我國(guó)正迎來(lái)動(dòng)力電池的退役潮，退役電池可回收作為光儲(chǔ)充電站的儲(chǔ)能電池使用，將動(dòng)力電池價(jià)值最大化同時(shí)減少了環(huán)境污染。

一般情況下，為滿足充電站的用電需要，在進(jìn)行整個(gè)建設(shè)過程中需要建立起一個(gè)完整完善的供電系統(tǒng)，并且對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)還需要與公共電網(wǎng)連接，通過接入電網(wǎng)購(gòu)電[2,3]。因此，引入并設(shè)置光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)十分重要，并且進(jìn)行電站建設(shè)時(shí)還要考慮充電站整體的占地面積情況。通常，需建設(shè)完整的光儲(chǔ)充配電系統(tǒng)，滿足實(shí)際用電需要。當(dāng)整個(gè)光儲(chǔ)充一體化電站系統(tǒng)在進(jìn)行子系統(tǒng)連接時(shí)，會(huì)采用三相交流母線接入的方式將光伏系統(tǒng)設(shè)備線路與存儲(chǔ)系統(tǒng)、設(shè)備線路以及充電設(shè)備線路進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，再進(jìn)行并網(wǎng)設(shè)置，從而解決整體集中大功率充電可能帶來(lái)的問題，確保整個(gè)光儲(chǔ)充電站能夠自己發(fā)電并自己用電，完成電能的消耗，實(shí)現(xiàn)良好的儲(chǔ)電用電保障功能。

2 光儲(chǔ)充一體化電站系統(tǒng)研究

光儲(chǔ)充一體化電站的關(guān)鍵技術(shù)涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，包括光儲(chǔ)充一體化電站的整體系統(tǒng)與子系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)、光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)過程中需要安裝的各類設(shè)備以及光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)完成后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況的全面控制，以保證光儲(chǔ)充一體化電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 光儲(chǔ)充一體化電站設(shè)備

總體來(lái)說，光儲(chǔ)充一體化電站的設(shè)備主要由光伏設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備以及充電設(shè)備3個(gè)部分組成。

光伏設(shè)備是將光能或太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，光伏設(shè)備本身的電力輸出能力與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、周圍環(huán)境溫度有關(guān)[4,5]。光伏發(fā)電設(shè)備如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電設(shè)備

儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)置需要考慮儲(chǔ)能容量的實(shí)際配置情況，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)在進(jìn)行充放電時(shí)，需要考慮充放電的周期和充放電的實(shí)際效率，并對(duì)充放電的上限值和下限值進(jìn)行控制。儲(chǔ)能設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的建設(shè)成本和效益進(jìn)行估算，這一過程通常利用儲(chǔ)能設(shè)備或儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，由此計(jì)算出儲(chǔ)能設(shè)備或儲(chǔ)能系統(tǒng)在運(yùn)行全過程中能夠產(chǎn)生的最終效益。目前來(lái)說，最常見的儲(chǔ)能方式之一就是運(yùn)用電池進(jìn)行儲(chǔ)能。由于電池本身完成充放電的次數(shù)是有限的，應(yīng)對(duì)整體效益進(jìn)行估算。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，電池的充放電循環(huán)次數(shù)與電池本身的工作環(huán)境情況密切相關(guān)，并且受充放電的深度影響。影響儲(chǔ)能系統(tǒng)或設(shè)備成本的原因就是在日常使用過程中的維護(hù)與運(yùn)營(yíng)，維護(hù)運(yùn)營(yíng)工作本身需要成本，而維護(hù)和運(yùn)營(yíng)工作的成果對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的使用壽命也有比較突出的影響。

