光儲充電站交直流配電方式能效對比

張 華，周 波，江坷滕，李海波，雷 一

（1.國網(wǎng)四川電科院，成都 610000；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，成都 610213）

近年來，在全球能源危機和環(huán)境污染嚴(yán)重的雙重驅(qū)動下，電動汽車在全球得到快速發(fā)展，預(yù)計到2030年，我國電動汽車占比將達到50%，而充電站規(guī)劃則成為制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題之一[1-2]。為了充分利用土地與可再生能源，部分學(xué)者提出利用光伏、儲能為充電站供能的思路，建立光儲充一體化電站[3-5]，白天利用光伏發(fā)電為充電樁供電，多余電能儲存到儲能中，夜間優(yōu)先通過儲能為充電樁供電，該配電形式顯著提高了可再生能源的利用率和能源綜合利用效率。

光伏、儲能和充電樁均為直流供電，需要采用DC/DC和DC/AC兩級功率變換并入交流電網(wǎng)，損耗環(huán)節(jié)較多，為此部分學(xué)者提出了基于直流供電的光儲充電站[3]，優(yōu)化了光儲充電站并網(wǎng)環(huán)節(jié)的變換器，減少了損耗，但需要在并網(wǎng)線路側(cè)安裝AC/DC裝置，一定程度上增加了損耗。且光儲充電站的光伏出力、負(fù)荷需求均具有較多不確定性，在各種復(fù)雜工況下直流配電形式是否具備更高的能效水平目前仍存在一定爭議[6-7]。因此，亟需要針對光儲充電站的交流與直流配電形式開展全面、客觀、定量的能效評估，為光儲充電站配電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計提供科學(xué)合理的指導(dǎo)。

交流配電網(wǎng)能效評估已經(jīng)得到大量研究，例如，文獻[8]提出的基于層次分析法能效評估指標(biāo)體系；文獻[9]提出的基于量測數(shù)據(jù)的實時能效評估等方法。中電聯(lián)于2015年發(fā)布了《中低壓配電網(wǎng)能效評估導(dǎo)則》[10]，規(guī)定了10（20）kV及以下中低壓配電網(wǎng)能效指標(biāo)計算及評估分析方法，從不同維度定義了多重指標(biāo)，并給出相應(yīng)計算方法。在直流配電網(wǎng)能效評估中，國內(nèi)學(xué)者提出了交直流混合配電網(wǎng)的能效綜合評價方法[11]；計及電力電子變壓器的交直流混合配電網(wǎng)能效評估方法[12]等。國外學(xué)者針對直流配電在民用和商用建筑方面的能效優(yōu)勢開展了定量研究[13-14]，分析表明采用直流配電可提升2%～19%的能效水平，具體提升效果與工況相關(guān)。也有學(xué)者提出通過采用直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)儲能充放電功率的能效管理優(yōu)化算法，提升光伏-混合儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)能效[15]。

然而目前研究多側(cè)重于工商業(yè)、民用和微電網(wǎng)場景下的交直流能效對比，缺少針對光儲充電站采用交、直流配電系統(tǒng)的能效評估指標(biāo)和方法。因此，在同一標(biāo)準(zhǔn)下建立光儲充電站能效評估指標(biāo)及計算方法，有利于對損耗進行主成分分析，挖掘薄弱環(huán)節(jié)并進行改善，同時對于光儲充電站和低壓直流配電系統(tǒng)的規(guī)劃運行具有重要指導(dǎo)意義。

綜上所述，本文首先提出了一種科學(xué)合理的損耗計算方式；綜合考察不同負(fù)荷類型、線路位置、電力電子器件運行狀態(tài)等多種因素，得到交、直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下光儲充電站的功率損耗；考慮光儲充電站源荷特性提出了一種時序能效評估方法，并推導(dǎo)出系統(tǒng)相應(yīng)的傳輸效率。其次，適當(dāng)簡化了基于交、直流配電系統(tǒng)的能效評估方法，從機理上證明了直流配電系統(tǒng)具有更高的能效水平。最后，基于某實際光儲充電站數(shù)據(jù)開展算例分析，結(jié)果表明直流配電系統(tǒng)的能效高于交流配電約10%；隨著可再生能源、儲能和充電負(fù)荷比例的增加，直流配電相比交流配電的能效優(yōu)勢逐漸增加。

