高速公路服務區光儲充電站運行控制分析

中交資產管理有限公司 李 根

因傳統燃油汽車在使用過程中限制性因素有所增加，使得新能源汽車在近年來越來越受人們的青睞。相關數據顯示，截至2022年國內的新能源汽車位居國際首位，并且占國際比重的60%以上。并且到2023年4月底國內的新能源汽車已經完成了49.44萬輛的銷售額，同比增長86.28%。

本文以某區域內的光儲充電站發電項目為例，其日均發電量約為4000kWh，可滿足該服務區內的日均用電需求。其在本地的光伏發電項目中光儲充能源項目的容量是1.296MV，光伏區域的占比約為69.32%，而其中充電樁區域的實際占比是3.62%，儲能區域的占比是21.04%。其具備實現充電樁+光伏+儲能為一體的功能。并且服務區內會將所產生的電量，優先給到充電樁使用，然后給到儲能系統進行充電。將剩余的部門服務區使用，若服務區內存在無法消納的電量，則直接與公共電網對接。

1 高速公路服務區光儲充電站運行控制問題

結合對白皮書的研究可知，在使用電動汽車時，日均充電高峰為下午5：00～7:00點，下午的12:00～16:00點以及夜間的23：00至次日1：00點。并且用戶的平均充電量為245/6kWh，充電時長約為49.3min。單次的充電金額是25元，每日需充電1.4次。在此背景下，即便充電基礎設施目前已經取得進步，但仍存在一些問題，值得相關人員研究及改善，具體如下。

1.1 充電網絡覆蓋度低

國內目前已經建成了4.9萬km 的高速公路快充網絡，而在部分區域內的支線地帶，仍存在未完全覆蓋的情況，因為技術故障以及車位被占據等因素影響，使App 內顯示有可充電車位，但達到后卻被燃油車或者是其他車輛占位，無法進行充電。因為布局有盲點，所以充電網絡覆蓋度整體較低。

1.2 充電車位環境較差

在充電車位附近的管理工作仍須加強，在完成充電后，存在隨意扔充電槍等問題。也存在車主插隊充電等情況，降低新能源汽車使用者的體驗感[1]。

1.3 充電電樁缺少維護

充電樁的整體布局方式不合理，因為各個充電設施的運營企業未合理地處理充電App，使人們所使用的導航服務仍有欠缺。使汽車的保有量下降并且充電站內的冷熱分布不均勻，區域性充電樁限制，還有部分區域無樁可用，接口不兼容，充電樁損壞等問題，都是充電樁在維護環節可能遇見的問題[2]。

1.4 相關配套設施匱乏

在高速公路內的偏遠地帶存在充電樁數量不足的情況，相關配套設施的匱乏，無法保證充電站能夠完成超前布局，使分散建樁更不易被管理。若存在自行建樁的情況，也會增加安全性方面的影響[3]。

2 高速公路服務區光儲充電站運行控制措施

2.1 提高充電網絡覆蓋度，加強光儲充電系統設計

為實現對高速公路服務區內光儲充電站的控制，應提高充電網絡的覆蓋度，適當加強系統設計，運用成對方式，將充電站布置在公路的兩端。這樣，采用地區電網的供電方式，則可讓一段由饋電電纜完成接入操作，使得總降電壓的變電室能夠順利提供電能[4]。

首先，以某地的服務區為例，在充電樁項目建設期間，可以實現對空地資源的升級改造，增加儲能裝置在此期間的應用，讓所連接的電纜長度有所延長，如此則可降低電壓后續所帶來的影響，從前期設計活動開始，就保障了配電系統的安全性（如圖1所示）。

圖1 光儲充電系統設計圖

其次，可以運用單位公路的運行方式，讓接入點電壓具備可調節的功能。使低壓電力區域的受力偏差值是-7%～+7%，在簡化設計流程的同時，順利生成光儲充電電路。其中，服務區內南側的負荷電壓是U1，北側的負荷電壓是U2；電網接入的電壓是Ug。而K、Z則為低壓側的變比和等效阻抗；Z1是饋電線路和總降壓變電室的等效阻抗；Z2為等效南北兩側的等效阻抗；IPV表示并網電流。若通過公式來確認在單位功率因數運行過程中的并網電流為：IPV=-mU2。并且，若服務區已經完成光伏發電系統的新增工作，則其中的負載電壓可通過公式表示，具體如下：

而其中的發電功率，也可運用公式表示，具體為：

如此，在服務區內電纜參數以及配電變壓器等條件為已知后，則可根據上述公式內容，完成南北兩側的電壓計算工作。掌握U1，U2如何變化，列出光伏電源的具體接入功率。也可通過趨勢曲線來掌握電網接入點內Ug的變化情況。當Ug=1pu時，配電變壓器內的T1也會發生變化，使其中的額定電容在400kVA 左右。若光伏電源與功率對接時，其變化幅度就會增加，使得服務區內的南側電壓變化范圍縮小，而U2的變化范圍則相對明顯。若在高速公路服務區內的光伏電源整體接入容量已經增加到了140kW，則南側的電壓則會超出7%的上限。這也說明，此時電壓存在越限的可能。

最后，為防止此方面問題的發生，應確認電壓的最大超出限值，加強對光伏電源的運行狀況的了解，從而確保相關設備能夠安全地運行。同時，也應把控光伏電源的整體利用率，防止其發生利用率較低的問題。

