新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充研究設(shè)計(jì)

劉學(xué)鋒　姜艷青　周冬蘭　廖丹　邱長(zhǎng)春

摘 要：隨著電動(dòng)車輛充電需求功率不斷增大，規(guī)模化的電動(dòng)汽車充電可能會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)越限，同時(shí)還可能引起系統(tǒng)峰值負(fù)荷超額等問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)輸電和發(fā)電能力造成很大壓力。將光伏發(fā)電經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)與充電樁相結(jié)合，不僅能緩解電網(wǎng)系統(tǒng)的壓力，而且所建成的光儲(chǔ)充系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中無(wú)環(huán)境和噪聲污染，實(shí)現(xiàn)了清潔能源的利用，也由此實(shí)現(xiàn)了以光養(yǎng)樁，削峰填谷，平抑充電負(fù)荷波動(dòng)，降低電網(wǎng)容量壓力，提高供電可靠性的情況。在提倡綠色環(huán)保、節(jié)能減排，大力發(fā)展新能源的時(shí)代此設(shè)計(jì)方案具備良好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 配電網(wǎng) 光儲(chǔ)充系統(tǒng) 以光養(yǎng)樁 前景

Research and Design of New Energy Electric Vehicle Optical Storage and Charging

Liu Xuefeng，Jiang Yanqing，Zhou Donglan，Liao Dan，Qiu Changchun

Abstract：With the increasing power demand for electric vehicle charging， large-scale electric vehicle charging may cause the operation index of the distribution network to exceed the limit. At the same time， it may also cause problems such as excessive peak load of the system， which in turn will affect the power transmission and generation capacity of the system. The combination of photovoltaic power generation via energy storage system and charging pile can alleviate the pressure on the grid system， and the built solar storage and charging system has no environmental and noise pollution during the power generation process， and realizes the use of clean energy. In order to improve the reliability of power supply， it is possible to use light to maintain piles， cut peaks and fill valleys， stabilize charging load fluctuations， reduce pressure on grid capacity， and improve power supply reliability. In the era of promoting green environmental protection， energy saving and emission reduction， and vigorously developing new energy， this design has a good promotion prospect.

Key words：electric vehicles， power distribution network， photovoltaic storage and charging system， photovoltaic piles， prospects

1 研究意義

開發(fā)利用可再生能源是保證我國(guó)能源供應(yīng)安全和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，大力使用光伏發(fā)電成為戰(zhàn)略替代能源的電力技術(shù)之一，新能源汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車也已成趨勢(shì)。

將光伏發(fā)電與新能源電動(dòng)汽車充電樁相結(jié)合這個(gè)設(shè)計(jì)不僅可完美履行國(guó)家開發(fā)可再生能源與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略，還有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)促進(jìn)新能源電動(dòng)汽車與開發(fā)可再生清潔能源的協(xié)調(diào)發(fā)展起到良好的引領(lǐng)示范作用。

將光伏發(fā)電經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)與充電樁相結(jié)合這一光儲(chǔ)充研究設(shè)計(jì)可以有效緩解配電網(wǎng)容量壓力、用電負(fù)荷低谷時(shí)段儲(chǔ)存電能，在用電負(fù)荷高峰時(shí)段將存儲(chǔ)的電量釋放提升電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 研究背景

電化學(xué)電池已經(jīng)存在了100多年，太陽(yáng)能光伏電池已經(jīng)使用了半個(gè)世紀(jì)。在太陽(yáng)能發(fā)展初期，用戶在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方部署光伏電池板來(lái)為電池充電，這些電池為衛(wèi)星，氣象站和偏遠(yuǎn)房屋等供電。在本世紀(jì)初，人們開始將光伏系統(tǒng)直接連接到電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，光伏和電池儲(chǔ)能已納入新的建筑法規(guī)和安全標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)較為成熟。

截止2019年年底，純電動(dòng)汽車保有量已超過(guò)310萬(wàn)輛，充電樁也已超120萬(wàn)臺(tái)，根據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟發(fā)布數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)車樁比已經(jīng)提升至3.50：1，較2015年的7.84：1已經(jīng)有大幅的提升。其中，車與公樁比為8.25：1。車樁比雖然在不斷提升，但仍遠(yuǎn)低于《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》規(guī)劃的1∶1的指標(biāo)，充電樁仍有較大的建設(shè)空間。

2020年3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)召開會(huì)議，研究當(dāng)前新冠肺炎疫情防控和穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行重點(diǎn)工作，要加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度，其中，新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括特高壓、新能源汽車充電樁、5G基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和城際高速鐵路和城市軌道交通等七大領(lǐng)域。政策出臺(tái)后，新能源充電樁成為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)方向之一。值得注意的是，5G、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等這幾個(gè)“新基建”智能化、信息化技術(shù)板塊，也是充電樁、智能電網(wǎng)、智能交通、新能源汽車融合發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本項(xiàng)目系統(tǒng)主要由光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)四部分構(gòu)成。

3.1.1 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)采用光伏建筑一體化的模式，即光伏陣列與停車場(chǎng)車棚結(jié)合，光伏發(fā)出的電能可用于充電樁供電，也可用于站內(nèi)日常用電，同時(shí)將多余的電能通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存，做到零棄光，當(dāng)然監(jiān)控智能控制系統(tǒng)檢測(cè)到新能源電動(dòng)汽車充電數(shù)量過(guò)多、光伏發(fā)電存儲(chǔ)不足時(shí)，控制系統(tǒng)將會(huì)使用電網(wǎng)電能為充電樁充電。

