新能源汽車充電站光儲充一體化管理平臺解決方案

摘要：隨著電動車輛充電需求功率不斷增大，規模化的電動汽車充電可能會導致配電網運行指標越限，同時還可能引起系統峰值負荷超額等問題，進而對系統輸電和發電能力造成很大壓力。將光伏發電經儲能系統與充電樁相結合，不僅能緩解電網系統的壓力，而且所建成的光儲充系統在發電過程中無環境和噪聲污染，實現了清潔能源的利用，也由此實現了以光養樁，削峰填谷，平抑充電負荷波動，降低電網容量壓力，提高供電可靠性的情況。在提倡綠色環保、節能減排，大力發展新能源的時代此設計方案具備良好的推廣前景。

關鍵詞：電動汽車；配電網；光儲充系統；光伏監控；策略控制；微電網；充電樁監控

0 引言

開發利用可再生能源是保證我國能源供應安全和可持續發展的必然選擇，大力使用光伏發電成為戰略替代能源的電力技術之一，新能源汽車取代傳統燃油汽車也已成趨勢。將光伏發電與新能源電動汽車充電樁相結合這個設計不僅可履行國家開發可再生能源與新能源汽車發展戰略，還有良好的社會經濟效益，對促進新能源電動汽車與開發可再生清潔能源的協調發展起到良好的示范作用。將光伏發電經儲能系統與充電樁相結合這一光儲充研究設計可以有效緩解配電網容量壓力、用電負荷低谷時段儲存電能，在用電負荷高峰時段將存儲的電量釋放提升電網運行穩定性。

1 背景

截止2019年年底，純電動汽車保有量已超過310萬輛，充電樁也已超120萬臺，根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟發布數據，2019年我國車樁比已經提升至3.50：1，較2015年的7.84：1已經有大幅的提升。其中，車與公樁比為8.25：1。車樁比雖然在不斷提升，但仍遠低于《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020）》規劃的1∶1的指標，充電樁仍有較大的建設空間。2020年3月4日，中共中央常務委員會召開會議，研究當前防控和穩定經濟社會運行重點工作，要加快新型基礎設施建設進度，其中，新型基礎設施建設包括特高壓、新能源汽車充電樁、5G基站建設、大數據中心、人工智能、工業互聯網和城際高速鐵路和城市軌道交通等七大領域。出臺后，新能源充電樁成為國家基礎設施建設的重點方向之一。值得注意的是，5G、大數據中心、工業互聯網、人工智能等這幾個“新基建”智能化、信息化技術板塊，也是充電樁、智能電網、智能交通、新能源汽車融合發展的重要基礎。

2 項目設計

2.1系統構成

本系統主要由光伏系統、儲能系統、充電系統和監控系統四部分構成。

2.2光伏系統

光伏系統采用光伏建筑一體化的模式，即光伏陣列與停車場車棚結合，光伏發出的電能可用于充電樁供電，也可用于站內日常用電，同時將多余的電能通過儲能系統儲存，做到零棄光，當然監控智能控制系統檢測到新能源電動汽車充電數量過多、光伏發電存儲不足時，控制系統將會使用電網電能為充電樁充電。

光伏系統是由光伏組件經過串、并聯而成的光伏陣列，太陽電池工作原理的基礎是半導體P-N結的光生伏應。光生伏應，就是當物體受到光照時，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應。

2.3 儲能系統

利用蓄電池組儲能，它是由一些性能大小相同的蓄電池單體通過串、并聯的方式組合而成的模組。蓄電池組作為太陽能光伏發電的儲能裝置，其作用是將太陽能方陣從太陽輻射能轉換來的直流電轉換為化學能儲存起來，以供應用。這里選用鋰電池，因為鋰離子電池具有能量密度高、壽命長、自放電小、無記憶效應等優點，已廣泛在數碼便攜產品中獲得了應用，并且正逐步進入新能源、電動車、儲能電站等應用領域。

2.4 充電樁系統

新能源電動汽車的充電系統可以采用直流充電、交流充電和更換電池三種模式。直流充電方式是直接利用直流母線的電作為直流充電樁的電源，通過充電連接裝置直接給電動汽車的動力電池充電。該方式充電電流一般為150-250A，充電速度快花費時間短。

