儲能系統對充電站可靠性的影響分析

楊晨雨，黃春艷，江浩俠

（廣州市奔流電力科技有限責任公司，廣州 510700）

0 引言

伴隨著“雙碳”目標的提出，國家對于電動汽車的發展以及可再生能源的利用關注度逐漸提升，截至2022年底，我國共有已投運充電樁520 萬臺，其中，公共充電樁180 萬臺；私人充電樁340 萬臺。然而隨著電動汽車的普及和可再生能源的大規模接入，傳統的充電站模式已經面臨一些挑戰［1－2］。

電動汽車的普及不僅減少了石油等傳統能源的消耗，降低環境污染，同時隨著電動汽車保有量的增加，一些問題也隨之出現；由于目前充電站主要采用傳統的電網供電方式，但受電網負載不穩定和可再生能源波動性大等因素影響，充電站的供電穩定性和可靠性存在較大的挑戰，比如，當大量電動汽車在同一時間進行充電時，可能會對電網產生巨大的壓力，甚至可能導致電網的崩潰［3］。

考慮到充電站的可靠性是影響用戶體驗和市場推廣的關鍵因素之一。而儲能系統同時具備能量存儲與釋放的功能，其在削峰填谷，平衡電網負荷中起到關鍵作用，同時考慮到其具備較強的安裝靈活性和運行穩定性；因此引入儲能系統作為充電站的組成部分，對于提高充電站的可靠性具有重要促進作用。

儲能系統是指將能量轉化為其他形式存儲起來，以便在需要時再將其轉化為可使用的能量的系統。根據儲能機理和應用場景的不同，儲能系統主要分為電化學儲能、機械儲能、電磁儲能、化學儲能、冷熱儲能等多種類型。

目前儲能系統應用廣泛，例如電化學儲能廣泛應用于新能源車輛、電力系統儲能等領域，機械儲能主要用于電力系統的調峰和備用電源等，電磁儲能適用于快速充放電和功率補償等場景，化學儲能和冷熱儲能則適用于能源儲備和溫度管理等場景。

在這種背景下，本文提出了儲能系統與充電站相結合的運行模式，旨在利用儲能系統自身的運行特性，提高充電站的運行可靠性。本文首先分析了儲能系統的分類及運行特性，隨后分析了充電站運行可靠性的主要需求及主要影響因素，基于此分析了儲能系統對充電站可靠運行的提升作用。

1 充電站運行可靠性的影響因素

充電站運行可靠性是指充電站在規定的運行條件下，能夠正常、穩定地為電動汽車提供充電服務的能力［4－6］。

影響充電站運行可靠性的因素較多，主要可分為內部因素及外部因素2 類。

1.1 外部影響因素

外部影響因素主要為電網及外部環境等。主要包括以下方面。

（1）電力供應。充電站需要穩定的電力供應來為電動汽車充電。如果電力供應不穩定，充電站可能會出現充電中斷、充電速度慢等問題。

（2）天氣和環境。天氣和環境因素也會影響充電站的可靠運行。例如，高溫、低溫、潮濕、干燥等環境條件可能會對充電設備和電力供應產生影響。

1.2 內部影響因素

內部影響因素主要為充電站自身設備、運維人員及運維網絡以及用戶等。主要包括以下方面。

（1）充電設備。充電站的充電設備，如充電樁、充電槍等，需要定期維護和檢查，以確保其正常運行。如果充電設備出現故障，充電站可能會無法正常工作。

（2）充電網絡。充電站需要與電動汽車和電網進行通信，以確保充電過程的順利進行。如果充電網絡出現故障，充電站可能會無法正常工作。

（3）安全管理。充電站需要進行安全管理，以確保用戶的安全。如果安全管理不當，可能會導致充電站出現安全問題，如火災、觸電等。

（4）維護和維修。充電站需要定期維護和維修，以確保其正常運行。如果維護和維修不當，可能會導致充電站出現故障，影響其可靠運行。

（5）人員素質。充電站的工作人員需要具備一定的專業知識和技能，以確保充電站的正常運行。如果人員素質不高，可能會導致充電站出現問題，影響其可靠運行。

綜上所述，為了確保充電站的可靠運行，需要對多種不同因素進行綜合考慮和管理。

2 儲能系統適配性分析

2.1 儲能系統運行特點分析

儲能發電系統自身可實現能量延遲釋放的特性，可以根據需求進行靈活的能量存儲和釋放，以滿足用戶的用電需求［7］。當儲能系統運用于充電站中時，其具備以下運行特點。

（1）提高電力可靠性：儲能系統可以作為備用電源，當電網故障或停電時，可以迅速切換到儲能系統供電，提高充電站的電力可靠性。

（2）減少電力系統的峰值負荷：通過儲能系統的峰谷電價機制，充電站可以在電價較低的谷時段儲存電能，從而減少電力系統的峰值負荷。這對于降低電力系統對充電站的影響具有有益影響，同時可以減少用戶的電費支出。

