新能源光儲充一體化電站建設關鍵技術研究分析

許 立，紀錦超，馮桂賢

(1.西安領充創享新能源科技有限公司， 西安 710000；2.深圳市中電電力技術股份有限公司 西安分公司， 西安 710000)

0 引 言

新能源指的是非常規能源，除傳統能源以外的各類能源，比如太陽能、海洋能、風能、地熱能等。我國目前正大力支持發展新能源，但新能源發電不夠穩定，導致電網運行有著較大的安全隱患。光儲充一體化電站能夠利用電池儲能吸收負荷低谷期間電能，支撐負荷高峰期間用電，從而平衡電站負荷峰谷差，實現有效地運行，優化當前的配電網絡。

1 新能源光儲充一體化電站概述

1.1 電動汽車型光儲充一體化電站

這一類型的充電設施是能夠為電動汽車充電的專屬設備，分為交流充電樁和直流充電樁這兩種。交流充電樁用于交流電源充電，多是3、5和7 kW這類的小功率，優點是易安裝、體積小、適用性強，缺點是充電速度偏慢，多安設在商場、居民小區等區域。直流充電樁用于直流電源充電，功率多是60、120 kW，優點是充電速度快，缺點是相關設備多、占地面積大。

隨著新能源的應用范圍不斷變廣，光伏發電成為了光儲充一體化電站的主要能量來源。太陽能是清潔、綠色能源，光伏組件結構簡單、便于安裝、組裝時間短，充電站進行儲能可有效緩解光伏輸出的波動頻率。整個電站結構包括控制中心、光伏發電系統、儲能系統、充電樁、配電網等。

在電站結構中，控制中心用于監測控制電站內的各類設備，協助電站各單位有序運行；光伏發電系統是通過光伏陣列對太陽能做能量轉換，形成電力；儲能系統是儲能電池組，既可以存儲能量也能夠平衡功率，能夠配合光伏發電系統對電動汽車進行充電；充電樁有交流、直流這兩類，像高速公路上的電動汽車充電樁則用的是直流電；配電網變流模塊會與交流配網、充電系統連接，依據電站設計的實際要求，交流電接入系統之前需要通過變流模塊做轉換才可充電。

1.2 戶用型光儲充一體化電站

戶用型光儲充一體化電站的發電靈活、方便，能夠自發自用，可在住宅區、醫院、學校廣泛應用。在2019年新政討論會中提到，戶用補貼指標為3 GW，補貼額度是0.18元/kWh。我國浙江省就提到了“百萬屋頂”計劃，在全省的100多萬戶家庭的屋頂安裝光伏，2020年的戶用總裝機在6 GW的規模。

戶用型光儲結構分成三類，分別是直流結構、交流結構及交直流結構。直流結構的第一種拓撲結構是單母線結構，用變換器連接不同負荷單元，結構電壓等級固定。第二種拓撲結構是雙母線結構，把母線分成不同電壓等級。第三種拓撲結構是冗余式母線結構，用直流母線當做備用母線；交流結構的第一種拓撲結構中，交流母線是電網經過變壓器形成，有大量轉換，電能損耗大。第二種拓撲結構中，交流母線是光伏產生，儲能通過變換器連接交流母線，電網由變壓器與儲能相連；交直流結構的第一種拓撲結構是交流、直流由兩個母線經過變流器連接，利于單獨控制。第二種拓撲結構是在直流側加電網，穩定性高，可不具備直流側加入負荷要求。第三種拓撲結構有雙層直流母線，應用場景多但控制難度大。

圖1 戶用型光儲充一體化電站結構

戶用型需配備合理的儲能系統才可有力保障光伏能量的利用率，如果儲能電池容量偏小，光伏發電的能量則很難得到存儲、利用，故在光伏儲能配置上主要考慮到光伏容量，基于光伏容量做儲能電池組容量的配置。家庭用電負荷有兩種，分別是剛性負荷、柔性負荷，像冰箱、電腦便屬于剛性負荷，吹風機、洗衣機屬于柔性負荷。在此可依據戶用型負荷實際情況、當地儲能容量、光伏日發電情況對特定負荷下儲能電池容量、光伏電容做配置。

