光儲(chǔ)充檢放一體化充電站在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

梁欽賜

（國網(wǎng)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(huán)境污染和能源危機(jī)等問題，電動(dòng)汽車和分布式的能源得到了迅速發(fā)展和社會(huì)的普遍認(rèn)可。這些分布式的能源，特別是光伏發(fā)電向配電網(wǎng)內(nèi)并入，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，并且會(huì)對配電網(wǎng)電能的質(zhì)量、諧波以及潮流等造成一定的影響。此外，電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)對配電網(wǎng)也會(huì)產(chǎn)生一定沖擊，為了避免或減輕該類情況對配電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響，需要對光儲(chǔ)充檢放一體化充電站加強(qiáng)研究。

1 光儲(chǔ)充檢放一體化充電站原理

將光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)時(shí)，會(huì)使配電網(wǎng)潮流分布產(chǎn)生變化，從而對配電網(wǎng)內(nèi)的電壓產(chǎn)生影響。導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)諧波污染的主要是逆變器，向配電網(wǎng)內(nèi)注入諧波時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沿線電壓發(fā)生畸變現(xiàn)象。電動(dòng)汽車充電站對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要原因有以下2個(gè)方面。1） 電動(dòng)汽車的充電時(shí)間出現(xiàn)疊加、或在負(fù)荷高峰的時(shí)段充電都會(huì)加劇配電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。2） 由于充電設(shè)施是非線性負(fù)載，在充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多諧波，因此該種情況和光伏發(fā)電一樣都會(huì)對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響。光儲(chǔ)充檢放一體化充電站，能有效解決此類問題[1]。

在光儲(chǔ)充檢放一體化充電站中，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠按照實(shí)際情況對光伏發(fā)電和電動(dòng)汽車的充電需求進(jìn)行分析，緩解配電網(wǎng)的壓力。當(dāng)充電站的負(fù)荷處在高峰期時(shí)，可以釋放電能對電動(dòng)汽車進(jìn)行供電，并且對光伏發(fā)電的富余電量進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)輸出電網(wǎng)功率的峰值和提升整體的供電性能。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)還能對光伏發(fā)電、供電的特性進(jìn)行改善，降低電動(dòng)汽車在充電中配電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓、改善相角和有源濾波的效果。除此之外，充電系統(tǒng)主要是為電動(dòng)汽車提供充電的基礎(chǔ)條件，借助充電接口為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車進(jìn)行穩(wěn)定且快捷的充電功能；檢測系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)快速地檢測新能源汽車的電池，為車主提供電池檢測的報(bào)告和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等，確保電池的安全、可靠，延長電池的壽命。

2 光儲(chǔ)充檢放一體化充電站在配電網(wǎng)中的應(yīng)用方案

以某市專區(qū)為例，計(jì)劃建立1座能夠集“發(fā)、充、儲(chǔ)、檢、放”交直流混合供電的充電站，并對其光儲(chǔ)充檢放一體化充電站應(yīng)用進(jìn)行分析[2]。在該項(xiàng)目內(nèi)，光儲(chǔ)充檢放的一體化主要包括整流器設(shè)施、光伏充電系統(tǒng)、供配電的系統(tǒng)、群控充電的系統(tǒng)、電能儲(chǔ)能的系統(tǒng)、單元監(jiān)控系統(tǒng)以及展示系統(tǒng)。其中，實(shí)現(xiàn)以直流母線為基礎(chǔ)的多端式互聯(lián)裝置，包括0.4 kV/1000 kVA的交流電源2路進(jìn)線、100 kW的光伏1路接口、500 kW的儲(chǔ)能1路接口、120 kW的新型充電機(jī)10路接口以及60 kW的常規(guī)型充電機(jī)10路接口。

3 光儲(chǔ)充檢放一體化充電站在配電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

3.1 供配電的系統(tǒng)

在該項(xiàng)目中，設(shè)置了1臺(tái)MNS的低壓交流式配電柜，并且為雙路電源的進(jìn)線，進(jìn)行2回路1000 A的斷路器配置，分別和2臺(tái)500 kW的整流器連接；預(yù)留10回路100 A的斷路器，并且分別和10臺(tái)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(shè)置了1臺(tái)直流式配電柜，并且配置10 回路250 A的斷路器，與10臺(tái)120 kW的充電機(jī)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(chǔ)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(shè)計(jì)，借助隔離式變壓器向交流電網(wǎng)接入，使直流母線和交流電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電氣的隔離，在交流側(cè)以5個(gè)100 kW的雙向式AC/DC的變流器相應(yīng)模塊實(shí)施并聯(lián)。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(gè)雙向式AC/DC的變流器相應(yīng)模塊載波實(shí)現(xiàn)同步。