（3）提高電力系統運行效率：儲能系統可以快速響應負荷需求，實現對充電負荷的快速調整，從而提高充電站的運行效率［8－9］。

總之，儲能系統在、提高電力可靠性、減少電力系統、峰值負荷降低電費等方面對用戶具有積極影響。但同樣的，在實際應用中，儲能系統往往存在一定的投資運維方面的成本需求。

2.2 適用于充電站的儲能系統分析

考慮到目前充電站多位于現有停車場內，且在可預見的未來一段時間內，充電站多以類似于停車場的型式存在，因此在選擇儲能系統時，在考慮其可靠性以外，還需考慮充電站對于空間的限制［10－12］。

基于現有發展較為成熟的儲能系統分析，目前具有較高可靠性，且滿足小型化需求的儲能系統主要包含電池儲能、飛輪儲能及超級電容器儲能。

2.2.1 電池儲能適配性分析

電池儲能是一種通過將電能轉化為化學能，并在需要時將化學能轉化回電能的儲能技術。由于鋰離子電池自身具有較高的能量密度及相對較高的運行穩定性，目前是應用最為廣泛的一款電池類型［13］。

鋰離子電池儲能優點如下。

（1）能量密度高。鋰離子電池的能量密度高，其體積能量密度和質量能量密度分別可達450 W／dm3和150 W／hg，可滿足充電站負荷波動性較大需求。

（2）平均輸出電壓高。鋰離子電池的平均輸出電壓約為3.6 V，是Ni－Cd、Ni－l電池的3 倍，可滿足充電站對于充電電壓穩定性的需求。

（3）可快速充放電。鋰離子電池可以快速充放電，1 C充電時容量可達標稱容量的80%以上?？蓾M足充電站瞬時負荷激增的需求。

（4）容量衰減慢。鋰離子電池的使用壽命長，100% DOD 充放電可達900 次以上；當采用淺深度（30%DOD）充放電時，循環次數可超過了5 000 次；且鋰離子電池的自放電小，每月自放電在10%以下，不到Ni－Cd、Ni－Mh電池的一半，且不存在相同的記憶效應，循環性能優越。

（5）工作環境適配性高。鋰離子電池的工作溫度范圍寬，為－30 ℃～45 ℃。適配絕大多數充電樁運行環境條件。

鋰離子電池儲能缺點如下。

（1）運維成本高。鋰離子電池的成本相對較高，主要原因為正極材料LiC002 的價格較高，但隨著正極技術的不斷發展，有望采用LiMn204、LiFeP04 等為正極，從而大大降低鋰離子電池的成本。

（2）保護電路要求較高。鋰離子電池必須有特殊的保護電路，以防止過充或過放。

（3）環境污染問題。鋰離子電池退役后存在一定的環境污染問題，需采取針對性回收處理手段。

綜上可知，鋰離子儲能可滿足充電站對儲能系統低衰減、高能量密度、適應性強等要求，但同時存在一定的運維成本及環境污染問題。

2.2.2 飛輪儲能適配性分析

飛輪儲能系統是一種通過將飛輪加速到非常高的速度并將系統中的能量保存為轉子的旋轉能量的能量存儲技術［14］。

飛輪儲能優點如下。

（1）長壽命：飛輪儲能系統使用壽命通常在15～30年之間，是目前所有儲能技術中壽命最長的技術之一，可減少系統維護對充電站使用效率的影響。

（2）輸入／輸出功率高：飛輪儲能可承受數十甚至數百千瓦的輸入／輸出功率，且其能量轉換效率高達90%；能夠快速充放電，響應速度同樣在毫秒級?？蓪崿F充電站的快速充放電需求。

