新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究分析

許 立，紀(jì)錦超，馮桂賢

(1.西安領(lǐng)充創(chuàng)享新能源科技有限公司， 西安 710000；2.深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司 西安分公司， 西安 710000)

0 引 言

新能源指的是非常規(guī)能源，除傳統(tǒng)能源以外的各類能源，比如太陽(yáng)能、海洋能、風(fēng)能、地?zé)崮艿取Ｎ覈?guó)目前正大力支持發(fā)展新能源，但新能源發(fā)電不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行有著較大的安全隱患。光儲(chǔ)充一體化電站能夠利用電池儲(chǔ)能吸收負(fù)荷低谷期間電能，支撐負(fù)荷高峰期間用電，從而平衡電站負(fù)荷峰谷差，實(shí)現(xiàn)有效地運(yùn)行，優(yōu)化當(dāng)前的配電網(wǎng)絡(luò)。

1 新能源光儲(chǔ)充一體化電站概述

1.1 電動(dòng)汽車型光儲(chǔ)充一體化電站

這一類型的充電設(shè)施是能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車充電的專屬設(shè)備，分為交流充電樁和直流充電樁這兩種。交流充電樁用于交流電源充電，多是3、5和7 kW這類的小功率，優(yōu)點(diǎn)是易安裝、體積小、適用性強(qiáng)，缺點(diǎn)是充電速度偏慢，多安設(shè)在商場(chǎng)、居民小區(qū)等區(qū)域。直流充電樁用于直流電源充電，功率多是60、120 kW，優(yōu)點(diǎn)是充電速度快，缺點(diǎn)是相關(guān)設(shè)備多、占地面積大。

隨著新能源的應(yīng)用范圍不斷變廣，光伏發(fā)電成為了光儲(chǔ)充一體化電站的主要能量來(lái)源。太陽(yáng)能是清潔、綠色能源，光伏組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝、組裝時(shí)間短，充電站進(jìn)行儲(chǔ)能可有效緩解光伏輸出的波動(dòng)頻率。整個(gè)電站結(jié)構(gòu)包括控制中心、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁、配電網(wǎng)等。

在電站結(jié)構(gòu)中，控制中心用于監(jiān)測(cè)控制電站內(nèi)的各類設(shè)備，協(xié)助電站各單位有序運(yùn)行；光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)光伏陣列對(duì)太陽(yáng)能做能量轉(zhuǎn)換，形成電力；儲(chǔ)能系統(tǒng)是儲(chǔ)能電池組，既可以存儲(chǔ)能量也能夠平衡功率，能夠配合光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電；充電樁有交流、直流這兩類，像高速公路上的電動(dòng)汽車充電樁則用的是直流電；配電網(wǎng)變流模塊會(huì)與交流配網(wǎng)、充電系統(tǒng)連接，依據(jù)電站設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，交流電接入系統(tǒng)之前需要通過(guò)變流模塊做轉(zhuǎn)換才可充電。

1.2 戶用型光儲(chǔ)充一體化電站

戶用型光儲(chǔ)充一體化電站的發(fā)電靈活、方便，能夠自發(fā)自用，可在住宅區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校廣泛應(yīng)用。在2019年新政討論會(huì)中提到，戶用補(bǔ)貼指標(biāo)為3 GW，補(bǔ)貼額度是0.18元/kWh。我國(guó)浙江省就提到了“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃，在全省的100多萬(wàn)戶家庭的屋頂安裝光伏，2020年的戶用總裝機(jī)在6 GW的規(guī)模。

戶用型光儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分成三類，分別是直流結(jié)構(gòu)、交流結(jié)構(gòu)及交直流結(jié)構(gòu)。直流結(jié)構(gòu)的第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是單母線結(jié)構(gòu)，用變換器連接不同負(fù)荷單元，結(jié)構(gòu)電壓等級(jí)固定。第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是雙母線結(jié)構(gòu)，把母線分成不同電壓等級(jí)。第三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是冗余式母線結(jié)構(gòu)，用直流母線當(dāng)做備用母線；交流結(jié)構(gòu)的第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，交流母線是電網(wǎng)經(jīng)過(guò)變壓器形成，有大量轉(zhuǎn)換，電能損耗大。第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，交流母線是光伏產(chǎn)生，儲(chǔ)能通過(guò)變換器連接交流母線，電網(wǎng)由變壓器與儲(chǔ)能相連；交直流結(jié)構(gòu)的第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是交流、直流由兩個(gè)母線經(jīng)過(guò)變流器連接，利于單獨(dú)控制。第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在直流側(cè)加電網(wǎng)，穩(wěn)定性高，可不具備直流側(cè)加入負(fù)荷要求。第三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有雙層直流母線，應(yīng)用場(chǎng)景多但控制難度大。

