探究光储充一体化电站建设关键技术研究
安科瑞 陈聪
摘要：光储充一体化电站建设已经进入了高速发展时期，对光储充一体化电站建设的重要作用与实际情况进行了简要的介绍，并在此基础上分析了光储充电站建设的具体系统结构和控制方式，进一步阐述了光储充一体电站的运行技术情况，便于将光储充一体化电站与现有配网接入，促进新能源健康发展，推动电动汽车行业的进步。同时，确保发电质量的良好，并提升充电速率。
关键词：光储充一体化电站；电动汽车；低碳经济
0引言
为了应对日益严峻的环境污染与国内能源结构调整与提升压力，对可再生能源的大力扶持已经成为非常重要的能源建设内容。同时，随着低碳经济的进一步推进，我国新能源产业进入到一个蓬勃发展与快速推进的时期，电动汽车的普及是我国交通领域重*的车用能源绿色行动。光能是一种普及推广的可再生能源，我国还需开展光能发电的研究，相关技术已经有了很大的进步。光储充一体化电站的建设提供了一个非常良好并且有效的途径，改善光能发电的稳定性同时确保了负载输出的*效，值得进行大力推广发展和应用。我国的电网建设在飞速发展，为提升其安全性与可靠性，需要加大相应的电站建设。结合光能发电技术，进行光储充一体化电站建设，对推进整体电网建设。发展完善国内基础设施建设工作具有重要作用。
面对零碳目标下新能源+储能快速规模化发展的新机遇，持续深化技术创新，以更科学合理的系统方案设计进一步挖掘和提升储能的服务价值，实现储能与电网从被动适应向主动安全、主动支撑转变，为构建上下游产业链命运共同体、促进储能产业健康可持续发展提供坚实保障。
1光储充一体式充电站建设意义
光储充一体化模式就是将光伏发电、储能电池和充电桩组成一个微电网，利用光伏发电，将电量存储在储能电池中，当发电不稳定时，储能电池将电量供给充电桩使用。充电桩通过光储充系统，将清洁电源输送给新能源汽车进行智能化柔性充电。目前，**双碳政策的发展方向，顺应发展趋势。其次，光储充电站有效减少对电网的冲击。根据了解，目前市面公共直流快充桩的功率达60kW以上，大型城市使用这种快充桩将对电网造成冲击，而光储充电站中的储能系统通过削峰填谷平衡大电流对电网产生的冲击，保护电网稳定运行。后，光储充电站为动力电池回收提供途径。我国正迎来动力电池的退役潮，退役电池可回收作为光储充电站的储能电池使用，将动力电池价值大化同时减少了环境污染。一般情况下，为满足充电站的用电需要，在进行整个建设过程中需要建立起一个完整完善的供电系统，并且对应的电力系统还需要与公共电网连接，通过接入电网购电。因此，引入并设置光储充一体化电站建设十分重要，并且进行电站建设时还要考虑充电站整体的占地面积情况。通常，需建设完整的光储充配电系统，满足实际用电需要。当整个光储充一体化电站系统在进行子系统连接时，会采用三相交流母线接入的方式将光伏系统设备线路与存储系统、设备线路以及充电设备线路进行联络，再进行并网设置，从而解决整体集中大功率充电可能带来的问题，确保整个光储充电站能够自己发电并自己用电，完成电能的消耗，实现良好的储电用电保障功能。
2光储充一体化电站系统研究
光储充一体化电站的关键技术涵盖的内容非常广泛，包括光储充一体化电站的整体系统与子系统的相关技术、光储充一体化电站建设过程中需要安装的各类设备以及光储充一体化电站建设完成后对整个系统运行情况的全*控制，以保证光储充一体化电站的稳定运行。
2.1光储充一体化电站设备
总体来说，光储充一体化电站的设备主要由光伏设备、储能设备以及充电设备3个部分组成。
光伏设备是将光能或太阳能转化为电能的设备，光伏设备本身的电力输出能力与太阳辐射强度、周围环境温度有关。光伏发电设备如图1所示。
图1光伏发电设备
储能设备的设置需要考虑储能容量的实际配置情况，对应的储能系统在进行充放电时，需要考虑充放电的周期和充放电的实际效率，并对充放电的上限值和下限值进行控制。储能设备和储能系统运行过程中，需要对储能系统本身的建设成本和效益进行估算，这一过程通常利用储能设备或储能系统的使用寿命模型进行预测，由此计算出储能设备或储能系统在运行全过程中能够产生的终效益。目前来说，常见的储能方式之一就是运用电池进行储能。由于电池本身完成充放电的次数是有限的，应对整体效益进行估算。根据现有技术，电池的充放电循环次数与电池本身的工作环境情况密切相关，并且受充放电的深度影响。影响储能系统或设备成本的原因就是在日常使用过程中的维护与运营，维护运营工作本身需要成本，而维护和运营工作的成果对储能系统本身的使用寿命也有比较突出的影响。
2.2光储充电站建设的系统结构
光储充一体化电站系统结构如图2所示。光储充一体化电站系统本身在新能源汽车领域应用较多，单独设置的光伏模块、储能模块以及充电模块彼此连接并接入统一配电线路，形成一个完整的微电网。对于光储充一体化电站而言，这样的微电网需要具备接入整个城市供电系统以及供电线路的基础功能。
图2光储充一体化电站系统结构
在进行电站建设的时候，基础的就是需要包括光伏系统、储能系统以及充电系统3个方面。在此基础上，还要配有相对应的监控系统，监测整个电站的充放电情况，对电站的各项数据进行采集，良好地完成对电站的功率分配工作，确保能够满足不同用电设备和用电区域的具体需求。
此外，可以结合现有的自动化技术和信息技术建立一个完整的云端综合控制管理平台，对采集到的数据进行综合性处理、预测与分析，更好地完成整个系统中电力的优化配置与调度工作，准确下达对总系统的控制命令，从而使整个光储充一体化电站的功能得到完善与提升。
2.3光储充一体化电站的控制方式
目前比较常见的控制模式主要包括2种，一是并网控制，二是离网控制。如果处在并网控制的状况下，那么结合上述所提到的云端综合控制管理平台了解次日天气数据与信息及历史的光伏发电功率、数据情况，结合次日的光伏功率情况对整体发电状况进行预测，由此下发具体的电力调度曲线情况给各自监控系统，并对光储充一体化电站电的发电功率进行限制补充以及调整，从而使得整个光储充一体化电站的发电稳定，并且不会对电网整体的电能稳定性和发电质量造成干扰。而接入的电网本身，由于自然条件和气候因素变化，加之用电高峰期等问题存在不能够良好地对整个工业园区进行用电的情况，此时可以考虑切换到一个离网运行模式。采用该模式后，即使外接电网出现了故障，也可以确保整个工厂仍然在有序稳定的进行相应的生产工作，通过对储电、储能、光伏发电等设备实际运行功率的调整和联合，确保终的发电更加稳定。