2 新能源光儲充一體化電站建設關鍵技術

2.1 光伏電池出力

光伏電池板受到太陽光輻射之后會形成光生伏特效應，電池兩端會有電動勢，太陽能會轉換成電能?，F階段常用到的光伏電池是PN結型光伏電池，晶體硅為半導體材料，有較高的轉換效率。在理想光源狀態下，左邊光生電流IL是恒流源，光照強度變大后，電流也會增加。在圖2中，PN結正向電流是IP、旁路電流是Ish、光伏電池輸出電流為I、旁路電阻是Rsh、串聯電阻是Rs、端電壓是U。影響光伏電池輸出的有很多影響因素，光照強度這一影響因素最為顯著。當光照強度得到增強，光伏電池輸出功率也會加大。

圖2 光伏電池的等效電路圖

2.2 儲能系統

儲能系統包括儲能電池、電池管理系統及雙向變流器，儲能電池是以化學儲能、電磁儲能、機械儲能為主，蓄冷儲能、蓄熱儲能為輔，儲能形式會根據技術成熟度、充放電時間、存儲容量不同而有所不同。儲能電池需有較好的充放電循環性能，兼顧環保性與安全性。鋰電池則由較高的充放電效率，性價比偏高，故可將鋰電池作為光儲充一體化電站的儲能電池。在使用蓄電池的過程中如果出現過度充電、放電，蓄電池的使用壽命會變短，要嚴格限制其荷電狀態。雙向變流器是50 kW雙極式變流器做電池組充放電，直流電接的是電池組，交流電接的是交流母線，用以采集能量數據及測控投切[1]。

2.3 負荷特性

負荷是發電廠、電力系統于某一瞬間產生的工作負載，可分成無響應型、可中斷型、可轉移型、可調節型這四類。其中，無響應型要求無間斷、長時間供電，不會對任何需求產生明顯響應；可中斷型可隨時對負荷做中斷，能夠即時對負荷做轉移調整或中斷；可轉移型能夠根據發電廠生產計劃安排啟停時間；可調節型能夠隨時調整當前的用電時間，具體情況見表1。

表1 不同負荷需求響應狀況

光儲充一體化電站在為電動汽車充電時還要考慮到照明負荷，如果電站安設在商業住宅、居民小區里面，更要考慮到生活清潔負荷、商用負荷和辦公類負荷。負荷響應能力是開展需求響應策略的關鍵，依據系統運行需要，應當調度好系統負荷，縮減系統負荷的峰谷差。

2.4 充電樁設備

充電樁可控制充電電流，為電動汽車充電。直流充電樁是用DC/DC變流器充電，交流充電樁是用DC/AC變流器充電，由于直流充電的功率大，故被稱作快充，交流充電的功率小，被稱作慢充。在我國的各居民小區中，電動汽車充電的方式多是交流充電。隨著“互聯網+充電服務”的發展，電動汽車充電有了更廣闊的發展前景，但要考慮到最大上網電量、最大接入負荷限制、光伏供電比、平均排隊時間和充電樁利用率[2]。

3 新能源光儲充一體化電站建設關鍵技術存在難點

3.1 配電網負載過重

當大量電動汽車無序充電時，會嚴重影響到配電網的運行效果，造成電能質量急劇下降，主要的影響方面包括安全穩定運行方面、電網經濟性方面、電能質量方面。安全穩定運行包括電器設施售賣、峰值負荷、電壓波形；電網經濟性包括變壓器負載、變壓器功率損耗；電能質量包括電壓不平衡、電壓偏移、諧波電流。

電站在為電動汽車充電時，電力負荷會不斷上升，進而擴大峰谷值，要求配電廠耗費更多備用電來滿足用電峰時。在網損方面，電動汽車滲透率小，線路負載損耗小，電動汽車滲透率升高，線路負載會增加。有學者驗證得出，滲透率在20%，線路總損耗最小。滲透率在20%以上，線路損耗會不斷增加。線路損耗率與線路損耗變化成正比，線路損耗率表達式為：

