基于光儲充能源效率的最大化研究

京能集團北京智慧互聯(lián)能源有限公司 孫 銳 京能集團北京源深能源科技有限責任公司 周 聰

京能集團北京高新技術創(chuàng)業(yè)投資有限公司 趙 亮

隨著國家3060“碳達峰”“碳中和”的提出，能源戰(zhàn)略已逐步向新能源行業(yè)轉變，傳統(tǒng)的能源行業(yè)已不能滿足新時代環(huán)境下的要求，而隨之興起的光伏、風電、電動汽車、儲能等綠色能源成為社會的翹楚，如何最大限度的充分利用各種綠色能源為我們服務，盡可能避免使用傳統(tǒng)能源，達到逐步取代傳統(tǒng)能源的目的成為我們研究的目的。

分布式綜合能源有諸多優(yōu)點：改善電網峰谷供電性能，提高供電可靠性和經濟性；有效利用清潔能源，改善環(huán)境污染；充分利用可再生能源；發(fā)電就地隨發(fā)隨用，不再需要過長供電線路，減少線路損失及電量損失；將多種能源統(tǒng)一調度和分配，充分發(fā)揮能源最大化效益。因此，分布式新能源得到越來越多的關注，在整體發(fā)電量占比中也越來越重。

現(xiàn)階段光伏、充電樁、儲能、風電等新能源相關發(fā)電技術越來越成熟，工業(yè)鏈體系也逐步得到完善。光伏成本正在逐年降低（主觀因素除外）；儲能電池也在積極研發(fā)更新迭代中，正在向更安全更低廉的方向迅速發(fā)展；充電樁更是如雨后春筍，形態(tài)各異，不管是從硬件還是從運營平臺都得到了很大提升，整個新能源行業(yè)都發(fā)生了質的變化。

下面以現(xiàn)有主流的新能源綜合項目——光伏、儲能、充電樁一體化系統(tǒng)（簡稱光儲充系統(tǒng)）為研究內容，分別從不同角度分析了影響其能源效率的各個因素，闡述了光伏發(fā)電的原理，并根據模型參數分析了影響光伏發(fā)電量的因素，解析了儲能在系統(tǒng)中的作用和優(yōu)點，最終達到能源效率最大化，實現(xiàn)經濟效率最優(yōu)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)特性

1.1 光生伏特效應

光生伏特效應是指半導體在受到光照射時，物體內電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電流和電動勢的現(xiàn)象。具體工作原理如圖1所示：如果光線照射在太陽能電池上，并且光在界面層被吸收，那么在界面層P-N結上形成新的空穴—電子對，空穴—電子對在P-N結電場作用下，空穴由N區(qū)向P區(qū)流動，電子則由P區(qū)向N區(qū)流動，形成電動勢，在線路接通情況下形成電流，這就是光伏發(fā)電的基本工作原理。

圖1 光伏發(fā)電原理圖

1.2 光伏發(fā)電的建模

根據P-N結光生伏特效應可以將光伏發(fā)電等效成以下電路，如圖2所示，圖中把光照下的P-N結可以等效為一個理想二極管并聯(lián)一個恒流源，Iph即為理想的光生伏特效應的電流值，由于實際在電路回路中，各個電氣元件材料必定有一定的電阻率和內阻，制作工藝的客觀因數也會導致一定的漏電，因此需要在等效電路中各串并聯(lián)一個等效電阻。

圖2 光伏等效電路圖

根據電路圖，光伏發(fā)電的電流方程為：Iph-IId-Ish=0

可進一步化為：

上式中：I為光伏電池輸出電流，V為光伏電池輸出電壓，Iph為發(fā)生電流，I0為二極管飽和電流，Ish為流過二極管電流，q為電荷，Rsh為光伏電池并聯(lián)電阻，Rs為光伏電池串聯(lián)電阻，A為二極管特性因子，K為玻爾茲曼常數，T為光伏電池溫度。

通過上式可以看出發(fā)電量與電池的溫度、日照強度有直接關系，因此，光照輻射強度和溫度的大小是影響的光伏發(fā)電量的決定性因素，但通過實際運行測試，光伏系統(tǒng)對太陽輻能量的利用效率只有10%左右，大部分的能量損耗表現(xiàn)在以下幾個方面：太陽電池轉化效率、整體線路損失、各個組件組合損失、逆變器損失、灰塵遮擋損失、蓄電池效率等。

2 儲能系統(tǒng)

2.1 儲能的作用

光儲充系統(tǒng)中儲能多為電化學儲能為主，按照用途可分為發(fā)電側儲能、用戶側儲能、電網側儲能。綜合能源系統(tǒng)主要是以用戶側儲能為主，主要是通過尖峰谷平電價差將市電在低價時存儲，高價時釋放，根據電價差額來獲得利潤。儲能在存儲時可以消納電網上多余的綠電，比如風電、光伏等，充分利用新能源達到節(jié)約能源、減碳的目的；同時也可以很好的解決由于建造大型充電樁，而造成的變壓器負荷不夠問題；在峰谷電價差高的地區(qū)，還可以充分利用谷時電價來存儲，獲得利潤最大化。目前根據實際運營情況，儲能整體系統(tǒng)的轉化率可以達到85%以上，包括了各種元器件之間的轉換能源損耗和運行損耗，轉化效率高，能源損耗低，是很好的能源解決方案，市場上有很好的推廣度。