1 光儲充一體化電站的能效評估指標(biāo)

目前沒有統(tǒng)一的光儲充電站能效指標(biāo)定義，為了全面客觀反映交流和直流配電形式對光儲充電站的能效影響，本文定義光儲充電站能效為計及變換器和線路損耗下系統(tǒng)的平均傳輸效率，其計算方法為

式中：η為光儲充電站能效指標(biāo)；ED為統(tǒng)計周期內(nèi)負(fù)荷總消耗電量；Eloss,L、Eloss,C分別為統(tǒng)計周期內(nèi)消耗在線路與變換器上的總電量。

基于交流配電和直流配電形式的光儲充一體化電站典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要由電網(wǎng)主線路、光伏發(fā)電、儲能及充電樁4個部分組成。其中，能效評估的邊界涵蓋每1條支路和相應(yīng)的變換器，主線路為來自電網(wǎng)的10 kV交流電；對于交流配電形式，經(jīng)由交流變壓器變?yōu)槿?80 V交流，如圖1（a）所示；對于直流配電形式，還需要經(jīng)過變換器AC/DC變換為±375 V直流，如圖1（b）所示。通過光伏、儲能、充電樁等支路的換流設(shè)備可以看出，在光儲充電站各支路中直流配電系統(tǒng)所需換流環(huán)節(jié)明顯少于交流環(huán)節(jié)，具有更高的傳輸效率。但是直流配電系統(tǒng)主線路需要額外添加整流器AC/DC進行換流，與交流線路相比，增加了一次整流環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)損耗相應(yīng)增加。因此交直流配電系統(tǒng)的整體能效優(yōu)劣性需要進一步的深入研究。

圖1 光儲充電站交直流配電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 AC and DC distribution network topologies of photovoltaic storage charging station

2 光儲充一體化電站能效評估方法

考慮到系統(tǒng)能效水平與光伏出力、充電樁功率及儲能充放電功率直接相關(guān)，采用時序仿真方法對光儲充電站能效水平進行評估，即根據(jù)分布式電源出力、負(fù)荷（充電樁）曲線，逐時進行損耗計算，最終可統(tǒng)計系統(tǒng)在任意時段內(nèi)的平均能效水平。

2.1 系統(tǒng)平均能效評估模型

由圖1可知，光儲充電站由若干支路構(gòu)成，每條支路的能耗計算完成之后，即可得到系統(tǒng)級能耗和能效指標(biāo)。由式（1）可得光儲充電站系統(tǒng)平均能效評估指標(biāo)，即

2.2 支路損耗評估模型

2.2.1 變換器損耗評估模型

根據(jù)變換器工作原理可知，其損耗與通過功率相關(guān)，在變換器損耗評估中同一線路上相鄰的變換器視作一個級聯(lián)變換模塊，該變換模塊的傳輸效率可通過單個變換器的傳輸效率計算，傳輸效率的定義、級聯(lián)變換模塊效率與單個變換器效率之間的關(guān)系可表示為

式中：η1、η2、…、ηn分別為級聯(lián)的變換器1、2、…、n的傳輸效率；n為同一線路上相鄰的變換器數(shù)量；Pin、Pout分別為變換模塊輸入、輸出功率。

對于負(fù)荷支路和儲能充電情況，其功率由電網(wǎng)流向設(shè)備，輸出端功率給定，變換器損耗為P2load；對于光伏支路和儲能放電情況，其功率由設(shè)備端流入電網(wǎng)，輸入端功率給定，變換器損耗為P2grid。P2load、P2grid的計算公式可分別表示為