交流充電采用三相交流電為電動汽車充電，一般功率在7-35KW之間，從無電狀態到充滿所需時間一般為8-10h。在低功率的交流充電模式下其優勢在于對動動力電池壽命影響和對電網沖擊都較小，但充電時間較長，需長時間占用固定停車位。更換電池充電模式通過全自動或半自動機械設備，進行快速的電池更換實現電動汽車電能的補給，電池更換時間一般只需2-10分鐘即可完成。同時，換電模式下的電池組可以充當儲能電池為整個微電網系統供電，更好的利用能源。

2.5 監控系統（能量管理）

光伏電力監控組態軟件搭建的光伏電站智能監控系統，可實現監測數據信息共享、交換、傳輸等功能，滿足用戶中心數據庫的要求，監控到各單元狀態以及監控光儲充系統內部運行狀態，自動根據峰谷時段及用電情況控制能量流動，實時數據的在線檢測。

2.6 電網能量智能控制技術

新能源電動汽車光儲充系統中光伏陣列于較大功率跟蹤（MPPT）點輸出直流電能，經過儲能設備，儲能充電系統處于有功功率-無功功率（PQ）控制工作狀態，儲能充電樁可供電動汽車充電，多余電能輸入大電網，光伏陣列發電不足時有大電網補充，其中較為核心的是控制中心—電網能量智能控制技術。電網能量智能控制技術能夠實現對整個新能源電動汽車光儲充系統的監視、控制及優化運行。通過對各回路設備的數據采集，實現對新能源電動汽車光儲充系統運行狀態的監測與控制，合理安排新能源電動汽車光儲充系統的啟停、科學控制儲能充放電。通過遠程實時監控新能源電動汽車光儲充系統中光伏陣列發電、儲能設備和負荷的各項電能參數，及時調整優化控制，為系統可靠性運行方案設計奠定基礎。

3 微電網能量管理系統

3.1微電網接入配電網要求

微電網宜采用單個并網點接入系統。當有兩個及以上與外部電網的并網點時，在并網運行時，應保證只有一個并網開關處于閉合狀態。當高、低兩級電壓均具備接入條件時，可采用低電壓等級接入，但不應低于微電網內高高電壓等級。

3.2 微電網的特征

（1）電壓等級：35kV及以下為主，系統容量的用電負荷原則上≤20MW；

（2）自治：具有獨立運行的控制系統；獨立運行時保障不低于2小時連續供電與外部電網年交換電量一般不超過年用電量的50%用電負荷原則上≤20MW；

（3）清潔：可再生能源裝機容量占比50%以上系統綜合能源利用效率在70%以上

（4）友好：交換功率和交換時段具有可控性；與并入電網實現備用、調峰、需求側響應等雙向服務。

3.3 微電網的應用場景

孤島邊遠地區、需求較高園區、大電網較弱區 。

4 安科瑞微電網能量管理系統解決方案

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統能夠對微電網的源、網、荷、儲能系統、充電負荷進行實時監控、診斷告警、全景分析、有序管理和高級控制，滿足微電網運行監視全面化、安全分析智能化、調整控制前瞻化、全景分析動態化的需求，完成不同目標下光儲充資源之間的靈活互動與經濟優化運行，實現能源效益、經濟效益和環境效益較大化。通過在企業內部的源、網、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝安科瑞研發的各類監測、分析、保護、治理裝置；通過先進的控制、計量、通信等技術，將分布式電源、儲能系統、可控負荷、電動汽車、電能路由器聚合在一起；平臺根據新的電網價格、用電負荷、電網調度指令等情況，靈活調整微電網控制策略并下發給儲能、充電樁、逆變器等系統與設備，保證企業微電網始終安全、可靠、節約、高效、經濟、低碳的運行。

4.1系統主頁面

微電網能量管理系統包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷情況，體現系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、告警信息、收益、環境等。

