公交光儲充一體化充電站設計

曹軼婷，歐方浩，王建興

（華商三優新能源科技有限公司，北京 通州100100）

1 研究背景

“新基建”是服務于國家長遠發展和“兩個強國”建設戰略需求，以技術、產業驅動，具備集約高效、經濟適用、智能綠色、安全可靠特征的一系列現代化基礎設施體系的總稱。

電動汽車充電服務設施是“新基建”中一大領域，加速推進城市公交、市政環衛等公共領域運輸作業車輛新能源化，加快新能源汽車充電樁在北京建設布局，作為“十四五”產業動力新引擎、助力數字經濟發展、構建智慧和諧社會具有重要意義。

通過汽車充電網的智能高度，完全能夠實現電網的削峰填谷，讓電網更加的柔性化，其中最大的價值在于新能源汽車實現把夜晚低谷的棄風、棄光、棄水的電儲存在汽車里帶到高峰期使用，即解決了上游的新能源供應，又解決了下游的消納。

近年來，黨中央、國務院高度重視新型基礎設施的建設。以“新基建”為牽引，夯實經濟社會高質量發展的“底座”“基石”，對于發動“十四五”產業動力新引擎、助力數字經濟發展、構建智慧和諧社會具有重要意義。

2 光儲充一體化公交充電站建設的必要性

2.1 現有充電站面臨的問題

自2015年至2019年，北京地區共建成公交充電站130余座，總需求容量超過500 MVA，年度總用電量已超3.2億kWh。在項目建設過程中，暴露出3方面痛點問題，急需研究解決。一是公交充電負荷存在短時長、負荷大、頻次多、峰谷顯著等特點，對電網造成大電流沖擊；二是新站選址建設中，局部電網難以支撐30%以上的站點用電需求；三是已建設投運公交充電站中，仍存在約25%的容量缺口，供需滿足率較低，對新能源車的推廣造成一定的掣肘。

2.2 現有充電網絡面臨的挑戰

公交充電站是城市重要的基礎設施，其規劃建設是否合理直接影響到城市交通體系的運行和電動公交產業的發展，大量電動汽車充電基礎網絡建設對既有配電網增加容量的迫切需求，充電負荷的不連續性，大規模無序充電對電網的沖擊和影響也是未來需要解決的問題。

3 光儲充一體化公交充電站的總體設計

擬選用朝陽區東高路和大魯店348 路兩處公交場站作為綜合能源示范試點場站。此兩處場站為滿足充電運營需求，已建設投運260 kWh/站的儲能設備，緩解了部分供電壓力，但仍存有缺口。目前在此儲能充電站的基礎上建設光伏系統和能量監控管理系統，實現并網自動化運行。并通過能量監控管理系統來實現對光伏、儲能和充電設備的智能化管理，采集設備運行數據，進行光伏、儲能能量的優化調度，實現削峰填谷，經濟用電的目標。系統整體設計方案示意如圖1所示。

3.1 光儲充一體化系統架構

3.1.1 智能配電柜

改造配電或儲能系統的交流母線，具備光伏并網條件。

3.1.2 微網監控調度單元

安裝在智能配電柜中，通過以太網或CAN通信接口查詢各部分的狀態信息，控制光伏儲能系統各部分的運行；通過局域網與監控調度中心進行雙向數據交換，接受中心的調度和管理。

3.1.3 電池儲能裝置

包括電池及其管理系統（BMS）、DC/DC 模塊組和DC/AC變流器，電池及變流器容量由所在的光伏儲能系統總體參數確定。由于當前BSC 可采用DC/DC+DC/AC的雙級結構，也可以采用DC/AC的單級結構；動力電池可以采用先串后并的形式也可以采用先并后串的形式。

3.1.4 充電樁

在光伏儲能系統中以特殊負荷的形式出現，在給電動汽車充電時，表現為負荷的特性；當需要利用電動汽車的儲能容量參與運行時，也可以表現為電源的特性。充電樁通過CAN 或以太網與MDU 通信，同時還可以通過多種通信介質與電動汽車交換信息。

圖1 光儲充一體化整體設計方案示意圖

3.2 光伏系統技術方案

分布式光伏發電系統的基本設備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網逆變器、交流配電柜等設備，另外還有供電系統監控裝置和環境監測裝置。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發電系統的太陽能電池組件陣列將太陽能轉換輸出的電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯接電網來調節。

