基于“雙碳”目標(biāo)的光儲充一體化充電站芻議綜合能源服務(wù)建設(shè)模式分析

劉 瀏， 喻小寶， 盧 娜

（1.上海電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院， 上海 200090； 2.國網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司， 上海 201600）

0 引言

通過儲能削峰填谷，可有效減少充電站的負荷，為建設(shè)企業(yè)提供充足的經(jīng)濟效益，還可挖掘當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保資源。通過能源接入以及技術(shù)更新，為后續(xù)能源供電技術(shù)提供支持，解決建設(shè)區(qū)域、周圍區(qū)域的用電出行需求。

1 光儲充一體化充電站建設(shè)項目概述

光儲充一體化充電站建設(shè)項目，可以通過綜合措施，將光伏、儲能、充電進行有機結(jié)合，分“晝”“夜”兩種運行模式。在白晝可通過分布式光伏發(fā)電，為電動汽車提供充足電能，滿足分布式光伏發(fā)電消納率。還可利用電池儲能技術(shù)，在用戶低谷時間段進行充電，在用電高峰時間段放電，減少彼此之間的負荷差異，滿足供電需求。對光伏發(fā)電儲能優(yōu)化能源進行配置，綜合充電站提供行之有效的充電服務(wù)，能夠節(jié)約用戶充電成本，滿足用戶綠色能源以及出行需求。此外，結(jié)合車輛停放，開展光儲充一體化充電站綜合服務(wù)。

2 光儲充一體化充電站建設(shè)的要求

2.1 基本原則

在運行的基本原則中，對光儲充一體化充電站進行分析，其原則包含了分散布置、集中控制。安全可靠，充放電速率快。儲能電站接入源網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)用充分的光伏充電指標(biāo)，通過充電樁為電動汽車實現(xiàn)充電、余電上網(wǎng)。在電價低谷時刻，還能夠?qū)崿F(xiàn)儲能系統(tǒng)放電。結(jié)合能量管理、系統(tǒng)調(diào)節(jié)、微電網(wǎng)內(nèi)部電力消納，自覺實現(xiàn)離網(wǎng)切換。在市電停電時，儲能系統(tǒng)就可以實現(xiàn)脫網(wǎng)。為充電樁提供應(yīng)急電源，盡可能將電網(wǎng)停電所造成的不良影響降至最低。在應(yīng)用原則中，要體現(xiàn)其長久、便捷化。如主要應(yīng)用于給電動汽車充電以及小區(qū)、商業(yè)中心、停車場等設(shè)置供電所，與相關(guān)部門聯(lián)合，建設(shè)充電標(biāo)準(zhǔn)。車站、碼頭、機場也要建設(shè)供電場，還要具備“黑啟動”功能[1]。

2.2 項目需求

在項目建設(shè)中，要以一體化充電設(shè)施以及能源互相交融為最佳控制原則，滿足項目需求。項目建設(shè)需滿足以下4 項設(shè)計需求[2]：

1）光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計需求。在某區(qū)域內(nèi)根據(jù)停車棚開展光伏系統(tǒng)建設(shè)，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包含282 kW屋頂光伏面板。結(jié)合6 臺50 kW 組串式光伏逆變器，能夠?qū)a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，納入光儲存一體化充電站，實現(xiàn)分布式清潔能源的高效利用。

2）儲能系統(tǒng)布置200 kW·h 磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)，根據(jù)100 kW 儲能變流器以及接入的一體化充電站400 V 低壓母線。一方面，能夠充分消納光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的冗余電量，避免電能浪費。而另一方面，也能夠滿足削峰填谷的需求。

3）電動汽車充電系統(tǒng)如某園區(qū)內(nèi)，現(xiàn)運行30 輛電動公交車，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┥舷掳嗤ㄇ诜?wù)。因此，30 輛電動車需要建設(shè)總?cè)萘繛? 940 kW 電動汽車充電站。充電站內(nèi)部要設(shè)置兩種充電樁，第1 種充電樁為大功率直流充電樁，第2 種為交流慢速充電樁。二者之間能夠自動為園區(qū)電動公交車提供自動充電服務(wù)，該充電樁還可對外營業(yè)收取額外充電服務(wù)費用。