（3）功率密度相對較高：飛輪儲能系統的功率密度在數十千瓦／千克（kW／kg）及以上。滿足充電站對于占用空間限制的條件。

飛輪儲能缺點如下。

（1）機械應力較大。飛輪儲能系統在高速旋轉時，會產生較大的機械應力，且可能導致機械疲勞損傷和破裂。

（2）放電時間短。飛輪儲能系統的放電時間相對較短，目前技術水平僅可維持數秒或數分鐘的穩定持續放點。無法提供長時間的持續電力。

綜上可知，飛輪儲能可滿足充電站高能量密度、快速充放電等要求，但其同樣存在放電時間短的問題。

2.2.3 超級電容器儲能適配性分析

超級電容是一種具有高儲能密度和快速充放電能力的新型儲能電容器。它介于傳統電容器和充電電池之間，兼具化學電池儲備電荷能力和傳統電容器的高放電功率特點［15］。

超級電容器儲能優點如下。

（1）循環次數多。超級電容器儲能可以進行數百萬次的循環充放電，壽命較長。滿足充電站反復充放電需求。

（2）充放電響應速度快。超級電容器儲能的充放電時間在秒級，響應速度快，滿足充電站對于快速充放電的需求。

（3）能量轉換效率高。超級電容器儲能的能量轉換效率高達80%～90%?？蓽p少能量浪費。

（4）維護需求低。超級電容器儲能內部無旋轉部件，降低了故障率，不需要特別的維護?？捎行ПＷC充電站的使用效率。

（5）環境適應性高。超級電容器儲能在－40 ℃～＋60 ℃的溫度范圍內均可正常工作，且對環境友好。有效滿足絕大多數充電站的運行環境要求。

超級電容器儲能缺點如下。

（1）電介質耐壓低。超級電容器的電介質耐壓較低，一般僅有幾伏，限制了儲能水平。

（2）能量密度低。超級電容器儲能的單位體積能量密度相對較低，在當前技術條件下，由碳納米管石墨烯制成的超級電容電極能量密度約為155 W·h／kg。無法與鋰離子電池儲能等其他類型儲能相比。

（3）投資成本高。超級電容器儲能的建設成本較高，可能限制其在一些充電站中的應用。

（4）自放電率較高。超級電容器儲能自放電率大概在幾毫安／小時到幾十毫安／小時不等，可能導致能量損失相對較高。

綜上可知，超級電容器儲能可滿足充電站對于頻繁充放電及充電效率的要求，但其同樣具有成本高、能量密度低且自放電率較高的缺點。

結合前文對現有可實現小型化的儲能系統優缺點的分析，結合充電站對于儲能系統能量密度高、衰減率低、安全穩定的要求，本文建議采用鋰離子電池儲能作為儲能系統的主要儲能方式。

3 儲能系統對充電站運行可靠性的影響分析

由前文分析可知，結合儲能系統的運行特點，其可有效提升充電站的可靠運行。

3.1 儲能系統在充電站中的應用方式

當儲能系統與充電站實現協同運行是，其可為充電站提供多種輔助功能［16－18］。

（1）作為備用電源

在電網故障或電力中斷時，儲能系統可以作為備用電源為充電站提供緊急電力供應，保障充電站的正常運行。

（2）負荷調節

儲能系統可以在充電站負荷高峰時吸收多余的電力，在負荷低谷時釋放儲存的電力，從而平衡充電站的負荷，提高電網的穩定性。

（3）電能質量優化

儲能系統可以通過監測電力質量并優化電力調度，提高電力供應的穩定性和電能質量。

（4）節能減排

儲能系統可以利用夜間低谷電價進行充電，在白天高峰時段為充電站提供電力，從而降低充電站的電力成本，實現節能減排的目的。

3.2 儲能系統對充電站電力供應的穩定性的影響

儲能系統對充電站電力供應穩定性的影響是多方面的。首先，儲能系統可以通過充電和放電來平衡充電站的電力需求和供應，從而減少充電站對電網的依賴，提高電力供應的穩定性。其次，儲能系統可以作為備用電源，在電網故障或電力供應中斷時為充電站提供緊急電力供應，保障充電站的正常運行。此外，儲能系統還可以通過監測電力質量和優化電力調度來提高電力供應的穩定性［19－20］。

3.3 儲能系統對充電站負荷調節的作用

同時儲能系統可以通過負荷調節來提高充電站的可靠性。在充電站中，儲能系統可以在充電高峰時段吸收多余的電力，并在低谷時段釋放儲存的電力，從而平衡充電站的負荷。這樣可以減少充電站對電網的沖擊，提高電網的穩定性。此外，儲能系統還可以通過智能控制算法來預測負荷變化，并自動調整儲能系統的充放電狀態，以更好地適應負荷的變化。這樣可以進一步提高充電站的可靠性［21］。