圖1 戶用型光儲(chǔ)充一體化電站結(jié)構(gòu)

戶用型需配備合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)才可有力保障光伏能量的利用率，如果儲(chǔ)能電池容量偏小，光伏發(fā)電的能量則很難得到存儲(chǔ)、利用，故在光伏儲(chǔ)能配置上主要考慮到光伏容量，基于光伏容量做儲(chǔ)能電池組容量的配置。家庭用電負(fù)荷有兩種，分別是剛性負(fù)荷、柔性負(fù)荷，像冰箱、電腦便屬于剛性負(fù)荷，吹風(fēng)機(jī)、洗衣機(jī)屬于柔性負(fù)荷。在此可依據(jù)戶用型負(fù)荷實(shí)際情況、當(dāng)?shù)貎?chǔ)能容量、光伏日發(fā)電情況對(duì)特定負(fù)荷下儲(chǔ)能電池容量、光伏電容做配置。

2 新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光伏電池出力

光伏電池板受到太陽(yáng)光輻射之后會(huì)形成光生伏特效應(yīng)，電池兩端會(huì)有電動(dòng)勢(shì)，太陽(yáng)能會(huì)轉(zhuǎn)換成電能。現(xiàn)階段常用到的光伏電池是PN結(jié)型光伏電池，晶體硅為半導(dǎo)體材料，有較高的轉(zhuǎn)換效率。在理想光源狀態(tài)下，左邊光生電流IL是恒流源，光照強(qiáng)度變大后，電流也會(huì)增加。在圖2中，PN結(jié)正向電流是IP、旁路電流是Ish、光伏電池輸出電流為I、旁路電阻是Rsh、串聯(lián)電阻是Rs、端電壓是U。影響光伏電池輸出的有很多影響因素，光照強(qiáng)度這一影響因素最為顯著。當(dāng)光照強(qiáng)度得到增強(qiáng)，光伏電池輸出功率也會(huì)加大。

圖2 光伏電池的等效電路圖

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)包括儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)及雙向變流器，儲(chǔ)能電池是以化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能為主，蓄冷儲(chǔ)能、蓄熱儲(chǔ)能為輔，儲(chǔ)能形式會(huì)根據(jù)技術(shù)成熟度、充放電時(shí)間、存儲(chǔ)容量不同而有所不同。儲(chǔ)能電池需有較好的充放電循環(huán)性能，兼顧環(huán)保性與安全性。鋰電池則由較高的充放電效率，性價(jià)比偏高，故可將鋰電池作為光儲(chǔ)充一體化電站的儲(chǔ)能電池。在使用蓄電池的過(guò)程中如果出現(xiàn)過(guò)度充電、放電，蓄電池的使用壽命會(huì)變短，要嚴(yán)格限制其荷電狀態(tài)。雙向變流器是50 kW雙極式變流器做電池組充放電，直流電接的是電池組，交流電接的是交流母線，用以采集能量數(shù)據(jù)及測(cè)控投切[1]。

2.3 負(fù)荷特性

負(fù)荷是發(fā)電廠、電力系統(tǒng)于某一瞬間產(chǎn)生的工作負(fù)載，可分成無(wú)響應(yīng)型、可中斷型、可轉(zhuǎn)移型、可調(diào)節(jié)型這四類。其中，無(wú)響應(yīng)型要求無(wú)間斷、長(zhǎng)時(shí)間供電，不會(huì)對(duì)任何需求產(chǎn)生明顯響應(yīng)；可中斷型可隨時(shí)對(duì)負(fù)荷做中斷，能夠即時(shí)對(duì)負(fù)荷做轉(zhuǎn)移調(diào)整或中斷；可轉(zhuǎn)移型能夠根據(jù)發(fā)電廠生產(chǎn)計(jì)劃安排啟停時(shí)間；可調(diào)節(jié)型能夠隨時(shí)調(diào)整當(dāng)前的用電時(shí)間，具體情況見表1。

