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摘要：隨著電動汽車數(shù)量的激增，城市充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)面臨著的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。新能源光儲充一體化電站作為一種集光伏發(fā)電、儲能與充電技術(shù)于一體的性能源系統(tǒng)，正逐漸成為解決電動汽車充電問題、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行、促進(jìn)可再生能源利用的重要途徑。本文就此闡述了新能源光儲充一體化電站的現(xiàn)狀，分析了其關(guān)鍵技術(shù)存在難點(diǎn)及對策，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供有益的參考和借鑒。
關(guān)鍵詞：新能源；光儲充一體化；電站建設(shè)；關(guān)鍵技術(shù)
1.1 新能源光儲充一體化電站系統(tǒng)
在能源技術(shù)領(lǐng)域中，“光儲充"這一術(shù)語地概括了三種核心功能：“光"代表光伏發(fā)電技術(shù)；“儲"則指的是電能儲存系統(tǒng)及其配套設(shè)備；“充"是為電動汽車等移動設(shè)備提供電力補(bǔ)給的交直流充電樁。光儲充一體化概念，實(shí)質(zhì)上是一個集成了上述三項(xiàng)功能、配套設(shè)備及必要監(jiān)控與保護(hù)機(jī)制的小型自給自足能源系統(tǒng)。因此，光儲充一體化電站是基于這種小型自我供電系統(tǒng)構(gòu)建的，其核心目標(biāo)是為電動汽車提供、可靠的充電服務(wù)。
光儲充一體化充電站相較于傳統(tǒng)充電站有著諸多優(yōu)勢。首先，在能源來源與利用方面，光儲充一體化充電站依托于光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的直接轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，同時結(jié)合儲能系統(tǒng)，有效儲存余電并在需要時釋放，不僅提升了能源利用效率，降低充電成本，還減少了對電網(wǎng)的依賴，降低了因電網(wǎng)負(fù)荷波動帶來的不確定性。其次，光儲充一體化充電站以其排放或低排放的特性，降低了對環(huán)境的污染，為應(yīng)對氣候變化做出了積極貢獻(xiàn)。再者，光儲充一體化充電站在對電網(wǎng)的影響上也表現(xiàn)。通過儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，該類型充電站能夠平滑電力需求曲線，減少對電網(wǎng)的瞬間高負(fù)荷需求，從而降低電網(wǎng)的運(yùn)行壓力和風(fēng)險。所以，目前非常有必要建設(shè)數(shù)量更多的光儲充一體化充電站。
1.2 新能源光儲充一體化電站分類
新能源光儲充一體化電站主要分為兩類。
（1）電動汽車型光儲充一體化電站主要面向電動汽車的充電需求，集光伏發(fā)電、儲能、充電于一體，為電動汽車提供綠色、便捷、的充電服務(wù)。這類電站通常建設(shè)在公共充電區(qū)域，如商業(yè)體、旅游景區(qū)、公共服務(wù)機(jī)構(gòu)等人流量較大的區(qū)域附近，以及公交樞紐、道路客運(yùn)站、物流貨運(yùn)站等商用車和日均充電量大的車輛集中區(qū)域。它們不僅能夠滿足電動汽車的充電需求，還能通過光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)能源的利用和綠色排放，降低對電網(wǎng)的依賴和負(fù)荷壓力。
（2）戶用型光儲充一體化電站則主要面向家庭用戶，將光伏發(fā)電、儲能和電動汽車充電功能集成到家庭用電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)家庭用電的自給自足和綠色排放。這類電站通常安裝在居民住宅的屋頂或庭院中，利用太陽能進(jìn)行光伏發(fā)電，并將多余的電能儲存在儲能系統(tǒng)中，供家庭用電和電動汽車充電使用。在陽光充足時，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以為家庭提供清潔的電力，并將多余的電能儲存起來；在用電高峰期或光伏發(fā)電不足時，儲能系統(tǒng)可以釋放電能，滿足家庭用電和電動汽車的充電需求。
2.1 儲能控制
儲能系統(tǒng)包括、的電池管理系統(tǒng)（BMS）、靈活的雙向變流器（PCS）以及的保護(hù)與監(jiān)控設(shè)備。儲能電池，作為核心儲能元件，以鋰離子電池等高技術(shù)為主流，憑借其高能量密度、長循環(huán)壽命及充放電能力，有效儲存光伏發(fā)電產(chǎn)生的多余電能。BMS 則如同儲能電池的“智慧大腦"，實(shí)時監(jiān)控電池組的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，確保其在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，同時優(yōu)化充放電策略，延長電池使用壽命，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。
儲能系統(tǒng)需要根據(jù)光伏發(fā)電、充電需求和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行充放電控制，確保光伏發(fā)電的消納、滿足充電需求，并保障變壓器運(yùn)行安全。
2.3 智能預(yù)測