2.4持续优化设备整体配置情况
通过对光储充一体化电气设备的整体系统模型构建，优化整体用电设施设备的资源配置，从而确保整体电站可以获得大的净收益。因此，要对设备的整体配置不断优化，对各项技术进行革新和改进，以确保终电站建设完成后效益的大化。
3能量管理系统各功能的实现
光伏电站本身会对整体电网产生比较明显的冲击与影响，这就造成了光伏电站现在的应用情况处在一种自给率低且对光伏电站并网工作存在限制的情况。而单独的充电设施与装置比较明显的特点就是容易在用电高峰时对电网造成波动，这种集中性的充电工作增加了整个电网的运行负担。总体而言，城市整体的电路系统建设中缺少对大规模充电设施的考虑。如果将充电设备直接进行配网，那么需要对相应的变电气和线路进行改造，增加整体建设成本。如果建设了光储充一体化电站，可以在用电量较大的时候通过光储充电站对设备用电情况进行补充，减少接入电网时可能造成的系统干扰问题，提升企业整体的经济效益，有助于促进企业的绿色发展，具有非常突出的社会效益。
为了满足电动汽车充电的稳定性和电站运营成本低化，运行控制策略原则如下：一是保证电能输出的稳定性；二是大程度消纳光电能；三是大限度实现削峰填谷作用；四是降低对电网的冲击。
根据西安市阶梯电价运行原则（见表1），结合运行控制策略原则，设计优化策略。
根据峰平谷电价的时间段分布进行控制阶段的设定，为3级调控方式，具体如下。
-
在用电谷值期间，其电价成本低，可由市电进行充电供能并给储能模块进行充电作业，保证在平或峰值期间储能模块的电量供给。在谷值期间，市电总负荷量也处于低位，在此期间进行供电和储能充电作业可提高夜间用电量，达到“填谷”的作用。
-
在平值期间，电价为中等档次。此时控制策略采取光伏供电预先形式：如果光伏电量能够满足电动汽车需求，则单独供电；如果光伏电量无法满足电动汽车需求时，则利用储能设备进行供电（储能设备电能余量需满足在高峰期与光伏整体的稳定输出），仍然不足时需采取市电供电措施。
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在峰值期间，电价为高档。此时应尽量避免采取市电供电：首先，用光伏进行供电，利用储能设备进行稳定输出配合；其次，如果光能源电量将出现缺口时，则应采用储能设备进行补充，稳定输出；后，在二者均无法满足供电需求时，补充市电进行充电作业。光储充一体式充电站运行控制如图3所示。
图3光储充一体式充电站运行控制图
4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案
4.1概述
安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。
4.2适用场合
系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
工商业储能四大应用场景
1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；
2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；
3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；
4）新型应用场景：工商业储能探索融合发展新场景，已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。
4.3系统结构
4.4系统功能
4.4.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
图2系统主界面
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。
光伏界面
图3光伏系统界面
本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
图4储能系统界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
储能界面
图5储能系统PCS参数设置界面
本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图6储能系统BMS参数设置界面
本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图7储能系统PCS电网侧数据界面
本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图8储能系统PCS交流侧数据界面
本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS直流侧数据界面
本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图10储能系统PCS状态界面
本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图11储能电池状态界面
本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图12储能电池簇运行数据界面
本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。
风电界面
图13风电系统界面
本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
充电桩界面
图14充电桩界面
本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。
视频监控界面
图15微电网视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
4.4.2发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
图16光伏预测界面
4.4.3策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。
