光儲充放檢一體化電站關鍵技術研究

馬小芳

（寧夏龍祥新能源科技有限公司）

1 光儲充檢放一體化電站概述

近幾年，隨著新能源的迅速發展，光伏發電、風力發電等發電系統的電力輸出方面存在很大的波動問題，對電網的安全穩定運行造成一定程度上的影響，從而制約了光伏發電以及資源浪費。而光儲充檢放一體化電站作為儲能系統的重點研究課題，太陽能具有可持續發展、可再生等特點，通過對光儲充一體化電站的技術和系統建設，對促進我國新能源領域發展以及電網安全穩定運行乃至雙碳環保等方面都具有重要現實意義。同時，從其工作原理方面來看，光儲充檢放一體化電站主要利用光伏發電，產生的余電存儲到儲能設備中，共同承擔供電、反向充電任務[1-2]。使得電站建設過程中存在的有限土地以及配電網問題得到了解決，并借助對電能的存儲以及優化配置，實現了對本地能源的生產以及平衡用戶用電產生的負荷。當處于用電低谷狀態時，電站可給自身或電動汽車充電。在用電高峰，電網供電不足時，光儲充一體化電站可給電網供電，起到削峰填谷的作用。

2 光儲充檢放一體化電站的組成

光儲充檢放一體化電站主要由光伏發電系統、儲能系統、充電樁系統、電池檢測系統、能量管理系統等五個部分組成，具體如圖1所示，滿足了一體化電站特性以及快速充電、電池檢測服務以及反向供電等方面的需求。因此，每項功能的互相配合執行，能夠確保一體化電站的供電能力、發電能力以及儲能能力得到充分發揮。并借助直流微電網技術和儲能系統，為車輛提供更加高效和穩定的充電服務；儲能系統中存儲的電能資源還能夠為充電樁提供服務，以此降低能源的消耗和電網的負荷。由此可見電站的建設不僅實現了對能源的優化配置，還實現了為新能源電動汽車提供穩定的供電服務，為新能源汽車的普及奠定了堅實的基礎。而磷酸鐵鋰儲能系統的運用，更是增強了整個充電樁的安全性和穩定性。其超長的使用壽命和卓越的安全性能，使得光儲充檢放一體化充電樁在提供高效能源補給的同時，也保證了使用的安全性。電站中充電樁的設計，配備了超級快充技術，通過利用180～480kW超級快充樁，能夠進一步縮短新能源汽車補電的時間，解決了汽車“充電難”的問題，這無疑為新能源汽車的普及和推廣提供了強大的支持。值得一提的是，光儲充檢放一體化充電樁還搭載了電池檢測功能。通過利用云端檢測技術，實現了對新能源汽車在充電時對車輛電池狀態的實時監測，且監測過程當中用戶并不需要將車載電池拆卸，就能夠實現對電池的檢測，并在充電工作完成之后得到相應的檢測報告。而檢測報告的內容主要涉及車載電池的風險預警方面、保險定損方面、電池殘值評估方面以及電池回收利用方面等問題。最后，電站還具有反向供電能力，可以對市電網進行供電，以滿足用戶的用電需求[3]。

圖1 光儲充一體化電站系統總體結構設計示意圖

3 光儲充檢放一體化電站中的關鍵技術研究分析

以某市為例，該城市計劃打造一座具有光儲充檢放+反向供電的一體化電站，旨在為用戶提供交直流混合供電服務。具體一體化電站設計時的關鍵技術如下。

3.1 光伏發電系統

在光儲充一體化電站中，光伏發電系統的設計主要由逆變器技術和光伏組件技術等兩種技術組成。

3.1.1 逆變器技術

逆變器技術是光伏電站中不可或缺的一部分，隨著電站類型的多樣化，逆變器產品也在不斷發展和完善。因此，為了能夠進一步降低光儲充一體化電站的建設成本，各大功率等級的集中式逆變器以及系統將成為未來電站發展的需求。而隨著組串式逆變器的功率逐漸提升，為商業化光伏發電站的建設提供設備上的支持，滿足用戶的需求，逆變器的保護功能也在不斷完善，并進一步提高電網的適應性，確保發電系統的安全。這些技術的進步不僅提高光伏電站的效率和可靠性，也為光伏行業的可持續發展奠定基礎。逆變器技術的不斷創新也將推動光伏行業的可持續發展，為實現碳中和目標做出更大的貢獻。

