光儲充檢放一體化充電站在配電網中的應用

梁欽賜

（國網福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000）

0 引言

為了緩解環境污染和能源危機等問題，電動汽車和分布式的能源得到了迅速發展和社會的普遍認可。這些分布式的能源，特別是光伏發電向配電網內并入，具有很強的隨機性，并且會對配電網電能的質量、諧波以及潮流等造成一定的影響。此外，電動汽車充電站的建設對配電網也會產生一定沖擊，為了避免或減輕該類情況對配電網產生的不良影響，需要對光儲充檢放一體化充電站加強研究。

1 光儲充檢放一體化充電站原理

將光伏發電接入配電網時，會使配電網潮流分布產生變化，從而對配電網內的電壓產生影響。導致光伏發電系統出現諧波污染的主要是逆變器，向配電網內注入諧波時，會導致沿線電壓發生畸變現象。電動汽車充電站對配電網產生影響的主要原因有以下2個方面。1） 電動汽車的充電時間出現疊加、或在負荷高峰的時段充電都會加劇配電網的負擔。2） 由于充電設施是非線性負載，在充電時會產生較多諧波，因此該種情況和光伏發電一樣都會對配電網產生影響。光儲充檢放一體化充電站，能有效解決此類問題[1]。

在光儲充檢放一體化充電站中，儲能系統能夠按照實際情況對光伏發電和電動汽車的充電需求進行分析，緩解配電網的壓力。當充電站的負荷處在高峰期時，可以釋放電能對電動汽車進行供電，并且對光伏發電的富余電量進行存儲，實現輸出電網功率的峰值和提升整體的供電性能。同時，儲能系統還能對光伏發電、供電的特性進行改善，降低電動汽車在充電中配電網內負荷的波動，實現穩定電壓、改善相角和有源濾波的效果。除此之外，充電系統主要是為電動汽車提供充電的基礎條件，借助充電接口為電動汽車提供充電服務，實現對電動汽車進行穩定且快捷的充電功能；檢測系統主要是實現快速地檢測新能源汽車的電池，為車主提供電池檢測的報告和風險預警等，確保電池的安全、可靠，延長電池的壽命。

2 光儲充檢放一體化充電站在配電網中的應用方案

以某市專區為例，計劃建立1座能夠集“發、充、儲、檢、放”交直流混合供電的充電站，并對其光儲充檢放一體化充電站應用進行分析[2]。在該項目內，光儲充檢放的一體化主要包括整流器設施、光伏充電系統、供配電的系統、群控充電的系統、電能儲能的系統、單元監控系統以及展示系統。其中，實現以直流母線為基礎的多端式互聯裝置，包括0.4 kV/1000 kVA的交流電源2路進線、100 kW的光伏1路接口、500 kW的儲能1路接口、120 kW的新型充電機10路接口以及60 kW的常規型充電機10路接口。

3 光儲充檢放一體化充電站在配電網中的應用分析

3.1 供配電的系統

在該項目中，設置了1臺MNS的低壓交流式配電柜，并且為雙路電源的進線，進行2回路1000 A的斷路器配置，分別和2臺500 kW的整流器連接；預留10回路100 A的斷路器，并且分別和10臺交流式充電樁連接，配置1回路40 A的斷路器，并且提供了20 kVA的站用式電源。另外，還設置了1臺直流式配電柜，并且配置10 回路250 A的斷路器，與10臺120 kW的充電機分別連接；配置150 A的斷路器，并和100 kW的光伏式變流器連接；配置800 A的斷路器，并和500 kW的儲能式變流器連接[3]。

3.2 整流器

圖1是整流器的原理框圖。對整流器按照模塊化理念設計，借助隔離式變壓器向交流電網接入，使直流母線和交流電網實現電氣的隔離，在交流側以5個100 kW的雙向式AC/DC的變流器相應模塊實施并聯。在整流器中，主要包括隔離的變壓器、變流器的模塊、配電的單元和控制單元等。其中集中控制的單元對5個雙向式AC/DC的變流器相應模塊載波實現同步。

圖1 整流器的原理框圖

雙向式AC/DC的變流器相關模塊以通用平臺模塊化理念實施設計，其主電路選擇“1”式三電平的逆變拓撲類型，交流側選擇LCL的濾波器，在直流側進行CL的濾波器設計來減少電流和電壓的紋波。“1”式三電頻的變流器在充電時，將網側的交流電整流為直流電，對儲能的電池和電動汽車實施充電；在向電網進行放電時，會將直流電逆變為交流向電網回饋，在滿載的條件下充電模式與放電模式間轉換可以在100 ms內完成[4]。