4.2光伏監控

針對配置光伏發電的微電網系統，具有在線監控光伏電池板陣列、環境監測、匯流箱和逆變器等的功能，保證光伏發電安全運行。

測量監視：日照、溫度、風速等環境信息，電池板溫度、直流電壓、直流電流、直流功率、逆變器功率等。

狀態監視：交/直流過壓/欠壓、交/直流過流、頻率過/欠告警，過溫過載、漏電保護等。

電量監視：光伏實時發電量、總發電量等。

遙控：逆變器啟動、停止。

4.3 儲能監控

針對配置全釩液流儲能電池，微電網能量管理系統具有在線監控儲能電池和PCS雙向逆變器等的功能，保證其剩余容量在合理范圍內，保障電池安全、合理利用。

測量監視：運行模式、功率控制模式，功率、電壓、電流、頻率等預定值信息、儲能電池充放電電壓、電流、SOC、溫度、壓力、流量。

狀態告警數據：儲能電池充放電狀態、交/直流過壓/欠壓、交/直流過流、頻率過/欠告警、過溫、過載、漏電保護等。

電量數據：電池電量。

設置數據：PCS啟動、停止、功率設定、裝置運行參數設定

4.3 充電樁監控

（1）充電監視

微電網能量管理系統須具有提供充電樁的各類測量監視、狀態監視、電量監視等的功能。

測量監視：充電電流、充電電壓、充電功率、充電時間、SOC、電池電壓、電池溫度等。

狀態監視：充電樁狀態、連接確認開關狀態、輸出繼電器狀態、充電接口電子鎖狀態

電量監視：充電過程中的實時充電量、充電表底值、交易記錄。

（2）充電控制

微電網能量管理系統具有提供充電樁的各類遙控、數據設置等的功能。

充電控制：啟動、停止。

遠程控制：重啟、升級。

數據設置：時段參數、應急卡名單。

4.4 風電監控

針對配置風力發電的微電網系統，具有在線監控風力機組、風能并網控制器、并網逆變器等的功能，保證風力發電安全運行。

測量監視：溫度、風速等環境信息，直流電壓、直流電流、直流功率、逆變器功率等。

狀態監視：交/直流過壓/欠壓、交/直流過流、頻率過/欠告警，過溫、過載、漏電保護等。

電量監視：風機實時發電量、總發電量等。

遙控：逆變器啟動、停止。

4.5 配電監控

Acrel-2000MG微電網能量管理系統可以直觀顯示一次系統圖，并實時顯示從35kV至0.4kV各電壓等級各回路的遙測量、遙信量和報警信號等。遙測量包括電壓、電流、功率、功率、電能等電參量，高低壓柜內電氣節點溫度值等；遙信量包括中壓開關柜內路斷路器、手車、隔離開關、負荷開關、地刀開關的分合狀態，柜內弧光探頭的鏈路狀態、斷路器彈簧儲能狀態及遠方就地控制狀態；報警信號包括微機保護裝置的告警信號、保護跳閘信號及裝置異常信號\線路弧光保護動作信號、節點溫度告警及設備通信異常告警。

4.6 數據采集

通過測控單元與儲能裝置、電池管理系統、充電樁、風機逆變器、光伏逆變器進行實時信息的采集和處理，實時采集模擬量、開關量。

接收和處理的信息包括：

充電樁充電功率；光伏逆變器功率；風機逆變器功率；單體電池的電壓、溫度等實時信息；電池模塊的電流和漏電流；各種故障告警信號和保護動作信號。

儲能裝置上送信息包括：

Ø 開關量信息：直流側、交流側接觸器、斷路器的狀態；運行模式(并網、孤網、充電、放電、待機等)、就地操作把手的狀態等。

Ø 模擬量信息：直流側電壓、電流；交流側三相電壓、電流、有功、無功；

Ø 非電量信息：IGBT模塊溫度、電抗器溫度、隔離變溫度等；

Ø 運行信息：能量轉換設備保護動作信號、事故告警信號等。

4.7 歷史事件查詢

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和進行歷史追溯、查詢統計、事故分析。可以按時間、類型和設備進行查詢和排序。

4.8 曲線查詢

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、溫度等曲線。并統計該曲線查詢范圍內較大值、較大值發生時間、較小值、較小值發生時間、平均值等。

4.9 運行報表

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統可以查詢各回路或設備時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、溫度值等。可以按照日、月、年的格式進行查詢、導出、打印。

4.10 報表統計

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統系統具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。

