并網(wǎng)光伏充電站的直流耦合探究

摘要：針對(duì)并網(wǎng)光伏充電站直流模塊可能存在的問題，基于光伏發(fā)電系統(tǒng)和國家電網(wǎng)的直流耦合，優(yōu)化太陽能、儲(chǔ)能設(shè)備、電網(wǎng)之間的電能分配，實(shí)現(xiàn)三者的智能聯(lián)合和切換。供電模塊優(yōu)先向充電站監(jiān)控系統(tǒng)和運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)施供電，再采用先進(jìn)算法為汽車動(dòng)力電池提供更為穩(wěn)定的充電。據(jù)此，分析了新光伏充電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了直流電路耦合模塊的原理和算法，并對(duì)光、電和儲(chǔ)能裝置充放電能量流方向進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)光伏充電站；直流耦合；能量流；動(dòng)力電池充電

中圖分類號(hào)：U461 收稿日期：2024-05-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407023

1 前言

隨著電動(dòng)汽車的大量推廣使用，光伏充電站由于其環(huán)保特點(diǎn)和性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，越來越受到國家和社會(huì)的重視。并網(wǎng)光伏充電站可以在電網(wǎng)低谷時(shí)段選擇從國家電網(wǎng)購買電量儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置里，解決光伏發(fā)電量供不應(yīng)求的情況。相反地，當(dāng)國家電網(wǎng)到高峰時(shí)段用電壓力較大時(shí)，可以反向供電給國家電網(wǎng)[1]。

儲(chǔ)能裝置、直流充電樁、光伏板和配電設(shè)施的反向供電和正向輸送電路復(fù)雜、能量損耗大，若采取合理能量流算法，簡化太陽能、儲(chǔ)能設(shè)備、電網(wǎng)之間的電能分配，使場(chǎng)站設(shè)施和直流充電樁及時(shí)使用太陽能，減少電能的存儲(chǔ)，提高能量利用率。這種優(yōu)化能量流算法的光儲(chǔ)充直流電路即為本文重點(diǎn)研究內(nèi)容。

2 并網(wǎng)光伏充電站直流電路的算法原理

并網(wǎng)光伏充電站是由分布式光伏、用電電荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護(hù)裝置組成的小型供電系統(tǒng)。太陽能和配電網(wǎng)通過直流母線實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁和儲(chǔ)能電池的電能分配。儲(chǔ)能裝置通過直流母線可以儲(chǔ)存多余太陽能和低價(jià)電力，并在充電樁功率不足補(bǔ)充電能。監(jiān)控系統(tǒng)和運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)施同樣需要光伏供電。下面將根據(jù)直流母線的運(yùn)行原理設(shè)計(jì)相應(yīng)算法。

如圖1所示，為提取直流部分設(shè)計(jì)的算法，采用單片機(jī)控制電路光和電的耦合，在太陽能、儲(chǔ)能設(shè)備、電網(wǎng)一方弱勢(shì)時(shí)此實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)電源對(duì)弱勢(shì)電源的切換，盡量減少傳輸至儲(chǔ)能裝置的總電量，從而減少電能傳輸?shù)南模瑢?shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的合理容量。太陽能與電網(wǎng)直接向充電站監(jiān)控系統(tǒng)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)供電能減少充電站對(duì)電網(wǎng)的依賴程度，更加充分利用太陽能。儲(chǔ)能裝置能直接地響應(yīng)電網(wǎng)電價(jià)波動(dòng)，適時(shí)存儲(chǔ)電量。采用此能量流算法能使光伏充電站結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

3 模擬并網(wǎng)光伏充電站直流電路耦合的方法

對(duì)于電動(dòng)汽車快速充電相當(dāng)于將直流電加載到巨大電容上，電動(dòng)汽車的電池相當(dāng)于數(shù)千個(gè)小蓄電池和小電阻的串聯(lián)和并聯(lián)。18650電池的能量約為8 W·h、2 200 mA·h。實(shí)際充電過程是分割高壓和大電流（120 kW的充電電源，輸出電壓200～750 V，最大電流200 A），形成數(shù)千個(gè)小電流。小電流分別給數(shù)千個(gè)電芯充電，每節(jié)電池的截止電壓約為42 V（具體的截止電壓取決于電池的類型）。若動(dòng)力電池分為20節(jié)18650并聯(lián)，每節(jié)18650電池最大有10 A（200 A/20=10 A）電流，充電倍率約為5 C（假設(shè)18650為2 200 mA·h，10A/2 200 mA=45 C）。