圖1 整流器的原理框圖

雙向式AC/DC的變流器相關(guān)模塊以通用平臺(tái)模塊化理念實(shí)施設(shè)計(jì)，其主電路選擇“1”式三電平的逆變拓?fù)漕愋停涣鱾?cè)選擇LCL的濾波器，在直流側(cè)進(jìn)行CL的濾波器設(shè)計(jì)來減少電流和電壓的紋波。“1”式三電頻的變流器在充電時(shí)，將網(wǎng)側(cè)的交流電整流為直流電，對儲(chǔ)能的電池和電動(dòng)汽車實(shí)施充電；在向電網(wǎng)進(jìn)行放電時(shí)，會(huì)將直流電逆變?yōu)榻涣飨螂娋W(wǎng)回饋，在滿載的條件下充電模式與放電模式間轉(zhuǎn)換可以在100 ms內(nèi)完成[4]。

集中式整流器主要由整流器柜和變壓器柜共同構(gòu)成。變流器柜由2個(gè)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(gè)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(nèi)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(tǒng)

充電系統(tǒng)主要包括DC/DC的充電相應(yīng)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(hù)性電器等部分。

該方案的充電系統(tǒng)通過集中式整流器提供DC800 V的直流電。使用1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)式500 kW整流單元的輸出能夠和5個(gè)120 kW的電單元相接，每1個(gè)充電的單元和1路充電的終端輸入對應(yīng)，并且直流變換的充電模塊按照電壓平臺(tái)可以分作200 V～750 V、500 V～1000 V的2種類型，可以對近期和遠(yuǎn)期車輛的充電平臺(tái)的需求。各個(gè)充電單元由4個(gè)30 kW的直流轉(zhuǎn)換充電的模塊以并聯(lián)方式組成，從而實(shí)現(xiàn)對200 V～750 V的輸出電壓范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)、以及對500 V～750 V范圍內(nèi)恒功率的輸出進(jìn)行有效控制。該系統(tǒng)主要采取直流母線的拓?fù)湫问椒桨福肿髑昂髢杉壒β兽D(zhuǎn)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(diào)制）整流器，把380 V的交流電轉(zhuǎn)變成具有穩(wěn)定性的±0.4 kV直流電，從而向直流母線實(shí)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(zhuǎn)換為電動(dòng)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(fù)荷的控制的具體要求，將最大安全的負(fù)荷作為約束性條件，對多路充電接口內(nèi)輸出的功率實(shí)施動(dòng)態(tài)分配，達(dá)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(fù)荷控制處于整流配電的容量安全范圍內(nèi)。借助直流母線向光伏發(fā)電的間歇電源、儲(chǔ)能電池的系統(tǒng)、整流負(fù)荷與充電負(fù)荷等接入，實(shí)現(xiàn)協(xié)同操作的目的。另外，系統(tǒng)按照采集的用戶、車輛以及電網(wǎng)等信息，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)內(nèi)峰谷用電的調(diào)控指令信息，能夠?qū)Τ潆娯?fù)荷以及常規(guī)負(fù)荷的用電周期和時(shí)段進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，對用電的高峰期的充電負(fù)荷進(jìn)行限制，防止出現(xiàn)峰上加峰的情況，保證電網(wǎng)的安全性。

充電計(jì)費(fèi)的控制主要包括2類模式。1） 以集中計(jì)費(fèi)的控制方案為基礎(chǔ)，群控充電的單元內(nèi)多個(gè)充電終端使用同一計(jì)費(fèi)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(dú)立計(jì)費(fèi)的控制方案為基礎(chǔ)，對群控充電的單元內(nèi)每個(gè)充電的終端都進(jìn)行1個(gè)計(jì)費(fèi)的控制單元設(shè)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(dòng)態(tài)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(tǒng)借助計(jì)費(fèi)控制的單元和車聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)接入，對充電設(shè)備的狀態(tài)信息、充電監(jiān)控和交易的數(shù)據(jù)實(shí)施上傳，并對平臺(tái)的交互指令進(jìn)行接收[5]。

3.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)和放電

該儲(chǔ)能系統(tǒng)包括500 kW的PCS（儲(chǔ)能的變流器）1套、電池的管理系統(tǒng)、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(guī)格，并且每簇電池在簇成組中是6并聯(lián)216串聯(lián)動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)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(biāo)稱達(dá)到1036. 8 MWh的總?cè)萘俊?chǔ)能的變流器，按照模塊化理念設(shè)計(jì)，使用一級變換的拓?fù)洌褂?個(gè)100 kW的雙向式DC/DC變流器的模塊，在直流側(cè)分作5支路，并且每個(gè)支路和1簇電池連接，電池的電壓為500 V～780 V。

當(dāng)儲(chǔ)能裝置處在放電的模式時(shí)，兩雙向變換電路Buck、Boost均在Boost的工作模式下工作。2個(gè)儲(chǔ)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(shí)時(shí)監(jiān)測，避免儲(chǔ)能裝置出現(xiàn)過放。對儲(chǔ)能裝置放電的控制通過雙閉環(huán)的控制策略實(shí)現(xiàn)。通過對外環(huán)的電壓環(huán)的控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定母線電壓，通過對電流內(nèi)環(huán)的控制確保系統(tǒng)響應(yīng)的速度且防止出現(xiàn)過放。如果發(fā)生負(fù)載的突變現(xiàn)象，由于超級電容的響應(yīng)速度十分快，那么利用它進(jìn)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(tǒng)