3.1.2 光伏組件技術

光伏組件也被稱為太陽能電池板。該組件作為光伏發電系統當中的核心技術，是由高達幾十塊太陽能電池片與框架、接線盒共同組成的。但由于單個體的太陽能電池無法直接作為電源應用，因此只有對其進行串、并連接和封裝才能夠組成電源。其工作原理，當太陽光的光能照射在光伏發電電池片的半導體p-n結構上，電池片中的半導體就會形成一個新的空穴電子對，并在其電場作用之下，接通n區到p區的電路，并形成電流。簡單來說，就是將太陽能轉換成電能，并輸送到蓄電池區域存儲起來。該光伏組件當中常用的太陽能電池板中所應用的電池片技術有4種類型：晶體硅光伏組件技術、單晶硅光伏組件技術以及一種摻入“硼”的硅片的P型光伏組件；摻入“磷或者砷”元素的N型光伏組件，其組件的轉換效率約為21.1%～22.5%，且該兩種組件在2023年已經完成量產[4]。

3.2 整流器設計

整流器是電力系統中的重要組成部分，其設計需要充分考慮模塊化、高效能和穩定性。在本次設計中，選擇利用隔離式變壓器與交流電網進行接入，用電氣隔離的方式隔離直流母線與交流電網，確保系統的安全與穩定。核心的變流器模塊是設計的重點。為了滿足100kW的功率需求，選用了雙向式AC/DC變流器，通過并聯的方式將相關模塊和交流側進行連接。這種設計方式不僅提高了系統的可靠性，還為后續的維護和升級提供了便利。針對變流器模塊的設計采用通用性和模塊化設計理念，對“1”式三電平逆變拓撲結構進行優化。這種拓撲結構作為整流器的主電路，不僅簡化了設計，還提高了系統的穩定性和效率。在濾波器的選擇上，選擇LCL濾波器作為交流側的濾波元件，同時在直流側采用CL濾波器設計。這種組合可以有效降低電流和電壓的紋波，提升電能的純凈度，為后續的電能利用提供優質的保障。在整流器的實際運行中，當它處于充電模式時，“1”式三電平變流器可以將電網側的交流電高效地轉換為直流電，并直接為儲能系統和汽車提供電能供給。放電模式下，變流器還可以將直流電轉換成交流電，并回饋到電網中。滿載情況下，整流器可以在極短的時間內完成從放電到充電，或從充電到放電的快速轉換[5]。

3.3 儲能系統設計

儲能技術是光儲充一體化電站的重要組成部分，其作用是儲存多余的電能，并在需要時釋放出來。從儲能系統方面來看，該模塊的設計主要由四個部分組成：電池組與BMS（電池管理系統）、PCS（儲能變流器）、能量管理系統（EMS）、并網電壓需求進行配置對應的升壓變壓器，具體系統設計如圖2所示。其中，儲能變流器（PCS）是實現能量雙向轉換的核心設備，具有遠程控制和自控能力。它可以支撐電網安全穩定運行，還能夠為光儲充放檢一體化電站提供抗短時沖擊功能、平滑供電功能、儲能功能以及削峰填谷等調節保護功能。監控調度管理模塊則是由MGCC和EMS等兩個部分組成，也就是中央控制系統和能量管理系統，起到對儲能系統的實時監控、調度與管理等作用。

圖2 儲能系統架構設計框圖

當儲能系統為放電狀態時，Buck和Boost雙向變換電路均會在Boost工作模式下繼續運行。這種配置確保了高效的能量傳輸，并增強了系統的穩定性。為了保護儲能裝置，采用恒壓限流放電方式，通過實時監測儲能裝置的端電壓，可以避免出現過放現象，確保其長期穩定運行。在放電控制方面，采用雙閉環控制策略，解決儲能系統發生過度放電的情況。外環的電壓環主要負責母線電壓的穩定，只有這樣才能夠為用戶提供更加穩定和持續的供電服務。并以快速響應的方式確保電流內環出現過放的現象，從而使得系統的安全性得到提升。當出現負載突變時，超級電容的超快響應速度，能夠迅速加大電流的輸出，而蓄電池則通過限幅器進行較小電流的輸出，確保系統的穩定運行。這種協同工作方式，既保證了系統的響應速度，又增強了其穩定性和可靠性。