圖2為常見變換器的實測效率曲線，可以看出變換器效率曲線往往并非理想函數(shù)，難以用某個通用的函數(shù)形式進行擬合。可近似認(rèn)為相鄰兩個測量點之間為線性，采用分段線性化對效率函數(shù)進行建模。假設(shè)變換器的測量功率點分別為P0，P1，…，Pn，對應(yīng)的效率為η0，η1，…，ηn，則對于任意工作點p的效率η(p)可表示為

圖2 各類變換器轉(zhuǎn)換效率Fig.2 Conversion efficiency of various converters

式中：ηk-1為變換器的測量功率點p所在區(qū)間起始點pk-1的效率；ηk為變換器的測量功率點p所在區(qū)間終點pk的效率；η（p）為變換器的測量功率點p的效率。

2.2.2 線路損耗評估模型

本文主要考慮輸電線路上產(chǎn)生的有功損耗，損耗值主要與線路長度、線路阻值及電壓水平相關(guān)，利用等值電路可分別求出交、直流線路損耗為

式中：Pline,AC(t)、Pline,DC(t)分別為交、直流線路損耗；PAC(t)、PDC(t)分別為線路上的功率大小；UAC、UDC分別為交、直流線路額定電壓；RAC、RDC分別為交、直流線路單位阻值；cosφ為功率因數(shù)；L為線路長度。

2.3 系統(tǒng)瞬時能效評估模型

系統(tǒng)能效的評估主要基于各支路能耗評估結(jié)果，根據(jù)設(shè)備端輸入或輸出功率得到并網(wǎng)點（支路與母線連接點）的功率，進而得到主回路（電網(wǎng)供電線路）的功率和對應(yīng)的損耗，其計算流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)損耗計算流程Fig.3 Calculation process of system loss

圖3中，Pd,i(t)為第i條負(fù)荷支路在t時刻的負(fù)荷功率；Ppv,i(t)為第i條光伏支路在t時刻的出力；Pcon,d,i(t)、Pcon,pv,i(t)和Pcon,es,i(t)分別為第i條負(fù)荷、光伏和儲能支路變流器在t時刻損耗的功率；Pline,d,i(t)、Pline,pv,i(t)和Pline,es,i(t)為第i條負(fù)荷、光伏和儲能支路線路在t時刻損耗的功率；PS(t)為并網(wǎng)點出口功率；Pcon,s(t)為并網(wǎng)點出口變流器在t時刻損耗的功率；Pline,s(t)為并網(wǎng)點出口線路t時刻的損耗；Pg,S(t)、Pg,pv,i(t)、Pg,es,i(t)和Pg,d,i(t)分別為主線路、光伏、儲能和充電樁并網(wǎng)點處的實際功率。其計算公式分別為

式中：Nd、Npv和Nes分別為負(fù)荷支路、光伏支路和儲能支路的數(shù)量；Pes+,i(t)為第i條儲能支路在t時刻的充電功率值；Pes-,i(t)為第i條儲能支路在t時刻的放電功率值。

對于交流系統(tǒng)，其主回路功率損耗主要為主變壓器和線路上的功率損耗；對于直流系統(tǒng)，其主回路功率損耗為主變損耗、AC/DC換流器損耗和線路損耗之和。根據(jù)主回路并網(wǎng)點處功率，即可得到交流、直流系統(tǒng)主回路上的功率損耗Ploss,AC,s(t)和Ploss,DC,s(t)，即

計算得到各支路變換器和線路損耗之后，可利用式（2）得到系統(tǒng)在時段內(nèi)的平均效率。上述計算方法對于直流和交流系統(tǒng)均適用，只需具體考慮不同器件的數(shù)量及相應(yīng)的器件效率即可。

3 光儲充電站交直流配電能效對比機理分析

由圖1可知，相比交流配電系統(tǒng)，光儲充電站采用直流配電形式在分布式電源和負(fù)荷支路上損耗較低，但是主回路上損耗增加，所以從定性角度難以判斷交流與直流系統(tǒng)能效水平高低。因此根據(jù)理論計算，采用一定簡化手段，從機理上分析光儲充電站交流、直流配電形式的能效水平差異。