其工作原理為，在光照條件下，太陽電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉換成交流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統還應有限荷保護和防雷裝置，以保護系統設備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統設備的安全使用。

3.3 現狀儲能系統技術方案

現有儲能設備為100 kW/260 kWh，接入單側低壓母線系統中。其主要應對存在少量的容量不足的充電站建設場景，當電網側配變容量不足，儲能系統進行功率補充，滿足充電樁同時工作。

儲能系統包括智能配電、儲能蓄電池組、BMS系統、儲能變流器和儲能監控系統。變流器選型根據儲能最大輸出功率進行選擇。

BMS完成電池組的充放電管理功能，動態監測電池組的電壓，電流，溫度，自動計算SOC（荷電狀態）。

監控主機收集電池儲能單元的運行數據進行備份，顯示電池儲能單元運行的各種信息和數據，供用戶查看和判斷系統運行狀態。

電池采用磷酸鐵鋰電池，電池管理系統提供過充、過放、過流、過溫、短路保護，提供充電過程中的電壓均衡功能，具備系統運行狀態和故障報警顯示，同時能采集所有電池組的信息，通過液晶屏進行參數設置和修改，根據電池狀態調整充放電控制。

儲能變流器設備采用模塊化設計，每個模塊為50 kW，二個模塊并聯組成100 kW儲能變流器。設備拓撲采用三電平設計，相比較于兩電平拓撲，三電平拓撲能夠提高開關頻率、轉換效率和系統穩定性，降低輸出諧波、開關損耗和變流器體積。

對于新建且大量電源容量缺失的公交場站背景下，電源容量的缺口大甚至可以達到總負荷的50%以上時，這種應用場景就對電池和環境管理方面有較高的要求，儲能設備電池也可采用鈦酸鋰電池，其具有高倍率、長壽命的特點，亦可滿足電動公交充電運營多次充放需求，大量減少車輛充電對電網側的需求。

3.4 能源監控管理系統技術方案

整個系統的物理架構分為3 層：應用層、網絡層、感知層。主站系統結構如圖2所示。

圖2 能源監控主站系統結構圖

應用層主要是提供網絡任意端上應用程序之間的接口，實現對負荷數據分析等。

網絡層負責數據透明傳輸，可實現設備運行信息、設備運行控制命令的傳輸，一般包括接入層和核心層。

感知層負責識別、采集整個系統所有設備、傳感器的運行等數據，實現儲能系統、試驗平臺、配網信息、用電信息、無功補償、諧波治理等系統和設備的監視和控制。

4 光儲充一體化充電站建設應用分析

4.1 減少局部配電網接入壓力

充電站通過合理設置光儲系統，充分滿足充電需求，降低局部配電網接入壓力，一方面能夠滿足電動汽車充電的總需求，另一方面能夠適應電網發展能力，保證后期充電設施發展。

4.2 提升電網整體可靠性

充電站配置光伏、儲能并網運行，可實現離網儲能供電，滿足特殊長時間的電力故障搶修要求，大大提高充電站系統整體供電可靠性水平。

4.3 節能高效、清潔環保

通過建設光、儲、充微網能量管理系統，公交充電站能最大化使用清潔能源，踐行綠色出行、低碳用能新發展理念。

4.4 推動智能電網的發展

清潔發展，優先利用新能源，改善能源結構，基于能源網互動優勢，靈活適應各類電源發電上網和用戶多樣化用電需求，實現按需生產和調度。

5 光儲充一體化充電站未來發展探討

目前的充電站建設大多單獨在空地上建設，可在充電站頂棚建光伏，但這樣的建設并不能完全滿足充電站的需求。目前光儲充一體化更適用于商業園、工業園、商用住宅等范圍，在屋頂上建光伏，這樣規模的光伏建設產生的能量足夠滿足充電站的使用，同時可以利用峰谷電價，減少成本。

隨著光伏業的發展，建設成本將會進一步的降低；而儲能電池，可考慮電動汽車退役下來的動力電池梯次利用，節約成本的同時，更高效的利用能源，也使電動汽車動力電池的回收有了新的解決方向，而隨著充電樁規模化的生產，有助于進一步降低建設成本。