光儲(chǔ)充一體化電站設(shè)計(jì)方案及效益分析

邵 祥，劉梓洪

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易發(fā)展，交通運(yùn)輸系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行[1]。目前有效方式是普及電動(dòng)或氫能源汽車[2]。預(yù)計(jì)2035年，純電動(dòng)汽車將成為銷售主流，隨之而來(lái)的是大量電動(dòng)汽車快速充電需求[3]。

目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車專用充電站數(shù)量少，且以區(qū)域配電網(wǎng)供電為主[4]。當(dāng)電動(dòng)汽車達(dá)到一定數(shù)量后，日間充電需求高，大量集中負(fù)荷會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，而配備較大供電容量在充電低峰時(shí)又會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)[5]。因此本文提出利用充電站及附近建筑屋面閑置區(qū)域，安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，在日間光伏發(fā)電，為充電樁供電，補(bǔ)充高峰負(fù)荷[6]。同時(shí)設(shè)置一定容量的儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)存用不完的光伏發(fā)電量，在光伏未發(fā)電時(shí)輸出，或夜間電價(jià)低谷時(shí)向電網(wǎng)購(gòu)電，日間電價(jià)峰時(shí)輸出電能[7]。

1 一體化電站特性分析

光伏發(fā)電是通過(guò)光生伏打效應(yīng)，使光伏組件內(nèi)部產(chǎn)生電子偏移，從而產(chǎn)生直流電。根據(jù)組件廠家相關(guān)資料可知光伏組件在一定范圍內(nèi)輸出功率隨輻照度增加而增加，隨溫度升高而減小[8]。

《關(guān)于江蘇省新能源汽車充（換）電設(shè)施建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理辦法》中，經(jīng)營(yíng)式充（換）電站執(zhí)行大工業(yè)電價(jià)，2025年低前，免收容量電費(fèi)，企業(yè)可選擇執(zhí)行谷峰分時(shí)電價(jià)政策[9]。《蘇發(fā)改價(jià)格發(fā)[2021]1327號(hào)》中規(guī)定，自2022年1月15日起，調(diào)整工業(yè)用電峰期為 08:00—11:00、17:00—22:00，谷期為 00:00-08:00，其他時(shí)間為平期”[9,10]。結(jié)合24 h內(nèi)光伏組件輸出情況，繪制如圖1所示峰谷分時(shí)電價(jià)與光伏輸出功率示意圖。根據(jù)太陽(yáng)每日運(yùn)行軌跡，只有在上午11:00至下午14:00輸出功率較大，但此時(shí)電價(jià)并非最高。因此光伏發(fā)電直接并網(wǎng)時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益并非最大。

圖1 峰谷分時(shí)電價(jià)與光伏輸功率圖

以南京市建鄴區(qū)某快充電站為例，分析一個(gè)典型工作日內(nèi)快充電樁負(fù)荷情況如圖2所示。由圖2可知，工作日內(nèi)負(fù)荷主要集中在09:00—12:00、18:00—22:00，最大負(fù)荷功率出現(xiàn)在20:00左右。而在02:00—05:00，14:00—16:00，快充電樁負(fù)荷功率較少。

圖2 某快充電站一個(gè)工作日內(nèi)負(fù)荷曲線圖

2 一體化電站設(shè)計(jì)方案

2.1 一體化電站系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合一體化電站特性及充電需求，構(gòu)建如圖3所示光儲(chǔ)充一體化電站系統(tǒng)，主要由以下部分組成。（1）光伏發(fā)電模塊：由組件、組逆變器等組成，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，且發(fā)電過(guò)程無(wú)污染、無(wú)噪音，綠色環(huán)保。（2）儲(chǔ)能模塊：主要由磷酸鐵鋰或三元鋰電池構(gòu)成，主要作用是儲(chǔ)存光伏發(fā)出電能或在電價(jià)谷時(shí)充電、峰時(shí)放電以提高充電站經(jīng)濟(jì)性，并且在充電負(fù)荷較大時(shí)自動(dòng)投切，以減少對(duì)電網(wǎng)沖擊，提高電站穩(wěn)定性。（3）配網(wǎng)供電模塊：傳統(tǒng)充電站的供電系統(tǒng)，主要由10 kV進(jìn)線電纜、變壓器、高低壓配電柜等一次、二次電氣設(shè)備組成，主要作用是在任何時(shí)間保證電站供電。（4）快速充電樁：用于為電動(dòng)汽車充電的終端設(shè)備，通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)汽車電池信息，上傳至能量管理系統(tǒng)，并給出充電方式，一般采用階段式充電。（5）能量管理系統(tǒng)：通過(guò)多個(gè)智能化接口，實(shí)時(shí)采集整站運(yùn)行數(shù)據(jù)，并制定合適的電站運(yùn)行策略，起到統(tǒng)籌協(xié)調(diào)功率分配的作用。

圖3 光儲(chǔ)充一體化電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電站運(yùn)行策略

相比傳統(tǒng)充電站由配網(wǎng)單一供電的形式，光儲(chǔ)充一體化電站有三個(gè)電源點(diǎn)，分布式光伏電站、儲(chǔ)能裝置、區(qū)域配電網(wǎng)三者需要相互協(xié)調(diào)，因此對(duì)于全站必須制定合適的運(yùn)行策略。本文以經(jīng)濟(jì)性為基礎(chǔ)，基于我國(guó)分時(shí)電價(jià)政策，提出如圖4所示的全站運(yùn)行策略[11]。其中PPV為光伏系統(tǒng)發(fā)出功率，PL為充電站負(fù)荷功率，PSE為儲(chǔ)能剩余電量。

