光儲(chǔ)充放檢一體化電站關(guān)鍵技術(shù)研究

馬小芳

（寧夏龍祥新能源科技有限公司）

1 光儲(chǔ)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(dòng)問(wèn)題，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(fèi)。而光儲(chǔ)充檢放一體化電站作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的重點(diǎn)研究課題，太陽(yáng)能具有可持續(xù)發(fā)展、可再生等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)光儲(chǔ)充一體化電站的技術(shù)和系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)新能源領(lǐng)域發(fā)展以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行乃至雙碳環(huán)保等方面都具有重要現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，從其工作原理方面來(lái)看，光儲(chǔ)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(chǔ)到儲(chǔ)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(guò)程中存在的有限土地以及配電網(wǎng)問(wèn)題得到了解決，并借助對(duì)電能的存儲(chǔ)以及優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)本地能源的生產(chǎn)以及平衡用戶(hù)用電產(chǎn)生的負(fù)荷。當(dāng)處于用電低谷狀態(tài)時(shí)，電站可給自身或電動(dòng)汽車(chē)充電。在用電高峰，電網(wǎng)供電不足時(shí)，光儲(chǔ)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(chǔ)充檢放一體化電站的組成

光儲(chǔ)充檢放一體化電站主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁系統(tǒng)、電池檢測(cè)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等五個(gè)部分組成，具體如圖1所示，滿(mǎn)足了一體化電站特性以及快速充電、電池檢測(cè)服務(wù)以及反向供電等方面的需求。因此，每項(xiàng)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(chǔ)能能力得到充分發(fā)揮。并借助直流微電網(wǎng)技術(shù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，為車(chē)輛提供更加高效和穩(wěn)定的充電服務(wù)；儲(chǔ)能系統(tǒng)中存儲(chǔ)的電能資源還能夠?yàn)槌潆姌短峁┓?wù)，以此降低能源的消耗和電網(wǎng)的負(fù)荷。由此可見(jiàn)電站的建設(shè)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源的優(yōu)化配置，還實(shí)現(xiàn)了為新能源電動(dòng)汽車(chē)提供穩(wěn)定的供電服務(wù)，為新能源汽車(chē)的普及奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)用，更是增強(qiáng)了整個(gè)充電樁的安全性和穩(wěn)定性。其超長(zhǎng)的使用壽命和卓越的安全性能，使得光儲(chǔ)充檢放一體化充電樁在提供高效能源補(bǔ)給的同時(shí)，也保證了使用的安全性。電站中充電樁的設(shè)計(jì)，配備了超級(jí)快充技術(shù)，通過(guò)利用180～480kW超級(jí)快充樁，能夠進(jìn)一步縮短新能源汽車(chē)補(bǔ)電的時(shí)間，解決了汽車(chē)“充電難”的問(wèn)題，這無(wú)疑為新能源汽車(chē)的普及和推廣提供了強(qiáng)大的支持。值得一提的是，光儲(chǔ)充檢放一體化充電樁還搭載了電池檢測(cè)功能。通過(guò)利用云端檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新能源汽車(chē)在充電時(shí)對(duì)車(chē)輛電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)過(guò)程當(dāng)中用戶(hù)并不需要將車(chē)載電池拆卸，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池的檢測(cè)，并在充電工作完成之后得到相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告。而檢測(cè)報(bào)告的內(nèi)容主要涉及車(chē)載電池的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方面、保險(xiǎn)定損方面、電池殘值評(píng)估方面以及電池回收利用方面等問(wèn)題。最后，電站還具有反向供電能力，可以對(duì)市電網(wǎng)進(jìn)行供電，以滿(mǎn)足用戶(hù)的用電需求[3]。

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

3 光儲(chǔ)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(jì)劃打造一座具有光儲(chǔ)充檢放+反向供電的一體化電站，旨在為用戶(hù)提供交直流混合供電服務(wù)。具體一體化電站設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

在光儲(chǔ)充一體化電站中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(lèi)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(jìn)一步降低光儲(chǔ)充一體化電站的建設(shè)成本，各大功率等級(jí)的集中式逆變器以及系統(tǒng)將成為未來(lái)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(mǎn)足用戶(hù)的需求，逆變器的保護(hù)功能也在不斷完善，并進(jìn)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(jìn)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(dòng)光伏行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)做出更大的貢獻(xiàn)。

3.1.2 光伏組件技術(shù)

光伏組件也被稱(chēng)為太陽(yáng)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(dá)幾十塊太陽(yáng)能電池片與框架、接線(xiàn)盒共同組成的。但由于單個(gè)體的太陽(yáng)能電池?zé)o法直接作為電源應(yīng)用，因此只有對(duì)其進(jìn)行串、并連接和封裝才能夠組成電源。其工作原理，當(dāng)太陽(yáng)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(huì)形成一個(gè)新的空穴電子對(duì)，并在其電場(chǎng)作用之下，接通n區(qū)到p區(qū)的電路，并形成電流。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，并輸送到蓄電池區(qū)域存儲(chǔ)起來(lái)。該光伏組件當(dāng)中常用的太陽(yáng)能電池板中所應(yīng)用的電池片技術(shù)有4種類(lèi)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(jì)