在電池檢測的單元中，對12只單體內(nèi)電池的電壓和溫度等相關(guān)信息進(jìn)行檢測，每簇電池內(nèi)包括18個(gè)電池檢測的單元；在每簇電池內(nèi)，1個(gè)電池組的管理系統(tǒng)和18個(gè)電池檢測的單元進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對電池組的實(shí)時(shí)性監(jiān)控；每5簇電池和一電池系統(tǒng)的管理單元對應(yīng)，并且分別與BCMU（電池組的管理系統(tǒng)）借助RS485實(shí)施通信，1個(gè)BAMS和5個(gè)BCMU進(jìn)行通信，以1路的CAN設(shè)備和儲(chǔ)能的變流器實(shí)現(xiàn)通信，1路的以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

3.6 光伏系統(tǒng)

在該項(xiàng)目中，100 kW的光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)以及充電系統(tǒng)共同組成光儲(chǔ)充電站，所發(fā)的電能參與到能量的調(diào)度中，從而充分發(fā)揮光伏發(fā)電站的作用。光伏系統(tǒng)包括光伏的組件、電纜、支架和光伏的逆變器等，設(shè)備都在站內(nèi)的屋頂安裝，并從光伏的逆變器以及其交流側(cè)接入配電柜[6]。

該光伏系統(tǒng)的容量是100 kWp，選擇265 Wp的光伏組件且用23塊組件串聯(lián)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(cè)區(qū)域，光伏的逆變器選擇2臺(tái)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(xiàn)高功率的輸出和優(yōu)異性弱光發(fā)電的性能特點(diǎn)。

3.7 監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有完善的電池管理的功能、豐富的外部通信的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏的系統(tǒng)、儲(chǔ)能的系統(tǒng)以及充電的系統(tǒng)等設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)實(shí)時(shí)化監(jiān)控，涉及對儲(chǔ)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(shí)時(shí)化采集、監(jiān)視、智能化維護(hù)、管理優(yōu)化以及信息查詢等。在界面設(shè)計(jì)中，主接線圖主要對儲(chǔ)能公共的快充站內(nèi)主要設(shè)備電氣聯(lián)系和各點(diǎn)實(shí)時(shí)化信息進(jìn)行顯示，涉及有功和無功的功率、電壓、電流、頻率和各開關(guān)分合的狀態(tài)等；并在儲(chǔ)電站的綜合監(jiān)視和統(tǒng)計(jì)界面中，顯示了儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)電氣聯(lián)系和運(yùn)行的信息、充放電的實(shí)時(shí)性功率等；儲(chǔ)能系統(tǒng) PCS 的運(yùn)行監(jiān)控顯示了PCS的運(yùn)行數(shù)據(jù)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(yùn)行監(jiān)視的界面中，顯示了各電池簇實(shí)際運(yùn)行的信息，包括電壓、電流和溫度等信息；在對電池單體的運(yùn)行監(jiān)視中，顯示了各電池的單體運(yùn)行的信息，包括狀態(tài)、溫度和電壓等；在對通信狀態(tài)的監(jiān)視中，顯示了各設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系和通信狀態(tài)等信息。該項(xiàng)目內(nèi)有100 kW的光伏系統(tǒng)部分，增加了1套對光伏功率的預(yù)測性系統(tǒng)。該系統(tǒng)預(yù)先在一定的時(shí)間段內(nèi)對光伏的發(fā)電站有功功率進(jìn)行分析與預(yù)報(bào)，并且借助光伏系統(tǒng)發(fā)電預(yù)測的模型，對未來的15 min～4 h時(shí)間段內(nèi)發(fā)電的功率、未來72 h時(shí)間內(nèi)發(fā)電的功率等進(jìn)行預(yù)測。

3.8 展示系統(tǒng)

為了體現(xiàn)儲(chǔ)能、光伏和充電機(jī)等運(yùn)行的情況以及效果進(jìn)行體現(xiàn)，將通過大屏幕形式對其進(jìn)行展示。該系統(tǒng)展示的內(nèi)容包括總體展示的內(nèi)容和針對性顯示的內(nèi)容。總體展示的內(nèi)容包括系統(tǒng)安全性運(yùn)行的小時(shí)數(shù)、節(jié)能的CO2、光伏的發(fā)電量、系統(tǒng)的拓?fù)鋱D和電動(dòng)汽車的服務(wù)次數(shù)與售電電量等。針對性顯示的內(nèi)容包括光伏發(fā)電中的曲線、運(yùn)行的狀態(tài)和總發(fā)電量等；儲(chǔ)能系統(tǒng)中充放電的曲線、運(yùn)行的狀態(tài)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(wù)的車次和狀態(tài)等。該系統(tǒng)在儲(chǔ)能站配電的綜合樓中的樓會(huì)客廳安裝，通過LED的顯示屏進(jìn)行展示。

4 結(jié)語

綜上所述，光儲(chǔ)充檢放一體化充電站為電動(dòng)汽車的使用提供了全面、有效的服務(wù)，對其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，希望對相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)提供幫助。由于該技術(shù)具有巨大的發(fā)展前景，因此需要對該技術(shù)進(jìn)行不斷研究。