集中式整流器主要由整流器柜和變壓器柜共同構成。變流器柜由2個柜體組合而成，單柜的寬深高分別是600 mm、800 mm和2160 mm。將每5只AC/DC的模塊、5個支路的直流端子在1面的柜體安裝，將集中式控制器和配電單元及其他附件在另外柜體內安裝。此變壓器柜是單面的柜體，其寬深高分別為1500 mm、1200 mm和2160 mm。

3.3 充電系統

充電系統主要包括DC/DC的充電相應模塊、分配功率的控制器、充電的單元、對充電能量的控制器以及保護性電器等部分。

該方案的充電系統通過集中式整流器提供DC800 V的直流電。使用1臺標準式500 kW整流單元的輸出能夠和5個120 kW的電單元相接，每1個充電的單元和1路充電的終端輸入對應，并且直流變換的充電模塊按照電壓平臺可以分作200 V～750 V、500 V～1000 V的2種類型，可以對近期和遠期車輛的充電平臺的需求。各個充電單元由4個30 kW的直流轉換充電的模塊以并聯方式組成，從而實現對200 V～750 V的輸出電壓范圍進行調節、以及對500 V～750 V范圍內恒功率的輸出進行有效控制。該系統主要采取直流母線的拓撲形式方案，分作前后兩級功率轉變。在前級部分AC/DC的單元中，選擇集中式的PWM（脈沖寬度的調制）整流器，把380 V的交流電轉變成具有穩定性的±0.4 kV直流電，從而向直流母線實施供電；在后級部分DC/DC的單元中，選擇高頻隔離的變換器，把±0.4 kV的直流電轉換為電動汽車蓄電池在充電中所需200 V～750 V和500 V～1000 V的交流電，并按照車輛充電的需求和整流負荷的控制的具體要求，將最大安全的負荷作為約束性條件，對多路充電接口內輸出的功率實施動態分配，達到有序充電的目的。這樣不僅能夠確保用戶充電的需求，而且能夠使集群充電的負荷控制處于整流配電的容量安全范圍內。借助直流母線向光伏發電的間歇電源、儲能電池的系統、整流負荷與充電負荷等接入，實現協同操作的目的。另外，系統按照采集的用戶、車輛以及電網等信息，結合車聯網的平臺內峰谷用電的調控指令信息，能夠對充電負荷以及常規負荷的用電周期和時段進行平衡調節，對用電的高峰期的充電負荷進行限制，防止出現峰上加峰的情況，保證電網的安全性。

充電計費的控制主要包括2類模式。1） 以集中計費的控制方案為基礎，群控充電的單元內多個充電終端使用同一計費控制的單元。在充電終端沒有操作的界面，則用戶借助e充電的App，對充電終端所固定的二維碼掃描就能夠完成充電的支付。2） 以獨立計費的控制方案為基礎，對群控充電的單元內每個充電的終端都進行1個計費的控制單元設置，且具有CPU卡的讀卡器、用戶操作的屏幕，其充電不僅滿足充電卡的支付，而且用戶可以使用e充電的App，通過動態的二維碼完成用戶賬號的支付等功能。該集群控制的充電系統借助計費控制的單元和車聯網的平臺接入，對充電設備的狀態信息、充電監控和交易的數據實施上傳，并對平臺的交互指令進行接收[5]。

3.4 儲能系統和放電

該儲能系統包括500 kW的PCS（儲能的變流器）1套、電池的管理系統、電池箱和電池架等部分。在該方案中，選用磷酸鐵鋰的電池，單體是3.2 V/50 Ah的規格，并且每簇電池在簇成組中是6并聯216串聯動的方式，額定的電壓是691.2 V，其單簇的電池組的電壓范圍在540 V～777.6 V。在該方案中，儲能系統共有5簇，并且每簇有216串，采取300 Ah單體的電池，一共需要180塊300 Ah容量電池的單元，該電池標稱達到1036. 8 MWh的總容量。對儲能的變流器，按照模塊化理念設計，使用一級變換的拓撲，使用5個100 kW的雙向式DC/DC變流器的模塊，在直流側分作5支路，并且每個支路和1簇電池連接，電池的電壓為500 V～780 V。