2.2 儲能系統(tǒng)的構成

儲能系統(tǒng)即可作為電源，也可以作為負載，在充電時候為一負載，在放電時候即可作為電源，在整個系統(tǒng)中還必須配備防逆流裝置（一般有硬件防逆流和軟件防逆流），以防用戶側返送入大電網。大型儲能系統(tǒng)按照系統(tǒng)不同作用可分為三大主要系統(tǒng)，分別為EMS、PCS和BMS，BMS為電池管理系統(tǒng)，控制著最底層電池的各項詳細參數，如：電芯溫度、電芯電壓、電芯電流、電池均衡、SOC、SOH、充放電等功能，BMS同時通過總線方式與PCS、EMS實現(xiàn)信息交互；大型儲能系統(tǒng)的BMS又分為三級架構，分別為電芯管理單元（BMU）、電池簇管理單元（BCMU）、電池堆管理系統(tǒng)（BAMS）。PCS為儲能變流器，可控制蓄電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網情況下可以直接為交流負荷供電。EMS為能源管理系統(tǒng)，統(tǒng)一管理能源分配和充放電策略，已實現(xiàn)計劃充放電、系統(tǒng)保護等功能，完成系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高效運行。

2.3 儲能的節(jié)能效率

儲能的節(jié)能效率主要是通過峰谷電價差來獲取收益，為了是收益最大化，就必須盡量拉大峰谷電量，即在低谷用電時盡量多充電，在高峰用電時將電量全部耗盡，此時才能得到效率最大化[1]。由于多地高峰時間段為兩個時間段，比如北京：高峰時段為10:00-15:00和18：00-21:00，為了擴大收益，可以進行兩充兩放，即除了在原來低谷時段23:00-7:00充電外，可以在平段15:00-18:00進行適當充電，在兩個高峰時間段10:00-15:00和18:00-21:00來進行放電，根據實際消納情況來找到充放電的最佳平衡點，實現(xiàn)整體效益對大化[2]。

3 充電樁特性及分析

電動汽車充電樁是以電動汽車客戶為消費對象，及時為他們提供快速充電服務。作為系統(tǒng)內唯一負載，外加其具有獨特的車流量不確定性和隨機性，造成了整個能源系統(tǒng)充放電的不確定性和無規(guī)律性，受外界偶然因素影響較大，屬于不可控負載[3]。其能源利用特性與充電樁所在位置、所在地電動汽車市場占有量、充電引流服務等有密切關系，主觀因素影響較大。只能根據歷史車輛記錄來大致判斷日用電消耗量，每個站點由于各自因數的不同，充電車輛數量也會有很大差別[4]。

4 能源管理系統(tǒng)分析

為了將光儲充系統(tǒng)統(tǒng)一接入電網，需要將各個系統(tǒng)通過配線來統(tǒng)一管理和并網。一般光儲充系統(tǒng)的并網系統(tǒng)主接線：光伏，儲能，充電樁均接在同一電氣母線上，通過變壓器與市電進行連接，在變壓器出口安裝有防逆流裝置防止逆流[5]。

根據對以上幾種能源的分析，結合配網接線圖，總體上來說：若想實現(xiàn)能源利用最大化，需將光伏發(fā)電量達到最大，儲能充放電時段實現(xiàn)兩充兩放時最優(yōu)，充電樁能夠有最大用戶量，整體效益才能最大。具體到每個系統(tǒng)來說：光伏系統(tǒng)需要充分考慮光照強度，以及各種客觀因數（如灰塵、逆變器、線路損失等）；市電需考慮當地峰谷電價政策，以及輔助服務等政策；儲能則應該考慮設備成本、根據具體項目現(xiàn)場消納情況充分利用兩充兩放策略；充電樁則應該考慮社會整體電動車占比、地理位置、引流等因素，最大程度保證充電樁使用率[6]。

綜上，從整體能源結構可以看出，電源側為光伏和市電，負載為電動汽車充電樁，儲能即為負載也為電源。從最大化提高能源利用效率和經濟性的角度考慮，電源側光伏系統(tǒng)需要充分考慮光照強度，以及各種客觀因數（如灰塵、逆變器、線路損失等）；市電需考慮當地峰谷電價政策，以及輔助服務等政策；儲能則應該考慮設備成本、根據具體項目現(xiàn)場消納情況充分利用兩充兩放策略；充電樁則應該考慮社會整體電動車占比、地理位置、引流等因素，最大程度保證充電樁使用率。只有將各個方面發(fā)揮到最大化，才能使系統(tǒng)達到利潤最大化，新能源得到充分利用。