光储充一体化系统在新能源电动汽车研究中的设计与应用

上海安科瑞新能源有限公司

2024/12/23 16:20:30>> 进入商铺

摘要：随着电动车辆充电需求功率不断增大，规模化的电动汽车充电可能会导致配电网运行指标越限，同时还可能引起系统峰值负荷超额等问题，进而对系统输电和发电能力造成很大压力。将光伏发电经储能系统与充电桩相结合，不仅能缓解电网系统的压力，而且所建成的光储充系统在发电过程中无环境和噪声污染，实现了清洁能源的利用，也由此实现了以光养桩，削峰填谷，平抑充电负荷波动，降低电网容量压力，提高供电可靠性的情况。在提倡绿色环保、节能减排，大力发展新能源的时代此设计方案具备良好的推广前景。

关键词：电动汽车；配电网；光储充系统；光伏监控；策略控制；微电网；充电桩监控

0引言

开发利用可再生能源是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择，大力使用光伏发电成为战略替代能源的电力技术之一，新能源汽车取代传统燃油汽车也已成趋势。将光伏发电与新能源电动汽车充电桩相结合这个设计不仅可履行国家开发可再生能源与新能源汽车发展战略，还有良好的社会经济效益，对促进新能源电动汽车与开发可再生清洁能源的协调发展起到良好的示范作用。将光伏发电经储能系统与充电桩相结合这一光储充研究设计可以有效缓解配电网容量压力、用电负荷低谷时段储存电能，在用电负荷高峰时段将存储的电量释放提升电网运行稳定性。

1背景

截止2019年年底，纯电动汽车保有量已超过310万辆，充电桩也已超120万台，根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布数据，2019年我国车桩比已经提升至3.50：1，较2015年的7.84：1已经有大幅的提升。其中，车与公桩比为8.25：1。车桩比虽然在不断提升，但仍远低于《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020）》规划的1∶1的指标，充电桩仍有较大的建设空间。2020年3月4日，中共中央**局常务委员会召开会议，研究当前*疫情防控和稳定经济社会运行重点工作，要加快新型基础设施建设进度，其中，新型基础设施建设包括特高压、新能源汽车充电桩、5G基站建设、大数据中心、人工智能、工业互联网和城际高速铁路和城市轨道交通等七大领域。政策出台后，新能源充电桩成为国家基础设施建设的重点方向之一。值得注意的是，5G、大数据中心、工业互联网、人工智能等这几个“新基建”智能化、信息化技术板块，也是充电桩、智能电网、智能交通、新能源汽车融合发展的重要基础。

2项目设计

2.1系统构成

本项目系统主要由光伏系统、储能系统、充电系统和监控系统四部分构成。

2.2光伏系统

光伏系统采用光伏建筑一体化的模式，即光伏阵列与停车场车棚结合，光伏发出的电能可用于充电桩供电，也可用于站内日常用电，同时将多余的电能通过储能系统储存，做到零弃光，当然监控智能控制系统检测到新能源电动汽车充电数量过多、光伏发电存储不足时，控制系统将会使用电网电能为充电桩充电。

光伏系统是由光伏组件经过串、并联而成的光伏阵列，太阳电池工作原理的基础是半导体P-N结的光生伏*效应。光生伏*效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

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2.3储能系统

利用蓄电池组储能，它是由一些性能大小相同的蓄电池单体通过串、并联的方式组合而成的模组。蓄电池组作为太阳能光伏发电的储能装置，其作用是将太阳能方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能储存起来，以供应用。这里选用锂电池，因为锂离子电池具有能量密度高、寿命长、自放电小、无记忆效应等优点，已广泛在数码便携产品中获得了应用，并且正逐步进入新能源、电动车、储能电站等应用领域。

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2.4充电装桩系统

新能源电动汽车的充电系统可以采用直流充电、交流充电和更换电池三种模式。直流充电方式是直接利用直流母线的电作为直流充电桩的电源，通过充电连接装置直接给电动汽车的动力电池充电。该方式充电电流一般为150-250A，充电速度快花费时间短。

交流充电采用三相交流电为电动汽车充电，一般功率在7-35KW之间，从无电状态到充满所需时间一般为8-10h。在低功率的交流充电模式下其优势在于对动动力电池寿命影响和对电网冲击都较小，但充电时间较长，需长时间占用固定停车位。更换电池充电模式通过全自动或半自动机械设备，进行快速的电池更换实现电动汽车电能的补给，电池更换时间一般只需2-10分钟即可完成。同时，换电模式下的电池组可以充当储能电池为整个微电网系统供电，更好的利用能源。

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2.5监控系统（能量管理）

光伏电力监控组态软件搭建的光伏电站智能监控系统，可实现监测数据信息共享、交换、传输等功能，满足用户中心数据库的要求，监控到各单元状态以及监控光储充系统内部运行状态，自动根据峰谷时段及用电情况控制能量流动，实时数据的在线检测。