2.2 光儲(chǔ)充電站建設(shè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光儲(chǔ)充一體化電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。光儲(chǔ)充一體化電站系統(tǒng)本身在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用較多，單獨(dú)設(shè)置的光伏模塊、儲(chǔ)能模塊以及充電模塊彼此連接并接入統(tǒng)一配電線路，形成一個(gè)完整的微電網(wǎng)。對(duì)于光儲(chǔ)充一體化電站而言，這樣的微電網(wǎng)需要具備接入整個(gè)城市供電系統(tǒng)以及供電線路的基礎(chǔ)功能[6,7]。

圖2 光儲(chǔ)充一體化電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行電站建設(shè)的時(shí)候，最基礎(chǔ)的就是需要包括光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及充電系統(tǒng)3個(gè)方面。在此基礎(chǔ)上，還要配有相對(duì)應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)整個(gè)電站的充放電情況，對(duì)電站的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，良好地完成對(duì)電站的功率分配工作，確保能夠滿足不同用電設(shè)備和用電區(qū)域的具體需求。

此外，可以結(jié)合現(xiàn)有的自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)建立一個(gè)完整的云端綜合控制管理平臺(tái)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性處理、預(yù)測(cè)與分析，更好地完成整個(gè)系統(tǒng)中電力的優(yōu)化配置與調(diào)度工作，準(zhǔn)確下達(dá)對(duì)總系統(tǒng)的控制命令，從而使整個(gè)光儲(chǔ)充一體化電站的功能得到完善與提升。

2.3 光儲(chǔ)充一體化電站的控制方式

目前比較常見的控制模式主要包括2種，一是并網(wǎng)控制，二是離網(wǎng)控制。如果處在并網(wǎng)控制的狀況下，那么結(jié)合上述所提到的云端綜合控制管理平臺(tái)了解次日天氣數(shù)據(jù)與信息及歷史的光伏發(fā)電功率、數(shù)據(jù)情況，結(jié)合次日的光伏功率情況對(duì)整體發(fā)電狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，由此下發(fā)具體的電力調(diào)度曲線情況給各自監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)光儲(chǔ)充一體化電站電的發(fā)電功率進(jìn)行限制補(bǔ)充以及調(diào)整，從而使得整個(gè)光儲(chǔ)充一體化電站的發(fā)電穩(wěn)定，并且不會(huì)對(duì)電網(wǎng)整體的電能穩(wěn)定性和發(fā)電質(zhì)量造成干擾[8,9]。

而接入的電網(wǎng)本身，由于自然條件和氣候因素變化，加之用電高峰期等問題存在不能夠良好地對(duì)整個(gè)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行用電的情況，此時(shí)可以考慮切換到一個(gè)離網(wǎng)運(yùn)行模式。采用該模式后，即使外接電網(wǎng)出現(xiàn)了故障，也可以確保整個(gè)工廠仍然在有序穩(wěn)定的進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)工作，通過對(duì)儲(chǔ)電、儲(chǔ)能、光伏發(fā)電等設(shè)備實(shí)際運(yùn)行功率的調(diào)整和聯(lián)合，確保最終的發(fā)電更加穩(wěn)定。

2.4 持續(xù)優(yōu)化設(shè)備整體配置情況

通過對(duì)光儲(chǔ)充一體化電氣設(shè)備的整體系統(tǒng)模型構(gòu)建，優(yōu)化整體用電設(shè)施設(shè)備的資源配置，從而確保整體電站可以獲得最大的凈收益[10,11]。因此，要對(duì)設(shè)備的整體配置不斷優(yōu)化，對(duì)各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行革新和改進(jìn)，以確保最終電站建設(shè)完成后效益的最大化。