图17策略配置界面
4.4.4运行报表
应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。
图18运行报表
4.4.5实时报警
应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
图19实时告警
4.4.6历史事件查询
应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
图20历史事件查询
4.4.7电能质量监测
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；
2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；
3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；
4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；
5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。
6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、95%概率值、方均根值。
7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
图21微电网系统电能质量界面
4.4.8遥控功能
应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
图22遥控功能
4.4.9曲线查询
应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
图23曲线查询
4.4.10统计报表
具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
图24统计报表
4.4.11网络拓扑图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
图25微电网系统拓扑界面
本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。
4.4.12通信管理
可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
图26通信管理
4.4.13用户权限管理
应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
图27用户权限
4.4.14故障录波
应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。
图28故障录波
4.4.15事故追忆
可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故*10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。
图29事故追忆
4.5系统硬件配置清单
| 序号 | 设备 | 型号 | 图片 | 说明 |
| 1 | 能量管理系统 | Acre1-2000ES |
| 内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服 务器及协同控制装置。 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。 |
| 2 | 工业平板电脑 | PPX133L |
|
2)可视化展示:显示系统运行信息 |
| 3 | 交流计量电表 | DTSD1352 |
| 集成电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上48月的各类电能数据统计:具有2~31次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遜信”和“遥控”功能，并具备报警输出。带有RS485通信接口，可选用MODBUS-RTU或DL/T645协议。 |
| 4 | 直流计量电表 | DJSF1352 |
| 表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等； 具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645协议:可带维电器报警输出和开关量输入功能； |
| 5 | 通信管理机 | ANet-2E8S1 |
| 能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总； 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能； 实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据； |
| 6 | 串口服务器 | Aport |
| 功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中 1)空调的开关，调温，及完*断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备 |
| 7 | 遥信模块 | ARTU-K16 |
|
4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报) |
5结 论
本文将光伏发电、储能系统与电动汽车充电站结合，并对光储充一体式充电站设备、结构、运行策略进行了分析，确立了以运行成本为控制主目标、以储能底循环电量为辅助目标的运行控制策略。本文在运行控制策略模型中对智能算法进行了初步探索，下一步研究中将引进智能算法体系，实现多目标优配置，并结合实例数据进行效果验证，保证控制策略的可行性。
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