4）綜合能源管理系統(tǒng)。搭建綜合能源管理系統(tǒng)能夠建立分布式發(fā)電、智能用電、綜合用電管理模式。在軟件體系架構(gòu)中，包含操作系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)三大層次。

3 光儲充一體化充電站設(shè)計分析

3.1 電站電池選擇分析

分析儲能系統(tǒng)，其有雙向流動特征。因此，對于大規(guī)模儲能并網(wǎng)，將配電網(wǎng)做一個多電源集成系統(tǒng)，配電網(wǎng)的流向?qū)ΜF(xiàn)有的機電保護方案產(chǎn)生一定的引導(dǎo)作用，使用戶電力設(shè)備穩(wěn)定運行。但繼電保護裝置若失效、誤動，就會導(dǎo)致配電網(wǎng)繼電保護裝置的靈敏度降低，使保護設(shè)備出現(xiàn)拒動問題。且相鄰線路瞬時速斷、保護誤觸等故障，也會對電流造成干擾[3]。

故障出現(xiàn)在系統(tǒng)電源以及儲能線路中時，儲能系統(tǒng)融合并網(wǎng)動作與配電裝置重合，有可能導(dǎo)致重合時間配合不均或系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。但并未在重合閘動作前退出，導(dǎo)致重合閘出現(xiàn)失效問題。而在故障發(fā)生后，前端線路器出現(xiàn)跳閘問題。但分布式儲能電站對智能配電網(wǎng)依然輸送電流導(dǎo)致故障點，事故進一步擴大。

3.2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計

在基本模型構(gòu)建中，要了解儲能充電時的吸收有用功，以及在放電時的有用功是否出現(xiàn)SOC 值減小等問題。在構(gòu)建的公式中，SOC 作為初始值，要結(jié)合充放電時間段的功率，了解充電效率、放電效率，設(shè)置預(yù)警值，將預(yù)警值設(shè)置為數(shù)字“1”。在構(gòu)建公式中，可如以下公式所示：

式中：“SOCmin”以及“SOCmax”分別表示在儲能過程中所允許的最大SOC 值以及最小SOC 值。

3.3 能量管理系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合分布式儲能功率分配能夠了解每個儲能量的多少，以及在分配過程中及是否處于相對均衡狀態(tài)。要考慮各儲能定額功率SOC 值來決定其輸出功率。具體分配方法要分析充電SOC 函數(shù)以及放電SOC 函數(shù)。在基于儲能的額定功率中，將數(shù)據(jù)“N”作為總儲能個數(shù)。當(dāng)對多個儲能點進行充放電時，SOC較高的儲能少充多放，而SOC 較低的儲能多充少放，二者之間要保持相對均衡性，設(shè)計合理的充電數(shù)據(jù)值非常重要。在基礎(chǔ)比較過程中，結(jié)合函數(shù)Logistic 為核心，建立函數(shù)數(shù)據(jù)模型。了解儲能SOC 自變量對應(yīng)的函數(shù)公式：

當(dāng)SOC數(shù)據(jù)值處于較小狀態(tài)下，整體充電函Fch（x）取值較大。而放電函數(shù)Fdis（x）取值較小時，SOC 充電功率以及放電功率也會相應(yīng)調(diào)整[4]。