3 光儲(chǔ)充一體式充電站運(yùn)行技術(shù)研究

光伏電站本身會(huì)對(duì)整體電網(wǎng)產(chǎn)生比較明顯的沖擊與影響，這就造成了光伏電站現(xiàn)在的應(yīng)用情況處在一種自給率低且對(duì)光伏電站并網(wǎng)工作存在限制的情況。而單獨(dú)的充電設(shè)施與裝置比較明顯的特點(diǎn)就是容易在用電高峰時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成波動(dòng)，這種集中性的充電工作增加了整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)擔(dān)[12]?？傮w而言，城市整體的電路系統(tǒng)建設(shè)中缺少對(duì)大規(guī)模充電設(shè)施的考慮。如果將充電設(shè)備直接進(jìn)行配網(wǎng)，那么需要對(duì)相應(yīng)的變電氣和線路進(jìn)行改造，增加整體建設(shè)成本。如果建設(shè)了光儲(chǔ)充一體化電站，可以在用電量較大的時(shí)候通過光儲(chǔ)充電站對(duì)設(shè)備用電情況進(jìn)行補(bǔ)充，減少接入電網(wǎng)時(shí)可能造成的系統(tǒng)干擾問題，提升企業(yè)整體的經(jīng)濟(jì)效益，有助于促進(jìn)企業(yè)的綠色發(fā)展，具有非常突出的社會(huì)效益。

為了滿足電動(dòng)汽車充電的穩(wěn)定性和電站運(yùn)營(yíng)成本最低化，運(yùn)行控制策略原則如下：一是保證電能輸出的穩(wěn)定性；二是最大程度消納光電能；三是最大限度實(shí)現(xiàn)削峰填谷作用；四是降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

根據(jù)西安市階梯電價(jià)運(yùn)行原則（見表1），結(jié)合運(yùn)行控制策略原則，設(shè)計(jì)優(yōu)化策略。

表1 階梯電價(jià)表

根據(jù)峰平谷電價(jià)的時(shí)間段分布進(jìn)行控制階段的設(shè)定，為3級(jí)調(diào)控方式，具體如下。

（1）在用電谷值期間，其電價(jià)成本最低，可由市電進(jìn)行充電供能并給儲(chǔ)能模塊進(jìn)行充電作業(yè)，保證在平或峰值期間儲(chǔ)能模塊的電量供給。在谷值期間，市電總負(fù)荷量也處于低位，在此期間進(jìn)行供電和儲(chǔ)能充電作業(yè)可提高夜間用電量，達(dá)到“填谷”的作用。

（2）在平值期間，電價(jià)為中等檔次。此時(shí)控制策略采取光伏供電預(yù)先形式：如果光伏電量能夠滿足電動(dòng)汽車需求，則單獨(dú)供電；如果光伏電量無(wú)法滿足電動(dòng)汽車需求時(shí)，則利用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行供電（儲(chǔ)能設(shè)備電能余量需滿足在高峰期與光伏整體的穩(wěn)定輸出），仍然不足時(shí)需采取市電供電措施。

（3）在峰值期間，電價(jià)為最高檔。此時(shí)應(yīng)盡量避免采取市電供電：首先，用光伏進(jìn)行供電，利用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定輸出配合；其次，如果光能源電量將出現(xiàn)缺口時(shí)，則應(yīng)采用儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充，穩(wěn)定輸出；最后，在二者均無(wú)法滿足供電需求時(shí)，補(bǔ)充市電進(jìn)行充電作業(yè)。光儲(chǔ)充一體式充電站運(yùn)行控制如圖3所示。

圖3 光儲(chǔ)充一體式充電站運(yùn)行控制圖

4 結(jié) 論

本文將光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)與電動(dòng)汽車充電站結(jié)合，并對(duì)光儲(chǔ)充一體式充電站設(shè)備、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行策略進(jìn)行了分析，確立了以運(yùn)行成本為控制主目標(biāo)、以儲(chǔ)能底循環(huán)電量為輔助目標(biāo)的運(yùn)行控制策略。本文在運(yùn)行控制策略模型中對(duì)智能算法進(jìn)行了初步探索，下一步研究中將引進(jìn)智能算法體系，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)最優(yōu)配置，并結(jié)合實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行效果驗(yàn)證，保證控制策略的可行性。