光儲充一體化電站設計方案及效益分析

邵 祥，劉梓洪

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著經濟貿易發展，交通運輸系統低碳轉型勢在必行[1]。目前有效方式是普及電動或氫能源汽車[2]。預計2035年，純電動汽車將成為銷售主流，隨之而來的是大量電動汽車快速充電需求[3]。

目前國內電動汽車專用充電站數量少，且以區域配電網供電為主[4]。當電動汽車達到一定數量后，日間充電需求高，大量集中負荷會對電網產生沖擊，而配備較大供電容量在充電低峰時又會產生浪費[5]。因此本文提出利用充電站及附近建筑屋面閑置區域，安裝分布式光伏發電系統，在日間光伏發電，為充電樁供電，補充高峰負荷[6]。同時設置一定容量的儲能裝置，儲存用不完的光伏發電量，在光伏未發電時輸出，或夜間電價低谷時向電網購電，日間電價峰時輸出電能[7]。

1 一體化電站特性分析

光伏發電是通過光生伏打效應，使光伏組件內部產生電子偏移，從而產生直流電。根據組件廠家相關資料可知光伏組件在一定范圍內輸出功率隨輻照度增加而增加，隨溫度升高而減小[8]。

《關于江蘇省新能源汽車充（換）電設施建設運營管理辦法》中，經營式充（換）電站執行大工業電價，2025年低前，免收容量電費，企業可選擇執行谷峰分時電價政策[9]。《蘇發改價格發[2021]1327號》中規定，自2022年1月15日起，調整工業用電峰期為 08:00—11:00、17:00—22:00，谷期為 00:00-08:00，其他時間為平期”[9,10]。結合24 h內光伏組件輸出情況，繪制如圖1所示峰谷分時電價與光伏輸出功率示意圖。根據太陽每日運行軌跡，只有在上午11:00至下午14:00輸出功率較大，但此時電價并非最高。因此光伏發電直接并網時，經濟效益并非最大。

圖1 峰谷分時電價與光伏輸功率圖

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

圖2 某快充電站一個工作日內負荷曲線圖

2 一體化電站設計方案

2.1 一體化電站系統架構

結合一體化電站特性及充電需求，構建如圖3所示光儲充一體化電站系統，主要由以下部分組成。（1）光伏發電模塊：由組件、組逆變器等組成，將太陽能轉換成電能，且發電過程無污染、無噪音，綠色環保。（2）儲能模塊：主要由磷酸鐵鋰或三元鋰電池構成，主要作用是儲存光伏發出電能或在電價谷時充電、峰時放電以提高充電站經濟性，并且在充電負荷較大時自動投切，以減少對電網沖擊，提高電站穩定性。（3）配網供電模塊：傳統充電站的供電系統，主要由10 kV進線電纜、變壓器、高低壓配電柜等一次、二次電氣設備組成，主要作用是在任何時間保證電站供電。（4）快速充電樁：用于為電動汽車充電的終端設備，通過檢測電動汽車電池信息，上傳至能量管理系統，并給出充電方式，一般采用階段式充電。（5）能量管理系統：通過多個智能化接口，實時采集整站運行數據，并制定合適的電站運行策略，起到統籌協調功率分配的作用。

圖3 光儲充一體化電站系統結構圖

2.2 電站運行策略

相比傳統充電站由配網單一供電的形式，光儲充一體化電站有三個電源點，分布式光伏電站、儲能裝置、區域配電網三者需要相互協調，因此對于全站必須制定合適的運行策略。本文以經濟性為基礎，基于我國分時電價政策，提出如圖4所示的全站運行策略[11]。其中PPV為光伏系統發出功率，PL為充電站負荷功率，PSE為儲能剩余電量。

圖4 運行策略示意圖

（1）日間充電樁有負載時優先使用光伏系統發出的電能，若PPV＞PL，則將光伏系統向儲能充電，當PSE達到滿狀態、光伏功率仍有剩余，則將其出售至電網，獲取售電收益；若PPV＜PL，則使用儲能PSE向負載供電，當PSE＝0且PPV＜PL，則光伏系統不足部分使用市電對負載供電。

（2）晚間負載高峰期且電價也處于峰期，此時光伏系統無輸出功率，優先使用PSE對負載供電。當儲能剩余容量無法滿足負載時，使用市電對負載供電。

（3）夜間電價谷期且負荷也處于谷期，此時優先使用市電對負載供電，同時對儲能裝置充電，直至PSE達到滿狀態。

2.3 電站容量配置

通過上述運行策略分析，光儲充一體化電站的光伏容量、充電樁數量、儲能容量三者間的適配對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進行全站容量配置優化。

全站收益F計算公式為

式中：F為電站全收益；Ic為電動汽車充電收取費用；Is為光伏系統余量上網收益；Ib為國家對于充電站建設的補貼；Ctz為初始電站所有投資支出；Cym為電站后期運維成本支出；Cbuy為電站使用市電支付電費支出。

同時還需滿足約束條件為

主要約束條件為光伏裝機容量EPV、儲能容量ESE，并同時滿足任何時候負載功率PL等于光伏發出功率PPV、儲能輸出功率PSE（PSE為正表示儲能放電狀態、為負表示充電狀態）與電網功率PG（正為消耗電網電能，負為光伏系統余量上網）。除此之外，還需考慮儲能裝置的電池狀態（Stage of Charge，SOC）約束為

式中：SOCmin、SOCmax分別表示儲能裝置最小、最大荷電狀態，能夠防止儲能裝置出現過放電或過充電，提高電池使用壽命。

3 算例分析

3.1 算例參數計算

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

表1 算例計算參數

使用MATLAB進行容量配置優化求解，得出光伏系統安裝容量上限為1 MW，儲能裝機容量上限800 kW·h。通過計算得出當光伏系統安裝容量為1 MW，儲能容量400 kW·h時電站收益最高，為124.6 W元。

3.2 效益分析

某電站建設成本如表2所示。

表2 光儲充一體化電站建設成本

一體化電站主要收益來自于光伏發電上網電價0.391元/kW·h，不分峰谷；電動汽車充電基本電費收費0.8元/kW·h；充電服務費0.8元/kW·h。以此預測后6年全站收益如表3所示。

表3 光儲充一體化電站2022-2027收益測算表

本光儲充一體化電站初始建設費用約為805萬元，后續每年運營費用約為20萬元。至2027年，本站累計收益約為1 087.35萬元，成本約為925萬元，本項目投資回收期約為5.46年。

光儲充一體化電站的環境效益主要分兩方面，一方面是推進我國電動汽車保有量增長，逐漸代替傳統燃油汽車；另一方面采用太陽能發電代替傳統火力發電，為電動汽車提供充電服務。

4 結 論

本文分析了集成分布式光伏發電系統、儲能裝置、快充電樁的光儲充一體化快充電站設計方案，研究了電站運行策略及容量配置優化方法，最終結合具體算例詳細計算本文提出方案的經濟、環境效益，證明了本文提出方法的可行性。總體來看未來我國對于快速充電站的需求市場是廣大的，且光儲充一體化快充電站的優勢將越發明顯。