光伏系統(tǒng)是由光伏組件經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)而成的光伏陣列，太陽(yáng)電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。

3.1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

利用蓄電池組儲(chǔ)能，它是由一些性能大小相同的蓄電池單體通過(guò)串、并聯(lián)的方式組合而成的模組。蓄電池組作為太陽(yáng)能光伏發(fā)電的儲(chǔ)能裝置，其作用是將太陽(yáng)能方陣從太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換來(lái)的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，以供應(yīng)用。這里選用鋰電池，因?yàn)殇囯x子電池具有能量密度高、壽命長(zhǎng)、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛在數(shù)碼便攜產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用，并且正逐步進(jìn)入新能源電動(dòng)車、儲(chǔ)能電站等應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1.3 充電系統(tǒng)

新能源電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)可以采用直流充電、交流充電和更換電池三種模式。

直流充電方式是直接利用直流母線的電作為直流充電樁的電源，通過(guò)充電連接裝置直接給電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池充電。該方式充電電流一般為150-250A，充電速度快花費(fèi)時(shí)間短。

交流充電采用三相交流電為電動(dòng)汽車充電，一般功率在7-35KW之間，從無(wú)電狀態(tài)到充滿所需時(shí)間一般為8-10h。在低功率的交流充電模式下其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)動(dòng)動(dòng)力電池壽命影響和對(duì)電網(wǎng)沖擊都較小，但充電時(shí)間較長(zhǎng)，需長(zhǎng)時(shí)間占用固定停車位。

更換電池充電模式通過(guò)全自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)械設(shè)備，進(jìn)行快速的電池更換實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電能的補(bǔ)給，電池更換時(shí)間一般只需2-10分鐘即可完成。同時(shí)，換電模式下的電池組可以充當(dāng)儲(chǔ)能電池為整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)供電，更好的利用能源。

3.1.4 監(jiān)控系統(tǒng)（含能量管理）

光伏電力監(jiān)控組態(tài)軟件搭建的光伏電站智能監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息共享、交換、傳輸?shù)裙δ埽瑵M足用戶中心數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，監(jiān)控到各單元狀態(tài)以及監(jiān)控光儲(chǔ)充系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)根據(jù)峰谷時(shí)段及用電情況控制能量流動(dòng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線檢測(cè)。

3.2 電網(wǎng)能量智能控制技術(shù)，見圖1

新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充系統(tǒng)中光伏陣列于最大功率跟蹤（MPPT）點(diǎn)輸出直流電能，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備，儲(chǔ)能充電系統(tǒng)處于有功功率-無(wú)功功率（PQ）控制工作狀態(tài)，儲(chǔ)能充電樁可供電動(dòng)汽車充電，多余電能輸入大電網(wǎng)，光伏陣列發(fā)電不足時(shí)有大電網(wǎng)補(bǔ)充，其中最為核心的是控制中心—電網(wǎng)能量智能控制技術(shù)。

電網(wǎng)能量智能控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充系統(tǒng)的監(jiān)視、控制及優(yōu)化運(yùn)行。通過(guò)對(duì)各回路設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制，合理安排新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充系統(tǒng)的啟停、科學(xué)控制儲(chǔ)能充放電。通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充系統(tǒng)中光伏陣列發(fā)電、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)荷的各項(xiàng)電能參數(shù)，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化控制，為系統(tǒng)可靠性運(yùn)行方案設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目主要是利用停車場(chǎng)投資建設(shè)光伏車棚儲(chǔ)能充電樁一體化智能化的電網(wǎng)。新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充系統(tǒng)中光伏發(fā)電經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)后供應(yīng)充電樁，不足部分由大電網(wǎng)補(bǔ)充，多余光伏電量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能系統(tǒng)或輸送到大電網(wǎng)。

建設(shè)光儲(chǔ)充一體化智能新能源電動(dòng)汽車光儲(chǔ)充系統(tǒng)，不僅可以推動(dòng)開發(fā)光伏行業(yè)的發(fā)展，緩解大電網(wǎng)新能源汽車充電樁供電負(fù)荷壓力系，統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提高光伏發(fā)電的質(zhì)量和利用率，還可借助“光儲(chǔ)充”的技術(shù)特性使光伏發(fā)電與大電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷和實(shí)現(xiàn)新能源電動(dòng)汽車充換電時(shí)對(duì)大電網(wǎng)的沖擊。

江西省高等學(xué)校，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。項(xiàng)目編號(hào)：S202012795013。

參考文獻(xiàn)：

[1]田文琦，和敬涵，姜久春，等.電動(dòng)汽車換電站有序充電調(diào)度策 略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（21）：114-119.

[2]孫偉卿，王承民，曾平良，等.基于線性優(yōu)化的電動(dòng)汽車換電站 最優(yōu)充放電策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（1）：21-27.

[3]張帝，姜久春，張維戈，等.基于遺傳算法的電動(dòng)汽車換電站經(jīng) 濟(jì)運(yùn)行[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（8）：2101-2107.

[4]劉玉嬌，蔣傳文，王旭，等.采用隨機(jī)約束和多目標(biāo)算法的電動(dòng) 汽車換電站能量管理[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33（8）：59-63. LIU Yujiao，JIANG.

[5]曾正，趙榮祥，楊歡，等.電動(dòng)汽車高滲透率的應(yīng)對(duì)策略及換電 站的最優(yōu)規(guī)劃[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（9）：7-12.