3.4 能力管理對策設(shè)計

在能力管理對策設(shè)計中，可通過“SOC 均衡分布式儲能聚合”進行研究。例如，要基于一致性算法分布規(guī)則，將儲能作為兩大單位。如儲能“i”以及儲能“j”，當(dāng)儲能“i”以及儲能“j”相連時，就能夠?qū)崿F(xiàn)相互交融、相互通信，最后形成連通圖。在一致性算法分布規(guī)則控制中，當(dāng)儲能“i”對儲能“j”發(fā)送對應(yīng)的信息時，能夠表示頂點i、頂點j的相容性。任何一種一致性算法的通信建模，都能夠看出一致性算法的數(shù)據(jù)更靈活，且不要求相連儲能之間的通信包容性更強。按照一致性算法的圖連要求，要定義充、放電的一致性變量公式。按照有領(lǐng)導(dǎo)一致性算法分布式技能控制，其智能配電網(wǎng)的控制中心只要向分布式儲能領(lǐng)導(dǎo)者下達對應(yīng)的控制指令，就可以進行計算，防止以往在指定下達時出現(xiàn)的偏差，實現(xiàn)通信功率分配。在儲能設(shè)備的相互通信過程中，發(fā)送接收相應(yīng)的已知變量信息，進行充電初始化、放電初始化計算。當(dāng)控制中心發(fā)出總充、總放控制指令后，就可以進行充放電的多次迭代計算。了解一致性變化總量相同，實現(xiàn)分布式儲能聚合控制。結(jié)合數(shù)據(jù)模型提供的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時分析、調(diào)控、篩選，達到“一致性”建設(shè)要求。

4 綜合能源服務(wù)建設(shè)模式分析

4.1 合能源服務(wù)分析

國外綜合能源服務(wù)，主要重點在于“無領(lǐng)導(dǎo)一致性算法”，分布式儲能的聚合控制要構(gòu)建通信建模，了解到一個包含全部儲能的有向圖。確定輸入矩陣“P”、輸出矩陣“Q”?？刂浦行闹恍枰蚍植际絻δ艿哪骋粋€儲能下達總放、充電控制指令，就可以保證各儲能之間實現(xiàn)通訊功率匹配。發(fā)送以及接受一致性變量調(diào)整下信息，而非其他儲能定額功率以及SOC 信息。在進行迭代前，要進行一次性變量，功率效以及功率調(diào)整效要進行初始化。對于控制中心發(fā)出的指令進行多次迭代后，就可以計算出整個功率分配任務(wù)，完成分布式儲能的聚合控制。在功率更新項的修正中，SOC函數(shù)值若小于1，就會導(dǎo)致迭代過程變慢。為了避免此類現(xiàn)象，要在迭代計算前乘上大于1 的量，避免影響功率分配。在無領(lǐng)導(dǎo)一致算法中，所有的SOC 公式以及數(shù)據(jù)模型都能夠進行儲能迭代計算。計算結(jié)果較為精準(zhǔn)，滿足運行需求。且相關(guān)人員后續(xù)能夠繼續(xù)進行計算優(yōu)化，調(diào)節(jié)模型不合理之處。

4.2 合能源服務(wù)分析

我國儲能系統(tǒng)包含電池倉以及設(shè)備倉，電池系統(tǒng)以“電芯”為最小單位，包含電池模組、電池簇。要結(jié)合現(xiàn)場實際需求，配置對應(yīng)的電池容量。在設(shè)備倉內(nèi)部要放置儲能變流器以及交流配電柜、直流配電柜、消防系統(tǒng)、動環(huán)監(jiān)控軌道，對儲能系統(tǒng)的交流母線要將其接入系統(tǒng)內(nèi)部，提高能源的利用效率，保障電能實現(xiàn)優(yōu)化配置。完成本地能源以及用電負荷量的均衡，與公共電網(wǎng)靈活應(yīng)對，獨立運行。能夠更好地緩解充電樁對電網(wǎng)的用電沖擊，還可解決城市充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的電網(wǎng)問題。充電樁的激活方式，主要通過掃碼充電。充電樁內(nèi)部包含智能監(jiān)控系統(tǒng)以及計量系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)對電能進行輸出控制以及數(shù)據(jù)計算。充電樁智能控制器對電樁的測量控制具備保護功能。在交流電輸出后，通過內(nèi)置的智能電表，將輸出電能實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，上傳給電能控制器以及網(wǎng)絡(luò)運營平臺，實現(xiàn)過欠壓保護、短路保護、過流保護、漏電保護、接地檢測、過溫保護等多重功能，具備IP54 防護等級。