圖4 運(yùn)行策略示意圖

（1）日間充電樁有負(fù)載時(shí)優(yōu)先使用光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能，若PPV＞PL，則將光伏系統(tǒng)向儲(chǔ)能充電，當(dāng)PSE達(dá)到滿狀態(tài)、光伏功率仍有剩余，則將其出售至電網(wǎng)，獲取售電收益；若PPV＜PL，則使用儲(chǔ)能PSE向負(fù)載供電，當(dāng)PSE＝0且PPV＜PL，則光伏系統(tǒng)不足部分使用市電對(duì)負(fù)載供電。

（2）晚間負(fù)載高峰期且電價(jià)也處于峰期，此時(shí)光伏系統(tǒng)無(wú)輸出功率，優(yōu)先使用PSE對(duì)負(fù)載供電。當(dāng)儲(chǔ)能剩余容量無(wú)法滿足負(fù)載時(shí)，使用市電對(duì)負(fù)載供電。

（3）夜間電價(jià)谷期且負(fù)荷也處于谷期，此時(shí)優(yōu)先使用市電對(duì)負(fù)載供電，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能裝置充電，直至PSE達(dá)到滿狀態(tài)。

2.3 電站容量配置

通過(guò)上述運(yùn)行策略分析，光儲(chǔ)充一體化電站的光伏容量、充電樁數(shù)量、儲(chǔ)能容量三者間的適配對(duì)于整站的收益有很大影響。本文考慮充電站收益最高為目標(biāo)進(jìn)行全站容量配置優(yōu)化。

全站收益F計(jì)算公式為

式中：F為電站全收益；Ic為電動(dòng)汽車充電收取費(fèi)用；Is為光伏系統(tǒng)余量上網(wǎng)收益；Ib為國(guó)家對(duì)于充電站建設(shè)的補(bǔ)貼；Ctz為初始電站所有投資支出；Cym為電站后期運(yùn)維成本支出；Cbuy為電站使用市電支付電費(fèi)支出。

同時(shí)還需滿足約束條件為

主要約束條件為光伏裝機(jī)容量EPV、儲(chǔ)能容量ESE，并同時(shí)滿足任何時(shí)候負(fù)載功率PL等于光伏發(fā)出功率PPV、儲(chǔ)能輸出功率PSE（PSE為正表示儲(chǔ)能放電狀態(tài)、為負(fù)表示充電狀態(tài)）與電網(wǎng)功率PG（正為消耗電網(wǎng)電能，負(fù)為光伏系統(tǒng)余量上網(wǎng)）。除此之外，還需考慮儲(chǔ)能裝置的電池狀態(tài)（Stage of Charge，SOC）約束為

式中：SOCmin、SOCmax分別表示儲(chǔ)能裝置最小、最大荷電狀態(tài)，能夠防止儲(chǔ)能裝置出現(xiàn)過(guò)放電或過(guò)充電，提高電池使用壽命。

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)計(jì)算

以某光儲(chǔ)充一體化電站為例，配置如下：一回10 kV市電線路經(jīng)塔桿接入電站，變壓器容量2 500 kVA；20臺(tái)120 kW雙槍直流快充電樁（單槍功率60 kW）；光伏裝機(jī)容量1 MW；儲(chǔ)能裝置容量100 kW/400 kW·h（功率100 kW，容量400度電)。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 算例計(jì)算參數(shù)

使用MATLAB進(jìn)行容量配置優(yōu)化求解，得出光伏系統(tǒng)安裝容量上限為1 MW，儲(chǔ)能裝機(jī)容量上限800 kW·h。通過(guò)計(jì)算得出當(dāng)光伏系統(tǒng)安裝容量為1 MW，儲(chǔ)能容量400 kW·h時(shí)電站收益最高，為124.6 W元。

3.2 效益分析

某電站建設(shè)成本如表2所示。

表2 光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)成本

一體化電站主要收益來(lái)自于光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)0.391元/kW·h，不分峰谷；電動(dòng)汽車充電基本電費(fèi)收費(fèi)0.8元/kW·h；充電服務(wù)費(fèi)0.8元/kW·h。以此預(yù)測(cè)后6年全站收益如表3所示。

表3 光儲(chǔ)充一體化電站2022-2027收益測(cè)算表

本光儲(chǔ)充一體化電站初始建設(shè)費(fèi)用約為805萬(wàn)元，后續(xù)每年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用約為20萬(wàn)元。至2027年，本站累計(jì)收益約為1 087.35萬(wàn)元，成本約為925萬(wàn)元，本項(xiàng)目投資回收期約為5.46年。

光儲(chǔ)充一體化電站的環(huán)境效益主要分兩方面，一方面是推進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車保有量增長(zhǎng)，逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車；另一方面采用太陽(yáng)能發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)火力發(fā)電，為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。

4 結(jié) 論

本文分析了集成分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、快充電樁的光儲(chǔ)充一體化快充電站設(shè)計(jì)方案，研究了電站運(yùn)行策略及容量配置優(yōu)化方法，最終結(jié)合具體算例詳細(xì)計(jì)算本文提出方案的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，證明了本文提出方法的可行性。總體來(lái)看未來(lái)我國(guó)對(duì)于快速充電站的需求市場(chǎng)是廣大的，且光儲(chǔ)充一體化快充電站的優(yōu)勢(shì)將越發(fā)明顯。