2.6电网能量智能控制技术

新能源电动汽车光储充系统中光伏阵列于较大功率跟踪（MPPT）点输出直流电能，经过储能设备，储能充电系统处于有功功率-无功功率（PQ）控制工作状态，储能充电桩可供电动汽车充电，多余电能输入大电网，光伏阵列发电不足时有大电网补充，其中较为核心的是控制中心—电网能量智能控制技术。电网能量智能控制技术能够实现对整个新能源电动汽车光储充系统的监视、控制及优化运行。通过对各回路设备的数据采集，实现对新能源电动汽车光储充系统运行状态的监测与控制，合理安排新能源电动汽车光储充系统的启停、科学控制储能充放电。通过远程实时监控新能源电动汽车光储充系统中光伏阵列发电、储能设备和负荷的各项电能参数，及时调整优化控制，为系统可靠性运行方案设计奠定基础。

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3微电网能量管理系统

3.1微电网接入配电网要求

微电网宜采用单个并网点接入系统。当有两个及以上与外部电网的并网点时，在并网运行时，应保证只有一个并网开关处于闭合状态。当高、低两级电压均具备接入条件时，可采用低电压等级接入，但不应低于微电网内高高电压等级。

3.2微电网的特征

（1）电压等级：35kV及以下为主，系统容量的用电负荷原则上≤20MW；

（2）自治：具有独立运行的控制系统；独立运行时保障不低于2小时连续供电与外部电网年交换电量一般不超过年用电量的50%用电负荷原则上≤20MW；

（3）清洁：可再生能源装机容量占比50%以上系统综合能源利用效率在70%以上

（4）友好：交换功率和交换时段具有可控性；与并入电网实现备用、调峰、需求侧响应等双向服务。

3.3微电网的应用场景

孤岛边远地区、需求较高园区、大电网较弱区

4安科瑞微电网能量管理系统解决方案

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统能够对微电网的源、网、荷、储能系统、充电负荷进行实时监控、诊断告警、全景分析、有序管理和高级控制，满足微电网运行监视全面化、安全分析智能化、调整控制前瞻化、全景分析动态化的需求，完成不同目标下光储充资源之间的灵活互动与经济优化运行，实现能源效益、经济效益和环境效益较大化。通过在企业内部的源、网、荷、储、充的各个关键节点安装安科瑞研发的各类监测、分析、保护、治理装置；通过先进的控制、计量、通信等技术，将分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车、电能路由器聚合在一起；平台根据新的电网价格、用电负荷、电网调度指令等情况，灵活调整微电网控制策略并下发给储能、充电桩、逆变器等系统与设备，保证企业微电网始终安全、可靠、节约、高效、经济、低碳的运行。

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4.1系统主界面

微电网能量管理系统包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷情况，体现系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、告警信息、收益、环境等。

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4.2光伏监控

针对配置光伏发电的微电网系统，具有在线监控光伏电池板阵列、环境监测、汇流箱和逆变器等的功能，保证光伏发电安全运行。

测量监视：日照、温度、风速等环境信息，电池板温度、直流电压、直流电流、直流功率、逆变器功率等。

状态监视：交/直流过压/欠压、交/直流过流、频率过/欠告警，过温过载、漏电保护等。

电量监视：光伏实时发电量、总发电量等。

遥控：逆变器启动、停止。

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4.3储能监控

针对配置全钒液流储能电池，微电网能量管理系统具有在线监控储能电池和PCS双向逆变器等的功能，保证其剩余容量在合理范围内，保障电池安全、合理利用。

测量监视：运行模式、功率控制模式，功率、电压、电流、频率等预定值信息、储能电池充放电电压、电流、SOC、温度、压力、流量。

状态告警数据：储能电池充放电状态、交/直流过压/欠压、交/直流过流、频率过/欠告警、过温、过载、漏电保护等。

电量数据：电池电量。

设置数据：PCS启动、停止、功率设定、装置运行参数设定

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4.4充电桩监控

（1）充电监视

微电网能量管理系统须具有提供充电桩的各类测量监视、状态监视、电量监视等的功能。

测量监视：充电电流、充电电压、充电功率、充电时间、SOC、电池电压、电池温度等。

状态监视：充电桩状态、连接确认开关状态、输出继电器状态、充电接口电子锁状态

电量监视：充电过程中的实时充电量、充电表底值、交易记录。

（2）充电控制

微电网能量管理系统具有提供充电桩的各类遥控、数据设置等的功能。

充电控制：启动、停止。

远程控制：重启、升级。

数据设置：时段参数、应急卡名单。

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4.5风电监控

针对配置风力发电的微电网系统，具有在线监控风力机组、风能并网控制器、并网逆变器等的功能，保证风力发电安全运行。

测量监视：温度、风速等环境信息，直流电压、直流电流、直流功率、逆变器功率等。

状态监视：交/直流过压/欠压、交/直流过流、频率过/欠告警，过温、过载、漏电保护等。

电量监视：风机实时发电量、总发电量等。

遥控：逆变器启动、停止。

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4.6配电监控

Acrel-2000MG微电网能量管理系统可以直观显示一次系统图，并实时显示从35kV至0.4kV各电压等级各回路的遥测量、遥信量和报警信号等。遥测量包括电压、电流、功率、功率、电能等电参量，高低压柜内电气节点温度值等；遥信量包括中压开关柜内路断路器、手车、隔离开关、负荷开关、地刀开关的分合状态，柜内弧光探头的链路状态、断路器弹簧储能状态及远方就地控制状态；报警信号包括微机保护装置的告警信号、保护跳闸信号及装置异常信号\线路弧光保护动作信号、节点温度告警及设备通信异常告警。