預(yù)測包括光伏發(fā)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測。通過算法能更的預(yù)測光伏發(fā)電和充電需求曲線，則可以幫助運(yùn)營方更的制定能源使用策略，包括儲能充放電控制、充電價格制定，確保在保障運(yùn)行安全的前提下實(shí)現(xiàn)收益。光儲充一體化電站在服務(wù)電動汽車充電的同時，還需兼顧多樣化的負(fù)荷需求，特別是在商業(yè)住宅區(qū)和居民小區(qū)內(nèi)部署時，其運(yùn)營復(fù)雜性顯著增加。除了基本的充電負(fù)荷外，還需細(xì)致考慮照明系統(tǒng)、生活清潔設(shè)備（如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)）、商業(yè)運(yùn)營所需的各類電器，以及辦公區(qū)域的電力消耗。
3.1平臺概述
Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、儲能系統(tǒng)、充電站運(yùn)行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理、智能預(yù)測為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，促進(jìn)新能源消納，降低供電成本。
3.2系統(tǒng)架構(gòu)
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。
本平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即站控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層
4.1 預(yù)測算法
光伏發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)通過采集數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)、實(shí)時環(huán)境氣象數(shù)據(jù)、光伏電站實(shí)時輸出功率數(shù)據(jù)、光伏組件運(yùn)行狀態(tài)等信息，結(jié)合相關(guān)算法模型，實(shí)現(xiàn)短期功率預(yù)測（預(yù)測光伏電站未來0h-72h的光伏輸出功率，時間分辨率為15min）、超短期功率預(yù)測（預(yù)測未來15min-4h的光伏輸出功率，時間分辨率為15min）功能。負(fù)荷預(yù)測根據(jù)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃、天氣等因素預(yù)測下一個周期的負(fù)荷需求，協(xié)助安排能源計(jì)劃和控制策略。
系統(tǒng)結(jié)合光伏發(fā)電預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)計(jì)算充電可用容量，結(jié)合充電歷史特點(diǎn)對儲能進(jìn)行充放電控制，或調(diào)整電動汽車充電功率、價格進(jìn)行調(diào)控，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時降低充電成本。
圖2 光功率預(yù)測
4.2 光伏儲能能量管理策略
能量管理策略采用基于博弈論的功率協(xié)調(diào)分配技術(shù)，基于在通用設(shè)計(jì)平臺和運(yùn)行環(huán)境上開發(fā)能量協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)、分布式可再生能源發(fā)電、儲能裝置、充電設(shè)施之間能量的互動融合和靈活調(diào)配。系統(tǒng)在保障變壓器安全運(yùn)行前提下進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，有效消除峰谷差、平滑負(fù)荷，短時柔性擴(kuò)容，提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、補(bǔ)償負(fù)荷波動。同時在不允許對電網(wǎng)送電的情況下還可以通過調(diào)節(jié)光伏發(fā)電、儲能充電、調(diào)節(jié)充電樁等方式，有效防止逆功率。
圖3 能量管理策略
4.3 有序充電
有序充電策略主要根據(jù)負(fù)荷允許容量變化來進(jìn)行充電許可或充電功率控制，采用先到先充或權(quán)限優(yōu)先等策略，保障電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測變壓器負(fù)荷率，計(jì)算變壓器剩余容量，結(jié)合充電需求和儲能系統(tǒng)放電容量對充電進(jìn)行動態(tài)控制，包括：用戶權(quán)限識別、充電行為統(tǒng)計(jì)、充電功率控制、允許/禁止新增充電、調(diào)整充電價格等方式來引導(dǎo)用戶充電需求，培養(yǎng)用戶充電習(xí)慣，提高電網(wǎng)對充電的友好度和容納能力。
圖4 有序充電管理
4.4 充電運(yùn)營管理
安科瑞充電運(yùn)營管理平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊(duì)等待的情況，同時也能為充電站提供更的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。平臺支持掃碼/刷卡充電、尋樁導(dǎo)航、訂單管理、充電樁監(jiān)控、收益分析等功能。
圖5 充電運(yùn)營管理
序號 | 設(shè)備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
1 | 能量管理系統(tǒng) | Acrel-2000MG |