當儲能裝置處在放電的模式時，兩雙向變換電路Buck、Boost均在Boost的工作模式下工作。2個儲能裝置都采取恒壓限流放電的方式。在其放電的過程中，對它們端電壓的大小實時監測，避免儲能裝置出現過放。對儲能裝置放電的控制通過雙閉環的控制策略實現。通過對外環的電壓環的控制實現穩定母線電壓，通過對電流內環的控制確保系統響應的速度且防止出現過放。如果發生負載的突變現象，由于超級電容的響應速度十分快，那么利用它進行較大電流的輸出，蓄電池借助限幅器對較小電流輸出。

3.5 電池檢測系統

在電池檢測的單元中，對12只單體內電池的電壓和溫度等相關信息進行檢測，每簇電池內包括18個電池檢測的單元；在每簇電池內，1個電池組的管理系統和18個電池檢測的單元進行通信，實現對電池組的實時性監控；每5簇電池和一電池系統的管理單元對應，并且分別與BCMU（電池組的管理系統）借助RS485實施通信，1個BAMS和5個BCMU進行通信，以1路的CAN設備和儲能的變流器實現通信，1路的以太網和網絡的交換機實現通信。

3.6 光伏系統

在該項目中，100 kW的光伏系統和儲能系統以及充電系統共同組成光儲充電站，所發的電能參與到能量的調度中，從而充分發揮光伏發電站的作用。光伏系統包括光伏的組件、電纜、支架和光伏的逆變器等，設備都在站內的屋頂安裝，并從光伏的逆變器以及其交流側接入配電柜[6]。

該光伏系統的容量是100 kWp，選擇265 Wp的光伏組件且用23塊組件串聯為1路，一共16路，直接接入到光伏的逆變器其直流的輸入側區域，光伏的逆變器選擇2臺50 kW的變流器，其光伏的組件選用265 Wp的多晶硅式光伏的組件，呈現高功率的輸出和優異性弱光發電的性能特點。

3.7 監控系統

該系統具有完善的電池管理的功能、豐富的外部通信的接口，能夠實現對光伏的系統、儲能的系統以及充電的系統等設備運行的狀態實時化監控，涉及對儲能的電站中電池的單體部分、電池的模組部分、電池簇和電池堆等信息的實時化采集、監視、智能化維護、管理優化以及信息查詢等。在界面設計中，主接線圖主要對儲能公共的快充站內主要設備電氣聯系和各點實時化信息進行顯示，涉及有功和無功的功率、電壓、電流、頻率和各開關分合的狀態等；并在儲電站的綜合監視和統計界面中，顯示了儲能系統內電氣聯系和運行的信息、充放電的實時性功率等；儲能系統 PCS 的運行監控顯示了PCS的運行數據信息，包括子單元的有功和無功功率、SOC等信息；在對電池簇、電池堆和運行監視的界面中，顯示了各電池簇實際運行的信息，包括電壓、電流和溫度等信息；在對電池單體的運行監視中，顯示了各電池的單體運行的信息，包括狀態、溫度和電壓等；在對通信狀態的監視中，顯示了各設備通信的網絡聯系和通信狀態等信息。該項目內有100 kW的光伏系統部分，增加了1套對光伏功率的預測性系統。該系統預先在一定的時間段內對光伏的發電站有功功率進行分析與預報，并且借助光伏系統發電預測的模型，對未來的15 min～4 h時間段內發電的功率、未來72 h時間內發電的功率等進行預測。

3.8 展示系統

為了體現儲能、光伏和充電機等運行的情況以及效果進行體現，將通過大屏幕形式對其進行展示。該系統展示的內容包括總體展示的內容和針對性顯示的內容。總體展示的內容包括系統安全性運行的小時數、節能的CO2、光伏的發電量、系統的拓撲圖和電動汽車的服務次數與售電電量等。針對性顯示的內容包括光伏發電中的曲線、運行的狀態和總發電量等；儲能系統中充放電的曲線、運行的狀態和總充放的電量等；充電樁中充電的電度量具體曲線、收益、服務的車次和狀態等。該系統在儲能站配電的綜合樓中的樓會客廳安裝，通過LED的顯示屏進行展示。

4 結語

綜上所述，光儲充檢放一體化充電站為電動汽車的使用提供了全面、有效的服務，對其在配電網中的應用進行研究，希望對相關項目建設提供幫助。由于該技術具有巨大的發展前景，因此需要對該技術進行不斷研究。