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4.7数据采集

通过测控单元与储能装置、电池管理系统、充电桩、风机逆变器、光伏逆变器进行实时信息的采集和处理，实时采集模拟量、开关量。

接收和处理的信息包括：

充电桩充电功率；光伏逆变器功率；风机逆变器功率；单体电池的电压、温度等实时信息；电池模块的电流和漏电流；各种故障告警信号和保护动作信号。

储能装置上送信息包括：

Ø开关量信息：直流侧、交流侧接触器、断路器的状态；运行模式(并网、孤网、充电、放电、待机等)、就地操作把手的状态等。

Ø模拟量信息：直流侧电压、电流；交流侧三相电压、电流、有功、无功；

Ø非电量信息：IGBT模块温度、电抗器温度、隔离变温度等；

Ø运行信息：能量转换设备保护动作信号、事故告警信号等。

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4.8历史事件查询

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。可以按时间、类型和设备进行查询和排序。

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4.9曲线查询

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统在曲线查询界面，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、温度等曲线。并统计该曲线查询范围内较大值、较大值发生时间、较小值、较小值发生时间、平均值等。

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4.10运行报表

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统可以查询各回路或设备时间的运行参数，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、温度值等。可以按照日、月、年的格式进行查询、导出、打印。

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4.11报表统计

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统系统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。

Ø 应对微电网系统运行的各种常规参数（发电功率等）进行统计计算，包括日、月、年、时段的较大、较小值及其出现时间、平均值、越限次数、越*时间、越限率、合格率等；

应对微电网系统运行的各风机发电量、总发电量等参数进行统计计算，包括分时段、日、月、年发电量对比等；

Ø 应对微电网系统主要设备的运行状况进行统计计算，包括断路器正常操作及事故跳闸次数、电容器/电抗器投退次数等。

通过报表，分析供电系统及各回路运行参数，形成运行日报、月报、电能统计日报、月报、年报。

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4.12电能质量监测

Acrel-2000MG微电网能量管理系统可以对整个配电系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。实时监测总进线和重要出线回路的供电电源电能质量，包括稳态数据监测、暂态数据监测和故障录波分析。对供电系统中的电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、三相电流不平衡、2～63次谐波电压、2～63次谐波电流、0.5～63.5次间谐波电压、0.5～63.5次间谐波电流、谐波功率、谐波畸变率等实时监测，并以柱状图进行谐波分析。

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监测重要回路的电压波动与闪变、电压暂升/暂降、短时中断情况，实时记录事件并故障录波，为电能质量分析与治理提供数据来源。及时采取相应的措施提高配电系统的可靠性，减少因谐波造成的供电事故的发生。

4.13网络拓扑图

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理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。

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4.14遥信遥控遥调

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统可以对整个系统范围内的设备进行远程遥控操作。例如配电系统维护人员可以通过监控系统的主界面点击相应的断路器遥信点调出遥控操作界面，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

遥控操作

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遥设操作

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4.15通信管理

安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统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。可以查看某个设备的通信和数据报文。

可以完成与各种变流器、充电桩、逆变器、智能电子设备的通信和数据转发，包括微机保护、电力仪表、智能操控、直流屏、模拟屏、五防系统和调度等。

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4.16能量管理

采用基于博弈论的功率协调分配技术，基于在通用设计平台和运行环境上开发能量协调控制策略，实现配网、分布式可再生能源发电、充电设施、储能装置之间能量的互动融合和灵活调配。

提高可再生能源利用率。光伏、风机发电优先提供各临近负荷消纳，其次储能电池存储消纳，或多余电能上网以及邻近交流配电网之间的潮流优化调度和控制，提高可再生能源的利用率，促进园区可再生能源的融合。

降低配电网的容量要求。通过可再生能源发电和储能联合调度，在提高区域内可再生能源发电的接入和消纳能力的同时，降低配电网配电容量的需求，延迟配电设备的投资，实现柔性增容的目的。

优化负荷随机性。随着新能源电动汽车在时间和空间上较大的随机性，大量接入会对电力系统造成影响。光伏、风机接入不仅能够改善这一问题，还有利于节能减排，同时储能具有灵活性、可调度性和快速响应的特性，电动汽车未来亦是需求侧可调度资源，因此，利用光伏、风机、储能、电动汽车负荷联合调度，一方面可改善了充电负荷的时间分布特性，达到优先吸收光伏、风机电能和减少对电网影响的目标；另一方面可减少用户充电费用、增加运营商收益，在经济方面实现了双贏。

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