Ø應對微電網系統運行的各種常規參數（發電功率等）進行統計計算，包括日、月、年、時段的較大、較小值及其出現時間、平均值、越限次數、越、越限率、合格率等；

Ø應對微電網系統運行的各風機發電量、總發電量等參數進行統計計算，包括分時段、日、月、年發電量對比等；

Ø應對微電網系統主要設備的運行狀況進行統計計算，包括斷路器正常操作及事故跳閘次數、電容器/電抗器投退次數等。

通過報表，分析供電系統及各回路運行參數，形成運行日報、月報、電能統計日報、月報、年報。

4.11 電能質量監測

Acrel-2000MG微電網能量管理系統可以對整個配電系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。實時監測總進線和重要出線回路的供電電源電能質量，包括穩態數據監測、暫態數據監測和故障錄波分析。對供電系統中的電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、三相電流不平衡、2～63次諧波電壓、2～63次諧波電流、0.5～63.5次間諧波電壓、0.5～63.5次間諧波電流、諧波功率、諧波畸變率等實時監測，并以柱狀圖進行諧波分析。

監測重要回路的電壓波動與閃變、電壓暫升/暫降、短時中斷情況，實時記錄事件并故障錄波，為電能質量分析與治理提供數據來源。及時采取相應的措施提高配電系統的可靠性，減少因諧波造成的供電事故的發生。

4.12 網絡拓撲圖

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

4.13 遙信遙控遙調

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統可以對整個系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。例如配電系統維護人員可以通過監控系統的主界面點擊相應的斷路器遙信點調出遙控操作界面，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

遙控操作

遙設操作

4.14 通信管理

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。可以查看某個設備的通信和數據報文。

可以完成與各種變流器、充電樁、逆變器、智能電子設備的通信和數據轉發，包括微機保護、電力儀表、智能操控、直流屏、模擬屏、五防系統和調度等。

4.15 能量管理

采用基于博弈論的功率協調分配技術，基于在通用設計平臺和運行環境上開發能量協調控制策略，實現配網、分布式可再生能源發電、充電設施、儲能裝置之間能量的互動融合和靈活調配。

提高可再生能源利用率。光伏、風機發電優先提供各臨近負荷消納，其次儲能電池存儲消納，或多余電能上網以及鄰近交流配電網之間的潮流優化調度和控制，提高可再生能源的利用率，促進園區可再生能源的融合。

降低配電網的容量要求。通過可再生能源發電和儲能聯合調度，在提高區域內可再生能源發電的接入和消納能力的同時，降低配電網配電容量的需求，延遲配電設備的投資，實現柔性增容的目的。

優化負荷隨機性。隨著新能源電動汽車在時間和空間上較大的隨機性，大量接入會對電力系統造成影響。光伏、風機接入不僅能夠改善這一問題，還有利于節能減排，同時儲能具有靈活性、可調度性和快速響應的特性，電動汽車未來亦是需求側可調度資源，因此，利用光伏、風機、儲能、電動汽車負荷聯合調度，一方面可改善了充電負荷的時間分布特性，達到優先吸收光伏、風機電能和減少對電網影響的目標；另一方面可減少用戶充電費用、增加運營商收益，在經濟方面實現了雙贏。

4.16 用戶權限管理

安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.17 系統的自診斷和自恢復

應具備在線診斷能力，對系統自身的軟硬件運行狀況進行診斷，發現異常時，予以報警和記錄，必要時采取自動恢復措施；

現場設備的在線診斷應至電路板級；

自動恢復的內容應為：一般軟件異常時，自動恢復運行；當設備有備用配置時，在線設備發生軟硬件故障時，能自動切換到備用配置。自動恢復時間不應大于30s。

4.18 維護功能

應能對數據庫進行在線維護，增加、刪除和修改各數據項；

應能離線對數據庫進行獨立維護，重新生成數據庫并具備合理的初始化值；

歷史數據庫中的數據應能根據需要，方便地進行轉存，長期保存；

應能編輯和生成畫面，且方法簡便。

5 結 語

建設光儲充一體化智能新能源電動汽車光儲充系統，不僅可以推動開發光伏行業的發展，緩解大電網新能源汽車充電樁供電負荷壓力系，統設計方案中利用儲能系統提高光伏發電的質量和利用率，還可借助“光儲充”的技術特性使光伏發電與大電網調峰調頻、削峰填谷和實現新能源電動汽車充換電時對大電網的沖擊。