3.1 變換器損耗對比分析

可以看出，雖然直流配電系統(tǒng)增加了主回路側(cè)的AC/DC換流設(shè)備，但是負(fù)荷側(cè)變換器由AC/DC+DC/DC簡化為DC/DC，減少了支路變換器損耗。其次，由于光伏可以向負(fù)荷提供部分電量，負(fù)荷支路的總電量大于主回路側(cè)電量，所以負(fù)荷支路減少的損耗大于主回路增加的損耗。同時，由于分布式電源支路優(yōu)化了并網(wǎng)變換器，進一步降低了支路損耗。因此，直流配電系統(tǒng)變換器環(huán)節(jié)損耗遠低于交流配電系統(tǒng)。

3.2 線路損耗對比分析

根據(jù)線路能效評估模型可知，交、直流配電方案下線路損耗與系統(tǒng)傳輸功率、額定電壓和線路阻抗密切相關(guān)，考慮到設(shè)計對象為同一座光儲充電站，交、直流配電系統(tǒng)傳輸功率一致，則交、直流配電系統(tǒng)線路損耗的比值λ為

式中：UAC、UDC分別取值為380 V、±375 V；cosφ取值為0.9；考慮到直流配電系統(tǒng)沒有交流的趨膚效應(yīng)，等效電阻較小，取交、直流系統(tǒng)電阻比值為1.5。根據(jù)上述取值，可計算得到交、直流配電系統(tǒng)線路損耗比λ約為3.6。即通過相同的線路傳輸功率，交流線路由于無功損耗、趨膚效應(yīng)等原因，其線路損耗約為直流線路損耗的3.6倍。綜上，直流配電系統(tǒng)在變換器和線路上的損耗均低于交流配電系統(tǒng)，因此對于光儲充一體化電站來說，采用直流配電形式具有更高的能效水平。

4 算例分析

4.1 算例系統(tǒng)介紹

以南方某光儲充一體化電站數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，該電站分布式光伏裝機容量為300 kWp；儲能容量為250 kWh，儲能充放電損耗均為5%[16]；配置6臺60 kW直流快速充電樁，共計360 kW，其系統(tǒng)接線如圖4所示。光儲充電站各支路長度及單位長度電阻如表1所示。根據(jù)設(shè)備廠家實測數(shù)據(jù)，算例中用到的變換器效率數(shù)據(jù)見圖2。典型日光伏出力曲線、充電負(fù)荷曲線及儲能充放電曲線如圖5所示。儲能充放電策略按照“谷充峰放”的原則確定，峰谷分時電價如表2所示。

表2 峰谷分時電價Tab.2 Time-of-use electricity price

圖4 光儲充電站交直流接線框圖Fig.4 Block diagram of AC and DC wirings in photovoltaic storage charging station

圖5 典型日充電負(fù)荷曲線Fig.5 Typical daily charging load curve

表1 光儲充電站線路長度及電阻Tab.1 Line length and resistance in photovoltaic storage charging station

4.2 光儲充電站交流與直流配電形式能效對比

根據(jù)本文提出的能效計算方法，可得該光儲充電站在某典型日采用交流和直流配電形式的能效結(jié)果，如表3和圖6所示。其中，P0為負(fù)荷總量；Ploss、η分別為系統(tǒng)總損耗電量和平均能效；Pes為儲能充放電的損耗。無斜線填充的柱狀圖表示交流系統(tǒng)損耗，有斜線填充的柱狀圖表示直流系統(tǒng)損耗，圖6的詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄表A1和表A2。

表A1 直流配電系統(tǒng)典型日損耗統(tǒng)計Tab.A1 Typical daily loss statistics of DC distribution system （kW·h）

表A2 交流配電系統(tǒng)典型日損耗統(tǒng)計Tab.A2 Typical daily loss statistics of AC distribution system （kW·h）