表1 不同負(fù)荷需求響應(yīng)狀況

光儲(chǔ)充一體化電站在為電動(dòng)汽車充電時(shí)還要考慮到照明負(fù)荷，如果電站安設(shè)在商業(yè)住宅、居民小區(qū)里面，更要考慮到生活清潔負(fù)荷、商用負(fù)荷和辦公類負(fù)荷。負(fù)荷響應(yīng)能力是開展需求響應(yīng)策略的關(guān)鍵，依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需要，應(yīng)當(dāng)調(diào)度好系統(tǒng)負(fù)荷，縮減系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷差。

2.4 充電樁設(shè)備

充電樁可控制充電電流，為電動(dòng)汽車充電。直流充電樁是用DC/DC變流器充電，交流充電樁是用DC/AC變流器充電，由于直流充電的功率大，故被稱作快充，交流充電的功率小，被稱作慢充。在我國(guó)的各居民小區(qū)中，電動(dòng)汽車充電的方式多是交流充電。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+充電服務(wù)”的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電有了更廣闊的發(fā)展前景，但要考慮到最大上網(wǎng)電量、最大接入負(fù)荷限制、光伏供電比、平均排隊(duì)時(shí)間和充電樁利用率[2]。

3 新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)存在難點(diǎn)

3.1 配電網(wǎng)負(fù)載過(guò)重

當(dāng)大量電動(dòng)汽車無(wú)序充電時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響到配電網(wǎng)的運(yùn)行效果，造成電能質(zhì)量急劇下降，主要的影響方面包括安全穩(wěn)定運(yùn)行方面、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性方面、電能質(zhì)量方面。安全穩(wěn)定運(yùn)行包括電器設(shè)施售賣、峰值負(fù)荷、電壓波形；電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性包括變壓器負(fù)載、變壓器功率損耗；電能質(zhì)量包括電壓不平衡、電壓偏移、諧波電流。

電站在為電動(dòng)汽車充電時(shí)，電力負(fù)荷會(huì)不斷上升，進(jìn)而擴(kuò)大峰谷值，要求配電廠耗費(fèi)更多備用電來(lái)滿足用電峰時(shí)。在網(wǎng)損方面，電動(dòng)汽車滲透率小，線路負(fù)載損耗小，電動(dòng)汽車滲透率升高，線路負(fù)載會(huì)增加。有學(xué)者驗(yàn)證得出，滲透率在20%，線路總損耗最小。滲透率在20%以上，線路損耗會(huì)不斷增加。線路損耗率與線路損耗變化成正比，線路損耗率表達(dá)式為：

此外在諧波污染方面，電站產(chǎn)生的諧波會(huì)影響到變壓器、電能質(zhì)量，諧波電流會(huì)增加導(dǎo)線電阻，造成變壓器熱損增加、輸出電能質(zhì)量變低。

3.2 電網(wǎng)規(guī)劃面臨新挑戰(zhàn)

電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的曲線峰時(shí)會(huì)與基礎(chǔ)負(fù)載重疊，造成負(fù)荷高峰期產(chǎn)生峰谷差。目前電站所實(shí)施的電能充電，是把電動(dòng)汽車電池當(dāng)做可分散電源在電谷時(shí)取電、在電峰時(shí)供電，以此抑制電網(wǎng)負(fù)荷，避免頻率較大幅度波動(dòng)。可由于電動(dòng)汽車的數(shù)量不斷增多，此類智能化充電并不能滿足大規(guī)模充電行為，故配電容、繼電器、電路等設(shè)備均需要更新?lián)Q代。

3.3 充放電儲(chǔ)能協(xié)同調(diào)度不合理

首先，調(diào)度對(duì)象特征不明確，電源側(cè)的光伏電源能源分布和地域相關(guān)不明確，很難去把握調(diào)度對(duì)象的規(guī)律。負(fù)荷側(cè)因電動(dòng)汽車儲(chǔ)能負(fù)荷的增加，調(diào)度電源跟蹤負(fù)荷、電力存儲(chǔ)情況在會(huì)逐步出現(xiàn)變化，分布式主動(dòng)負(fù)荷特性不明確；其次是調(diào)度體系不適應(yīng)，集中調(diào)度的光伏電源調(diào)度依然是傳統(tǒng)電源調(diào)度，難以全面監(jiān)控分布式資源，故分布式資源只可在微網(wǎng)內(nèi)做局域優(yōu)化調(diào)度；最后，光伏發(fā)電的特性差異大，彼此之間有協(xié)同性與互補(bǔ)性，電網(wǎng)調(diào)度缺乏對(duì)這些互補(bǔ)性做有效利用，會(huì)限制光伏發(fā)電的高效利用[3]。