4.3 源服務(wù)發(fā)展前景

目前，充電站在建設(shè)過程中，絕大多數(shù)在空地建設(shè)。新型建設(shè)方可在充電站頂棚建設(shè)光伏，滿足充電站用電需求，適用于商業(yè)園、工業(yè)園、住宅區(qū)等范圍。在屋頂上，通過批量建設(shè)的光伏儲能系統(tǒng)，減少運行成本。在后續(xù)，隨著光儲充一體化的進一步發(fā)展，其建設(shè)成本將會降低?？剂績δ茈姵?、電動汽車退役的動力電池，實現(xiàn)階梯式利用。在節(jié)約成本的同時，高效利用能源，保障電池回收有新的解決方向，進一步優(yōu)化電站建設(shè)效率。由此可見，從基本功能分析，光儲充一體化充電站的功能為多元化供電、清潔能源供給、節(jié)能減排等。在后續(xù)要結(jié)合市示范應(yīng)用場站，實現(xiàn)大面積推廣。

4.4 典型用戶用能特點分析

從優(yōu)化調(diào)度中，考慮鋰電池損耗模型的削峰填谷優(yōu)化問題。鋰電池損耗模型通常用于描述電池在充放電過程中的性能衰減。削峰填谷優(yōu)化是一種策略，旨在降低電池充放電過程中的峰值電流Ipeak，reduced，以減少電池的損耗。下面是一個簡單的鋰電池削峰填谷優(yōu)化公式的示例：

式中：Ipeak為原始峰值電流；QDelta，SOC為考慮削峰填谷優(yōu)化后的SOC（State of Charge，電池荷電狀態(tài)）變化量；QSOC，max為電池的最大SOC 值（通常為100%）。

這個公式假設(shè)電池的峰值電流與SOC 的變化量之間存在線性關(guān)系。通過調(diào)整SOC 變化量（QDelta，SOC），可以降低峰值電流，從而降低電池損耗。在實際應(yīng)用中，可能需要考慮更復(fù)雜的模型和算法，以更準(zhǔn)確地描述鋰電池的損耗特性。

此外，客戶端優(yōu)化需要結(jié)合實際信息，在實踐過程中，要求分析并預(yù)測次日用戶用電負荷使用特征。將信息發(fā)送至客戶端EMS 中，達到次日用戶的用電充放電行為分析，幫助用戶節(jié)約用電成本。結(jié)合用戶的電力負荷情況，保障整體數(shù)據(jù)、數(shù)字模型得到優(yōu)化。調(diào)度算法分為日前優(yōu)化算法以及日內(nèi)優(yōu)化算法，可供電池儲能系統(tǒng)容量配置，為后續(xù)日內(nèi)優(yōu)化提供指導(dǎo)意見。需要注意的是，各公式之間的約束性與中間變量有一定關(guān)聯(lián)。在優(yōu)化求解算法中，建設(shè)一個非線性的多目標(biāo)優(yōu)化架構(gòu)。采用粒子群算法，將理想目標(biāo)函數(shù)作為衡量指標(biāo)，所有的粒子通過參照，處于最優(yōu)位置，保證其粒子運動方向能夠被精準(zhǔn)捕捉。粒子算法具有不依賴初始值，且使用參數(shù)較小、收集速度較快等優(yōu)勢。系統(tǒng)能夠判定各粒子的位置以及各參數(shù)對應(yīng)位置，完成優(yōu)化問題的解析。根據(jù)Cpeak、Closs計算結(jié)果，重新計算各粒子的適應(yīng)度。在算法結(jié)束后，采用對應(yīng)函數(shù)計算完成求解，將約束條件以函數(shù)單位“G（X）”作為表示粒子，群算法的適用公式為“S（X）+G（X）”。

5 結(jié)語

光儲充一體化充電站設(shè)置的目的，是要滿足車輛充電需求。與傳統(tǒng)充電模式相比，光儲充一體化充電站具備智能化、自動化的優(yōu)勢?？梢栽诮ㄔO(shè)區(qū)域內(nèi)利用空閑場地，提供清潔能源以及儲能技術(shù)，為充電站、配電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)可靠電量。