整流器是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其設(shè)計(jì)需要充分考慮模塊化、高效能和穩(wěn)定性。在本次設(shè)計(jì)中，選擇利用隔離式變壓器與交流電網(wǎng)進(jìn)行接入，用電氣隔離的方式隔離直流母線(xiàn)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(jì)的重點(diǎn)。為了滿(mǎn)足100kW的功率需求，選用了雙向式AC/DC變流器，通過(guò)并聯(lián)的方式將相關(guān)模塊和交流側(cè)進(jìn)行連接。這種設(shè)計(jì)方式不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，還為后續(xù)的維護(hù)和升級(jí)提供了便利。針對(duì)變流器模塊的設(shè)計(jì)采用通用性和模塊化設(shè)計(jì)理念，對(duì)“1”式三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，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(shí)在直流側(cè)采用CL濾波器設(shè)計(jì)。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(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)它處于充電模式時(shí)，“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(chǔ)能系統(tǒng)和汽車(chē)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(mǎn)載情況下，整流器可以在極短的時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能技術(shù)是光儲(chǔ)充一體化電站的重要組成部分，其作用是儲(chǔ)存多余的電能，并在需要時(shí)釋放出來(lái)。從儲(chǔ)能系統(tǒng)方面來(lái)看，該模塊的設(shè)計(jì)主要由四個(gè)部分組成：電池組與BMS（電池管理系統(tǒng)）、PCS（儲(chǔ)能變流器）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、并網(wǎng)電壓需求進(jìn)行配置對(duì)應(yīng)的升壓變壓器，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，儲(chǔ)能變流器（PCS）是實(shí)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(yùn)行，還能夠?yàn)楣鈨?chǔ)充放檢一體化電站提供抗短時(shí)沖擊功能、平滑供電功能、儲(chǔ)能功能以及削峰填谷等調(diào)節(jié)保護(hù)功能。監(jiān)控調(diào)度管理模塊則是由MGCC和EMS等兩個(gè)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(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度與管理等作用。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)為放電狀態(tài)時(shí)，Buck和Boost雙向變換電路均會(huì)在Boost工作模式下繼續(xù)運(yùn)行。這種配置確保了高效的能量傳輸，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保護(hù)儲(chǔ)能裝置，采用恒壓限流放電方式，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能裝置的端電壓，可以避免出現(xiàn)過(guò)放現(xiàn)象，確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。在放電控制方面，采用雙閉環(huán)控制策略，解決儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生過(guò)度放電的情況。外環(huán)的電壓環(huán)主要負(fù)責(zé)母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定，只有這樣才能夠?yàn)橛脩?hù)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(guò)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(shí)，超級(jí)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(guò)限幅器進(jìn)行較小電流的輸出，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(qiáng)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(chǔ)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(chǎng)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(kāi)發(fā)高效、快速、安全的充電技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

3.5 電池檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電池檢測(cè)系統(tǒng)是光儲(chǔ)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各電池的溫度、電壓等關(guān)鍵信息，確保電池的安全運(yùn)行和穩(wěn)定供電。在設(shè)計(jì)這一系統(tǒng)時(shí)，充分考慮光儲(chǔ)充檢放一體化充電站中電池的數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)精確、高效的監(jiān)測(cè)。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(cè)單元。通常，在每簇電池內(nèi)，會(huì)部署18個(gè)電池檢測(cè)單元，確保每個(gè)電池都能得到實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。這種設(shè)置方式不僅提高了監(jiān)測(cè)的精度，還極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，確保電池管理系統(tǒng)與電池檢測(cè)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(shí)獲取電池的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括溫度、電壓等信息。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)化地對(duì)電池組的運(yùn)行情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題或故障，采取對(duì)應(yīng)解決措施或者進(jìn)行預(yù)警、修復(fù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)電池全方位的監(jiān)測(cè)，確保其安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，為新能源汽車(chē)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(chǔ)充一體化電站中，耦合技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它決定了光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行分析，光伏組件中輸出的直流電會(huì)直接經(jīng)過(guò)匯流箱，在完成匯集之后，通過(guò)直流變流器（PDS）直接和儲(chǔ)能變流器（PCS）實(shí)現(xiàn)連接。與此同時(shí)，PCS也直接連接電池。并且，在儲(chǔ)能交流器的控制下，光伏的直流電能夠直接被用于對(duì)蓄電池的充電，或者將其轉(zhuǎn)換成交流電為超級(jí)充電樁提供支持。光伏直流電可以直接用于對(duì)蓄電池進(jìn)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(lái)看，該技術(shù)能夠?qū)⒐夥M件輸出的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，并利用儲(chǔ)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(jiàn)，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(jìn)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(duì)較低。綜合分析來(lái)看，直流耦合技術(shù)在光儲(chǔ)充一體化電站中的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì)。由于光伏直流電可以直接對(duì)蓄電池進(jìn)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(chǔ)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(yùn)行，提高運(yùn)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(gè)能源控制器設(shè)定了功率和電壓的設(shè)定點(diǎn)，還提供在系統(tǒng)故障情況下進(jìn)行孤島運(yùn)行與重合閘的邏輯與控制方法，進(jìn)一步增強(qiáng)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(mǎn)足電站內(nèi)部的熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求，同時(shí)確保與主網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行協(xié)議。通過(guò)這樣的方式，以最小化能源消耗與系統(tǒng)損耗，實(shí)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(tái)功能，使得管理人員無(wú)論身處何地都能實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制電站系統(tǒng)，從而更好地了解電站的運(yùn)行狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，光儲(chǔ)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(chǎng)潛力。然而，要實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)充一體化電站的廣泛應(yīng)用，還需要在太陽(yáng)能發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)和充電技術(shù)等方面進(jìn)行更深入的研究和創(chuàng)新。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，光儲(chǔ)充一體化電站將在能源領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)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(chǔ)能設(shè)備的成本和安全隱患；三是開(kāi)發(fā)高效、快速、安全的充電技術(shù)。通過(guò)這些研究，有望推動(dòng)光儲(chǔ)充一體化電站的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。