3.4 儲能系統對充電站運營成本的影響

儲能系統對充電站運營成本的影響主要體現在以下幾個方面。首先，儲能系統可以利用夜間低谷電價進行充電，在白天高峰時段為充電站提供電力，從而降低充電站的電力成本。其次，儲能系統可以減少充電站對電網的負荷，降低電網的運營成本，同時也可以減少充電站的維護成本。此外，儲能系統還可以提高充電站的可靠性，減少因故障導致的停機時間和維修成本。綜合來看，儲能系統可以顯著降低充電站的運營成本，提高充電站的經濟效益。

3.5 儲能系統對充電站可靠性的提升作用

儲能系統對充電站可靠性的提升作用主要體現在以下幾個方面。首先，儲能系統可以作為備用電源，在電網故障或電力中斷時為充電站提供緊急電力供應，保障充電站的正常運行。其次，儲能系統可以通過智能控制算法來預測負荷變化，并自動調整儲能系統的充放電狀態，以更好地適應負荷的變化，從而降低充電站的故障率。此外，儲能系統還可以通過監測電力質量和優化電力調度來提高電力供應的穩定性，從而降低充電站的故障率。綜合來看，儲能系統可以顯著提高充電站的可靠性，為充電站的可靠運行提供保障［22－25］。

4 案例說明

以某商場充電站為例，該充電站位某于大型商業綜合體的停車場內，共有快充樁10 臺，均為公共充電樁，其供電電源與商場采用同一專變，充電用戶以前往商場購物的客戶為主，充電站充電負荷曲線如圖1 所示。由圖可知，該充電站的負荷在9：00—11：00 存在一個較快的負荷激增階段，在11：00—15：00 為負荷高峰期，15：00—18：00 存在一個較快的負荷驟降階段，后在19：00—19：30，及21：15—21：50 存在兩個較為明顯的負荷高峰期。結合該商場日常營業時長及客流量統計數據，可知本充電站的充電用戶主要為商場購物及消費群體，進而使得充電站負荷高峰期與日常商場高峰期重疊，對電力系統供電穩定性產生較大壓力。

圖1 充電負荷曲線

圖2 所示為該商場充電站在未配套儲能裝置時的充電站供電入口處1 天的電壓運行曲線，由曲線可知，充電站入口處電壓在負荷高峰期時存在明顯的電壓下降現象，且電壓已下降至電壓運行下限，存在較高的穩定運行風險。

圖2 未安裝儲能系統的充電站電壓曲線

基于前文分析，在該充電站新裝儲能系統在負荷低谷時儲存電能，在負荷高峰時釋放電能，可有效緩解電網壓力，同時可有效提升充電樁的運行可靠性。

基于該充電站的歷史運行數據，商場在該充電站旁配套了一個0.94 MW的集裝箱儲能項目；待項目建成投產后，獲取該充電站供電入口處1 天的電壓運行曲線如圖3 所示。由圖可知，當在原充電站系統中添加儲能系統后，充電站供電入口處電壓存在明顯的好轉現象，不僅緩解了充電負荷高峰與商場負荷高峰重疊帶來的供電可靠性隱患，同時有效解決了充電站電壓存在越下限危險的問題。實現了降低充電站的電壓波動同時，提升充電站的可靠運行的目的。

圖3 安裝儲能系統的充電站電壓曲線

5 結束語

綜上可知，將儲能系統與充電站協同運行后，利用儲能系統延時放電的特性，實現了充電負荷與傳統負荷的錯峰用電，在保證不同負荷正常用電的同時，提升了充電站的運行可靠性，緩解了電網供電壓力的同時，仍然滿足充電用戶對于電能的需求。

本文提出了一種儲能系統與充電站協同運行的方案，用于提升充電站的運行可靠性。首先分析了外部環境及充電樁內部自身設備等多種會對充電站運行可靠性產生影響的因素；隨后分析了儲能系統自身的運行特性，并針對充電站提出適配性較高的儲能系統方案；接著分析了儲能系統在充電站中起到的有益作用，并具體分析了儲能系統對充電站可靠運行的有益影響；最后利用具體案例說明了儲能系統在充電站中的積極作用。

然而，儲能系統在充電站中的應用也面臨一些挑戰和限制。如建設成本較高、技術不成熟以及安全風險等問題需要得到更好的解決。因此，進一步研究將重點關注儲能系統的便捷高效接入充電站的方式方法。