此外在諧波污染方面，電站產生的諧波會影響到變壓器、電能質量，諧波電流會增加導線電阻，造成變壓器熱損增加、輸出電能質量變低。

3.2 電網規劃面臨新挑戰

電動汽車充電負荷的曲線峰時會與基礎負載重疊，造成負荷高峰期產生峰谷差。目前電站所實施的電能充電，是把電動汽車電池當做可分散電源在電谷時取電、在電峰時供電，以此抑制電網負荷，避免頻率較大幅度波動?？捎捎陔妱悠嚨臄盗坎粩嘣龆?，此類智能化充電并不能滿足大規模充電行為，故配電容、繼電器、電路等設備均需要更新換代。

3.3 充放電儲能協同調度不合理

首先，調度對象特征不明確，電源側的光伏電源能源分布和地域相關不明確，很難去把握調度對象的規律。負荷側因電動汽車儲能負荷的增加，調度電源跟蹤負荷、電力存儲情況在會逐步出現變化，分布式主動負荷特性不明確；其次是調度體系不適應，集中調度的光伏電源調度依然是傳統電源調度，難以全面監控分布式資源，故分布式資源只可在微網內做局域優化調度；最后，光伏發電的特性差異大，彼此之間有協同性與互補性，電網調度缺乏對這些互補性做有效利用，會限制光伏發電的高效利用[3]。

4 新能源光儲充一體化電站建設關鍵技術存在難點的對策

4.1 有序充電彌補峰谷差

電站為電動汽車充電時會加劇峰谷差，為應對這一問題要考慮到電池放不放電。若不考慮電池放電，有兩種方式，一是要求用戶自行轉移充電時段，在深夜時分充電，但這樣的方式不太現實。二是增加電網調控機制，電動汽車接入電網時正處于用電峰值，那么電池接入之后不會立即充電，而處于斷路狀態。等到電峰值結束后電網解除斷路，開始充電。若考慮電池放電，為保證全電網有平衡的有功功率，減少電網波動，電動汽車供電需滿足相應的條件，這一公式為：

Ptotal(t)=PEV(t)=Ploss(t)+Pfund(t)

式中，Ptotal是輸電網供給總有功功率；PEV是汽車做電源時的額外功率；Ploss是電網損耗功率；Pfund是每天基礎耗電功率。如果嚴控電動汽車的充電行為，能夠有效降低峰值階段功率，提高谷值階段功率。為了解汽車充電負荷對潮流的影響，需通過蒙特卡洛模擬出充電負荷，之后再加入DIgSILENT中電網節點，再以潮流計算公式計算出對應結果。

4.2 濾波器的優化設計

針對諧波污染的問題，可從兩方面加以抑制。一是從諧波源降低諧波含量，二是增加諧波濾除裝置，裝置分成有源濾波裝置、無源濾波裝置、動態電壓恢復器等[4]。以LCL濾波器設計為例，LCL濾波器的優點在于，相同開關頻率的條件下，濾波電感取值有所降低，系統體積也會變小，更便于控制。為抑制LCL濾波器諧振，可在濾波器中加阻抗，以此避開諧振點。而LCL濾波器的優化要考慮到濾波器各個參數對性能造成的影響。由于濾波器總電感磁芯會決定整體的體積、成本，故在滿足逆變器濾波的情況下要讓其電感值達到最小。

4.3 充放電儲能協同調度設計

為保障電站為安全、可靠、經濟，應當綜合利用好電動汽車充放電、儲能功能。在此可通過微電網的能量管理系統對電動汽車基礎信息、運作狀態信息進行采集，像汽車出行時間、起始荷電狀態等。而后再做全局調度，把決策信息傳至V2G控制中心，再由該技術來控制電動汽車充放電。微電網的能量管理系統可以影響到電動汽車充放電，充電負荷和常規負荷均為峰值，可用V2G技術對電動汽車狀態做控制，使其放電。若發電量比需求量要大，應當將電動汽車當做儲能元件，使其保持充電。電動汽車充電時間、充放電功率均由V2G做控制。

5 結束語

光儲充一體化電站將光伏新能源與儲能有效結合，發揮出不同類型儲能特性，延長了儲能電池使用壽命。無論是電動汽車型還是戶用型，應當注意到光儲充一體化電站關鍵技術現狀。本文分析了新能源光儲充一體化電站建設現狀，提出了關鍵技術存在難點及對策，能夠實現電站運營商的收益最大化。