4 新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)存在難點(diǎn)的對(duì)策

4.1 有序充電彌補(bǔ)峰谷差

電站為電動(dòng)汽車充電時(shí)會(huì)加劇峰谷差，為應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題要考慮到電池放不放電。若不考慮電池放電，有兩種方式，一是要求用戶自行轉(zhuǎn)移充電時(shí)段，在深夜時(shí)分充電，但這樣的方式不太現(xiàn)實(shí)。二是增加電網(wǎng)調(diào)控機(jī)制，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí)正處于用電峰值，那么電池接入之后不會(huì)立即充電，而處于斷路狀態(tài)。等到電峰值結(jié)束后電網(wǎng)解除斷路，開始充電。若考慮電池放電，為保證全電網(wǎng)有平衡的有功功率，減少電網(wǎng)波動(dòng)，電動(dòng)汽車供電需滿足相應(yīng)的條件，這一公式為：

Ptotal(t)=PEV(t)=Ploss(t)+Pfund(t)

式中，Ptotal是輸電網(wǎng)供給總有功功率；PEV是汽車做電源時(shí)的額外功率；Ploss是電網(wǎng)損耗功率；Pfund是每天基礎(chǔ)耗電功率。如果嚴(yán)控電動(dòng)汽車的充電行為，能夠有效降低峰值階段功率，提高谷值階段功率。為了解汽車充電負(fù)荷對(duì)潮流的影響，需通過(guò)蒙特卡洛模擬出充電負(fù)荷，之后再加入DIgSILENT中電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，再以潮流計(jì)算公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)結(jié)果。

4.2 濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)諧波污染的問(wèn)題，可從兩方面加以抑制。一是從諧波源降低諧波含量，二是增加諧波濾除裝置，裝置分成有源濾波裝置、無(wú)源濾波裝置、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等[4]。以LCL濾波器設(shè)計(jì)為例，LCL濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于，相同開關(guān)頻率的條件下，濾波電感取值有所降低，系統(tǒng)體積也會(huì)變小，更便于控制。為抑制LCL濾波器諧振，可在濾波器中加阻抗，以此避開諧振點(diǎn)。而LCL濾波器的優(yōu)化要考慮到濾波器各個(gè)參數(shù)對(duì)性能造成的影響。由于濾波器總電感磁芯會(huì)決定整體的體積、成本，故在滿足逆變器濾波的情況下要讓其電感值達(dá)到最小。

4.3 充放電儲(chǔ)能協(xié)同調(diào)度設(shè)計(jì)

為保障電站為安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，應(yīng)當(dāng)綜合利用好電動(dòng)汽車充放電、儲(chǔ)能功能。在此可通過(guò)微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車基礎(chǔ)信息、運(yùn)作狀態(tài)信息進(jìn)行采集，像汽車出行時(shí)間、起始荷電狀態(tài)等。而后再做全局調(diào)度，把決策信息傳至V2G控制中心，再由該技術(shù)來(lái)控制電動(dòng)汽車充放電。微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)可以影響到電動(dòng)汽車充放電，充電負(fù)荷和常規(guī)負(fù)荷均為峰值，可用V2G技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車狀態(tài)做控制，使其放電。若發(fā)電量比需求量要大，應(yīng)當(dāng)將電動(dòng)汽車當(dāng)做儲(chǔ)能元件，使其保持充電。電動(dòng)汽車充電時(shí)間、充放電功率均由V2G做控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

光儲(chǔ)充一體化電站將光伏新能源與儲(chǔ)能有效結(jié)合，發(fā)揮出不同類型儲(chǔ)能特性，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能電池使用壽命。無(wú)論是電動(dòng)汽車型還是戶用型，應(yīng)當(dāng)注意到光儲(chǔ)充一體化電站關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀。本文分析了新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)現(xiàn)狀，提出了關(guān)鍵技術(shù)存在難點(diǎn)及對(duì)策，能夠?qū)崿F(xiàn)電站運(yùn)營(yíng)商的收益最大化。