表3 光儲充電站交流與直流能效對比Tab.3 Comparison of energy efficiency of photovoltaic storage charging station between AC and DC modes

圖6 交直流配電系統(tǒng)典型日傳輸效率與功率總損耗Fig.6 Typical daily transmission efficiency and total power loss of AC and DC distribution systems

由仿真結(jié)果可以看出，采用直流配電形式顯著降低了系統(tǒng)總損耗，相比交流配電平均能效提升了7.19%。在典型日的各個時刻中，直流配電形式傳輸效率均高于交流配電形式。由圖5可知，充電站在16：00時負(fù)荷功率最低，線路損耗和變換器損耗所占比例增加，因此交直流配電方案的傳輸效率降低到了50%以下。為了進一步對比交流與直流配電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能耗變化的差異，統(tǒng)計各支路變換器和線路的損耗對比結(jié)果如表4所示。其中，ΔPdc為直流節(jié)約能耗；λs為交直流系統(tǒng)損耗比，并網(wǎng)變換器損耗包括變壓器損耗。

表4 各環(huán)節(jié)損耗對比Tab.4 Comparison of power loss among different links

由表4可知，針對本文提出的光儲充電站，直流系統(tǒng)比交流系統(tǒng)減少的系統(tǒng)損耗高達516.11 kW·h，交流系統(tǒng)總體損耗約為直流系統(tǒng)總體損耗的1.81倍。其中直流配電系統(tǒng)并網(wǎng)線路減少的損耗最明顯，高達3.64倍，主要是因為直流輸電線路沒有電容效應(yīng)和集膚效應(yīng)。雖然交流系統(tǒng)并網(wǎng)變換器損耗低于直流配電系統(tǒng)，但其他各部分損耗均高于直流配電系統(tǒng)。為了對交、直流系統(tǒng)損耗組成和占比進行直觀地分析和對比，圖7分別給出了交、直流系統(tǒng)各部分線路損耗與變換器損耗占比。

由圖7可知，交流配電系統(tǒng)損耗主要在于充電樁變換器，其損耗超過系統(tǒng)總損耗的一半，由于充電樁支路數(shù)量、變換器數(shù)量多及傳輸線路長，因此損耗占比較高；其次為充電樁線路損耗占比約16%；而其他部分損耗占比相近，均不超過10%。在直流配電系統(tǒng)中，損耗占比最大的也是充電樁變換器，約占總損耗的一半；其次是并網(wǎng)變換器損耗占比達到21%，由于直流配電系統(tǒng)需要通過變壓器和整流器實現(xiàn)與電網(wǎng)并網(wǎng)，額外引入了換流器，其通過的功率大，因此損耗也大，與理論分析結(jié)果一致；其余的損耗主要分布在充電樁線路和光伏變換器上，損耗占比分布達到了11%和8%；儲能變換器、光伏線路和并網(wǎng)線路損耗占比均不超過5%。無論交流配電系統(tǒng)還是直流配電系統(tǒng)，儲能線路由于長度短、傳輸小，損耗占比幾乎為0。

圖7 交直流系統(tǒng)損耗對比分析Fig.7 Comparative analysis of AC and DC system losses

4.3 靈敏度分析

為了分析光儲充電站中光伏、儲能和充電樁不同容量配比下，交流、直流配電系統(tǒng)能效水平及兩者之間的差異，本節(jié)主要通過單一變量分析法，分別在不同光伏接入、不同儲能接入和不同充電樁功率接入的工況下，分別分析交、直流系統(tǒng)能效及差異。

4.3.1 光伏接入容量影響

系統(tǒng)配置的光伏額定容量為300 kW，將光伏接入容量從0增加至500 kW，計算得到不同情況下交、直流配電系統(tǒng)能效與分布式光伏接入容量的關(guān)系如圖8（a）所示。由圖8（a）可知，隨著光伏接入容量的增加，直流與交流配電網(wǎng)效率均呈現(xiàn)下降趨勢，但直流配電系統(tǒng)效率依然明顯優(yōu)于交流配電系統(tǒng)，并且其效率差值越來越大，由5.9%增加至7.7%。主要原因是隨著光伏出力的增加，主線路傳輸功率減少，即主線路、變壓器及入口AC/DC換流器的損耗減少，同時光伏換流器和光伏到負(fù)荷線路上增加的損耗多于主線路上減少的損耗，因此總體上呈現(xiàn)遞減的趨勢。