| 系統(tǒng)平臺能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)的源、網(wǎng)、荷、儲能系統(tǒng)、充電負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、診斷告警、全景分析、有序管理和控制，滿足微電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視化、安全分析智能化、調(diào)整控制前瞻化、全景分析動態(tài)化的需求，完成不同目標(biāo)下光儲充資源之間的靈活互動與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能 源效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。數(shù)據(jù)采集、上傳及轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器及協(xié)同控制裝置 策略控制:計(jì)劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等 |
2 | 打印機(jī) | ACCU-100協(xié)調(diào)控制器 |
| 能夠采集不同規(guī)約的PCS、BMS、電表、消防等設(shè)備的數(shù)據(jù)與匯總；提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計(jì)算、優(yōu)化控制等多項(xiàng)功能；實(shí)時多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù)。 |
3 | 充電樁 | 汽車直流充電樁 |
|
充電計(jì)量與計(jì)費(fèi)以及充電過程的行充電計(jì)量，具備完善的通信功能，可將計(jì)量信息通過RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營平臺;具備防雷保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)和漏電保護(hù)等功能。 |
4 | 交流計(jì)量電表 | AMC96L-E4/KC |
| 電力參數(shù)測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、 四象限電能計(jì)量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議:帶開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)斷路器開關(guān)的"遜信“和“遙控"的功能 |
5 | 直流電能表 | DJSF1352-D300 電流300A |
| 可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等，可配套直流充電樁計(jì)量。 |
DJSF1352-D600 電流600A |
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6 | 電能質(zhì)量監(jiān)測 | APView500 |
| 實(shí)時監(jiān)測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件,定位擾動源。 |
7 | 防孤島裝置 | AM5SE-IS |
| 防孤島保護(hù)裝置，當(dāng)外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接 |
8 | 箱變測控裝置 | AM6-PWC |
| 置針對光伏、風(fēng)能、儲能升壓變不同要求研發(fā)的集保護(hù)，測控，通訊一體化裝置，具備保護(hù)、通信管理機(jī)功能、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)功能的測控裝置 |
9 | 通信管理機(jī) | ANet-2E851 |
| 能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)果集匯總: 提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計(jì)算等多項(xiàng)功能:實(shí)時多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多路上送平臺據(jù): |
10 | 儲能柜 | EssCube100-200S |
| 儲能柜是一種用于儲存電能、熱能等能量的設(shè)備，可對光伏發(fā)電進(jìn)行存儲。它通常由電池、電容器、熱能儲存介質(zhì)等組成，通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對能量的儲存和釋放。儲能柜具有、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家庭、工業(yè)、交通等領(lǐng)域，包括新能源電站、智能微電網(wǎng)、電動車充電樁、工業(yè)電力儲備和家庭能量存儲等。 |
綜上所述，新能源光儲充一體化電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)涉及光伏電池、儲能系統(tǒng)、充放電儲能協(xié)同調(diào)度以及濾波器優(yōu)化等多個方面。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入推廣，新能源光儲充一體化電站將在能源領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為實(shí)現(xiàn)全球能源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)貢獻(xiàn)更大的力量。同時，我們也需要持續(xù)關(guān)注技術(shù)發(fā)展趨勢和市場變化，不斷優(yōu)化和完善電站建設(shè)方案，以應(yīng)對日益復(fù)雜的能源挑戰(zhàn)。