2.2 營造良好光儲充電環境，強化光伏發電滲透率

為營造出良好的光儲充電環境，應對公共充電樁的利用率進行提升。例如，若日均通勤距離為70km，則3～4日完成一次充電即可。此時，應在App 內準確地標注充電樁的位置，縮短新能源汽車的充電時間。并且，可以結合相關標準中的要求，讓光伏逆變器能夠與控制指令相互對接，讓光伏單元可以更改無功出力的形式。

這樣，若光伏發電過程中，系統內的功率因素角是φ，則其中的并網電流則為：IPV=-m（1+jtanφ）U2。同時，可以采用簡化分析的方式，完成南側負荷電壓的假定，讓U1值能夠維持在可控范圍內，以降低北側負荷所帶來的影響，使得服務區內南側的電壓幅值能夠運用公式表達：

如此，則可了解在服務區內光儲充電站中的無功功率是否有增大的可能。同時，可采用無功功率的合理調節，讓光伏的發電滲透率有所提高。并且，讓服務區不會處于輕載的條件，使得服務區內的充電樁不會出現電壓超限的情況。另外，也可通過EMS 系統的輔助，讓其與集線器、電能質量分析儀、微網控制器相互銜接（如圖2所示），提高光伏逆變器無功容量的利用率，以防止系統中的電量發生過度損失的情況。

圖2 光伏發電滲透流程圖

最后，也應減少饋電電纜所帶來的影響，讓多根電纜采用并列的運行方法，分擔電纜載流量。這樣，則可使光充電站在完成降壓的同時，使同等容量的光伏電順利分配。

2.3 加強對充電樁的維護，制定光儲充電站運行控制方案

為強化高速公路上光儲充電站運行效果，提升充電樁的利用率，應防止光伏發電系統出現問題。首先，應保證光伏系統的正常運行，避免電壓發生超限的情況，采取行之有效的操作方式，防止資源浪費并將投資回收期縮短。如此，則可加強對充電樁的維護，讓其能夠延長使用年限。

其次，應了解光伏負荷用電、光伏發電出力的情況。增加對電價信息等諸多方面的重視。采用合理的控制方式，讓儲能裝置順利充放電。如此，則可增加在光儲充電站運行環節的收益。并且，也可強化儲能逆變器、光伏逆變器的具體功能，讓服務區內的電壓能力有所提升。這樣，則可讓系統中的電能損耗有所減少。

這樣，在上述控制目標達成后，方可形成完整的能量管理系統。以實現對電壓水平、電壓越限、電壓負荷及檢測模塊、儲能充放電模塊的控制。使得所得到的數據內容，都可以采用遠程發布的方式，上傳到能量管理系統當中，以增加在后續管理活動方面的助力。

最后，若光伏的發電量相對較大，則服務區內所產生的電負荷則相對較小。因此，應了解光伏并網電力的具體反饋方式，輸電線路上能夠順利地形成電壓。則可運用電壓控制模塊，開展實時的檢測工作，使得所設定的閾值與電壓值能夠相互比較，讓其不會超出閾值。則可充分利用光伏逆變器，讓其中的無功能力可以確認，以降低服務器內的電壓。

2.4 增加相關配套設施，執行仿真測試及驗證操作

為保證公共充電網絡建設活動的順利開展，應適當地把控公共充電網絡建設的質量與數量，讓建設的布局結構更加嚴謹，防止地域不平衡等問題，對本項目造成影響。

首先，可采用改建、新建以及擴容的方式，實現對充電樁的合理布局，重點加強高速公路服務區內充電樁的密度，以保證后續的充電需求能夠得到滿足。并且，可以基于高速公路服務區的運營能力以及建設能力，實現對充電場站服務等級的認證，以保證公共充電網絡服務的質量有所提升。

其次，須實行仿真測試及驗證操作。優先生成數字化的仿真裝置，完成降壓變、供電電網、饋電線路、用電負荷、光伏發電系統、儲能裝置等的組裝操作，形成光儲充電站模型。這樣，則可保證儲能逆變器、光伏逆變器以及能量管理系統的合理銜接。也可依靠RTDS 仿真平臺，實現實物控制器與仿真平臺之間的對接。如此，則可采用電壓、SOC、電流、PWM 等脈沖信號，實現光伏逆變器與能量管理系統的銜接，使得現場內的控制器能夠保持一致。這樣，則可防止電壓不平衡等問題的發生。

最后，可運用三相電壓的不平衡測試方式，實現對所記錄波形的測試，保證在能量管理工作當中，各區域內的調節功能可以被強化。若儲能裝置已經停止工作，則可讓光伏發電系統以限功率的形式出現。結合三相電壓幅值的差異值進行分析，當其達到10.55%時，則可說明此時為夜間，光伏發電系統未工作。

與此同時，應增加對RTDS 仿真平臺的了解，使儲能充放電以及電壓水平狀態都能夠被調節。并且經過測試發現，在冬季時，充電站內的電壓幅值差異會變大，而在部分時段，電負荷中的電壓幅值會降低到12.9%。如若此時，對發電數據進行輸入量的仿真驗證，則可了解到三相電壓的幅值在此狀態下是保持一致的，而光伏發電系統中的無功功率正維持在平衡狀態，并且可以規避用電設備的不正常用電風險。而儲能裝置若處于電價谷段，則在凌晨1：00點左右，充電功率是57kW，而在5：00點則可完成充電。當電價處于峰段，也就是8:00～11：00，可以確認光伏發電系統的輸出功率，讓電價平衡點是11：00點，并且可以運行剩余的光伏，讓充電電能完成補充操作[5]。