4.3.2 儲能接入容量影響

系統(tǒng)配置的儲能額定容量為250 kW·h，考慮儲能接入容量從0增加至600 kW·h，計算不同情況下交流與直流配電網(wǎng)能效與分布式儲能接入容量的關(guān)系如圖8（b）所示。由圖8（b）可知，隨著儲能接入容量的增加，直流與交流配電網(wǎng)效率均呈現(xiàn)下降趨勢，但直流配電系統(tǒng)效率明顯優(yōu)于交流配電系統(tǒng)，其效率差值隨儲能容量的增加并未顯著增加。主要原因是儲能器件的充放電損耗明顯大于變換器損耗，而儲能線路損耗幾乎可以忽略不計。隨著儲能容量的增加，交直流配電系統(tǒng)儲能充放電損耗同步增加，直流配電系統(tǒng)主要在儲能換流器環(huán)節(jié)損耗始終低于交流系統(tǒng)，因此不同儲能容量下，直流系統(tǒng)傳輸效率始終高于交流系統(tǒng)，但儲能容量的改變并不能顯著提升系統(tǒng)傳輸效率。

圖8 不同光、儲、荷接入容量下交直流系統(tǒng)傳輸效率Fig.8 Transmission efficiency of AC and DC systems under different access capacities of photovoltaic，storage and load

4.3.3 充電功率影響

系統(tǒng)配置的充電樁額定容量為360 kW，考慮充電樁接入容量從0增加至600 kW，計算得到不同情況下交流與直流配電網(wǎng)能效與充電樁接入容量的關(guān)系如圖8（c）所示。由圖8（c）可知，隨著充電樁接入容量增加，直流與交流配電網(wǎng)效率均呈下降趨勢，直流配電系統(tǒng)效率明顯優(yōu)于交流配電系統(tǒng)，其效率差由1.0%增加至10.8%。隨著充電樁容量的增加，并網(wǎng)換流器、并網(wǎng)線路、充電樁換流器及充電樁線路上的損耗均有所增加，因此系統(tǒng)傳輸效率降低。

5 結(jié)論

光儲充電站作為具有發(fā)展前景的充電站模式之一，其能效優(yōu)化和提升對于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系具有重要意義。本文針對光儲充電站交流和直流兩種配電形式，詳細(xì)分析了系統(tǒng)損耗的組成及評估方法，提出了考慮源荷特性的全環(huán)節(jié)時序能效評估指標(biāo)及評估模型；開展了交、直流配電系統(tǒng)能效對比的機理分析，并結(jié)合南方某光儲充電站數(shù)據(jù)以及變換器效率，進行了案例分析，得出了以下結(jié)論。

（1）理論分析證明，光儲充電站交流配電方案的變換器損耗和線路損耗均高于直流配電方案。

（2）光儲充電站典型日負(fù)荷下，直流配電方案能效在各時刻均高于交流配電方案，本文在選取的相關(guān)仿真參數(shù)下，直流配電方案平均能效比交流配電方案平均能效高7.19%。

（3）交流配電方案系統(tǒng)損耗主要集中在充電樁變換器和線路損耗，這兩部分損耗占系統(tǒng)總損耗的71%；直流配電方案損耗主要集中在充電樁變換器和并網(wǎng)變換器的損耗，其損耗占比達到70%。

（4）隨著光伏、儲能和負(fù)荷接入容量的增加，交、直流配電方案傳輸效率均有所下降，但直流比交流配電方案的優(yōu)勢逐漸增加，說明對于可再生能源接入比例越高的光儲充電站，直流配電方案的優(yōu)勢越明顯。