3.4 充電系統技術

充電技術是光儲充一體化電站的重要應用之一。其充電方式主要分為兩種：交流充電和直流充電。交流充電適用于家庭和公共場所，充電速度慢，但建設成本低；而直流充電適用于快速充電站，充電速度快，但建設成本高。因此，開發高效、快速、安全的充電技術是當前研究的重點。

3.5 電池檢測系統設計

電池檢測系統是光儲充檢放一體化充電站的核心部分之一，它的主要任務是實時監測各電池的溫度、電壓等關鍵信息，確保電池的安全運行和穩定供電。在設計這一系統時，充分考慮光儲充檢放一體化充電站中電池的數量，以實現精確、高效的監測。為了全面覆蓋所有電池，根據每簇電池的數量設置了相應的電池檢測單元。通常，在每簇電池內，會部署18個電池檢測單元，確保每個電池都能得到實時的監測。這種設置方式不僅提高了監測的精度，還極大增強了系統的可靠性，確保電池管理系統與電池檢測單元兩者之間的穩定通信。這種通信方式使得管理系統能夠實時獲取電池的運行數據，包括溫度、電壓等信息。通過這些數據，管理系統可以動態化地對電池組的運行情況進行全面監測，及時發現潛在的問題或故障，采取對應解決措施或者進行預警、修復。實現對電池全方位的監測，確保其安全、穩定地運行，為新能源汽車提供持續、可靠的能源支持。

3.6 直流和交流耦合技術

在光儲充一體化電站中，耦合技術是一個關鍵環節，它決定了光伏系統和儲能系統之間的連接方式和能量傳遞效率，根據光伏系統和儲能系統的技術特點進行選擇和應用。目前，直流耦合技術和交流耦合技術是電站當中的兩種主要適配技術。首先，從直流耦合技術方面進行分析，光伏組件中輸出的直流電會直接經過匯流箱，在完成匯集之后，通過直流變流器（PDS）直接和儲能變流器（PCS）實現連接。與此同時，PCS也直接連接電池。并且，在儲能交流器的控制下，光伏的直流電能夠直接被用于對蓄電池的充電，或者將其轉換成交流電為超級充電樁提供支持。光伏直流電可以直接用于對蓄電池進行充電，避免先轉換成交流電再充電的能量損失，因此具有更高的系統效率和能量利用率。其次，從交流耦合技術方面分析來看，該技術能夠將光伏組件輸出的直流電通過逆變器轉換成交流電，并利用儲能變流器將蓄電池輸出的直流電轉換成交流電。由此可見，這兩種交流電匯流之后，均可以為充電樁提供供給服務。但與直流耦合技術相比，它需要進行交流/直流的轉換，因此系統能量損失較大，效率也相對較低。綜合分析來看，直流耦合技術在光儲充一體化電站中的應用更具優勢。由于光伏直流電可以直接對蓄電池進行充電，避免了交流/直流轉換的能量損失，因此系統效率更高。

3.7 能量管理系統

能量管理系統在光儲充一體化電站中起到至關重要的作用，這一系統不僅確保電站的穩定運行，提高運行效率，還為電站的調度控制中心提供數據采集、管理、監視、控制和優化的全面功能。能量管理系統不僅為每個能源控制器設定了功率和電壓的設定點，還提供在系統故障情況下進行孤島運行與重合閘的邏輯與控制方法，進一步增強系統的可靠性和安全性，為一體化電站提供了全面的支持。這樣做的目的是滿足電站內部的熱負荷和電負荷需求，同時確保與主網系統的正常運行協議。通過這樣的方式，以最小化能源消耗與系統損耗，實現更高效的能源利用。此外，能量管理系統還具備云平臺功能，使得管理人員無論身處何地都能實時監控和控制電站系統，從而更好地了解電站的運行狀況。

4 結束語

綜上所述，光儲充檢放一體化電站作為一種新型的能源系統，具有廣闊的應用前景和市場潛力。然而，要實現光儲充一體化電站的廣泛應用，還需要在太陽能發電、儲能技術和充電技術等方面進行更深入的研究和創新。未來，隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，光儲充一體化電站將在能源領域發揮越來越重要的作用。具體而言，以下方向值得深入研究：一是提高光電轉換效率和穩定性；二是降低儲能設備的成本和安全隱患；三是開發高效、快速、安全的充電技術。通過這些研究，有望推動光儲充一體化電站的廣泛應用和發展。