根據(jù)電池串并聯(lián)原理，可以取一塊美國A123汽車動(dòng)力鋰電池（快速充電倍率5 C，電芯單體2 200 mA·h）為電動(dòng)汽車充電模擬；用700 mm×670 mm的80 W太陽能板模擬光伏陣列；用家用220 V電源模擬光交流配電網(wǎng)模塊；后續(xù)可結(jié)合實(shí)際光伏場(chǎng)站的參數(shù)仿真。用動(dòng)力鋰電池充電，要求是比較高的，一般先用一定的電流充電，等電池達(dá)到一定電壓再轉(zhuǎn)換為恒電流充電。接入42～5 V電壓的太陽能輸入端，添加太陽能充電模塊，并聯(lián)一儲(chǔ)能電容，直接AC/DC轉(zhuǎn)換家用交流電為5 V恒壓電源。恒壓充電法采用恒定不變的電壓值給蓄電池充電，它的缺點(diǎn)如果選擇的充電電壓過高，則會(huì)使充電初期的充電電流過大，容易損壞電池；如果選擇的充電電壓過低，則會(huì)使蓄電池充電不足[2]。當(dāng)5 V給37 V電池充電的電壓時(shí)應(yīng)增加充電管理電路，以防止過電壓、過放電、短路等[3]，再按照?qǐng)D1的能量流算法控制直流電轉(zhuǎn)換。隨著電池SOC的提高，電源切換，充電電流發(fā)生變化且小于10 A。充電倍率可達(dá)5 C，對(duì)單一動(dòng)力電池供電，直至鋰電池電壓達(dá)到42 V。

圖2所示的單片機(jī)需要采集充電過程中的電壓電流狀態(tài)，用于分析電池充電特性。本文采用分流器測(cè)量充電電流。電池的回路中串聯(lián)一個(gè)分流電阻（shunt電阻），實(shí)際上就是一個(gè)15 mΩ的電阻，當(dāng)電流流過分流器的時(shí)候，可以通過測(cè)量兩端的小壓降計(jì)算出電流的大小，以擴(kuò)大測(cè)量范圍[4]。根據(jù)上文，充電電流范圍在10 A內(nèi)，最大工作電流時(shí)在分流器上產(chǎn)生最大值為150 mV的壓降。相關(guān)公式如下：

R（分流器的阻抗）=Vmv（表頭標(biāo)志滿度電壓）/ImA（表頭滿度電流）

IA（充電電流）=Vmv（電壓表數(shù)值）/R（分流器的阻抗）

4 實(shí)際電路和光伏場(chǎng)站設(shè)計(jì)

a.LCD1602液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)。液晶顯示模塊接收分流器電壓信號(hào)，輸入分流器阻值，根據(jù)分流器公式計(jì)算充電電流；同時(shí)接收電壓表信號(hào)，輸出動(dòng)態(tài)充電電壓。將充電電壓電流信號(hào)輸入STC89C52單片機(jī)控制模塊，成為能量流控制參數(shù)。

b.5 V繼電器控制電路設(shè)計(jì)。繼電器控制充電電流不超過10 A，當(dāng)電流過大時(shí)熱量高，溫度保護(hù)降低電流。充電電壓不超過5 V，汽車動(dòng)力鋰電池最大電壓不超過42 V。相應(yīng)的電路原理如圖3所示。

c.單片機(jī)代碼設(shè)計(jì)。按照?qǐng)D1能量流算法控制單片機(jī)三個(gè)端子，輸入太陽能充電特性和動(dòng)力電池額定電壓，按照?qǐng)D2設(shè)計(jì)出光伏智能充電器模塊。算法中并未涉及依據(jù)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的充放電控制。單片機(jī)代碼如圖4所示。

5 模擬場(chǎng)站經(jīng)濟(jì)效益大概測(cè)算

智能光伏充電場(chǎng)站的特點(diǎn)大概三種：

a.可以確定各時(shí)刻目標(biāo)并網(wǎng)負(fù)荷功率，從而提高電力銷售的效率。

b.并網(wǎng)光伏充電站相對(duì)于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電可以減少大量的CO2排放。

c.降低運(yùn)營成本并提高經(jīng)濟(jì)效益。

以江蘇省某單位進(jìn)行市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)，已知光伏板在江蘇省一年中平均每天所受光照7 h，省內(nèi)某一單位建設(shè)了一個(gè)60 kW·h的光伏車棚，采用一體化整體設(shè)計(jì)。光伏車棚部分為365 kW，國家電網(wǎng)部分為235 kW，另配置了60 kW·h的儲(chǔ)能電池。此車棚包含16個(gè)車位，其中10個(gè)交流慢充車位，6個(gè)直流快充車位[5]。其中慢充車位平均功率為3 kW且需平均充電7 h，快充車位平均功率為10 kW，且平均充電2 h。通過數(shù)據(jù)可知，江蘇省國家電網(wǎng)一度kW·h電費(fèi)為055元，且光伏充電裝置1 kW·h向外出售04元，則通過最大經(jīng)濟(jì)效益可以計(jì)算出在16個(gè)車位同時(shí)充電時(shí)，10個(gè)慢充車位與3個(gè)快充車位同時(shí)充電，其功率剛好為60 kW，其余3個(gè)快充車位用儲(chǔ)能電池充電。如此下來，每天可賺取110元。一個(gè)2×8×30光伏板成本80元，480塊的成本38 400元，且光伏板平均生命周期為25年，按照此效益，一年產(chǎn)生效益40 000元。若不算用地成本等，在一切正常情況下可持續(xù)24年盈利。

6 結(jié)語

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的擴(kuò)大，未來光伏充電站的前景廣闊，而光伏充電站的并網(wǎng)供電型式可能成為主流。本文依托大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，通過一個(gè)能量流算法，實(shí)現(xiàn)了用一塊太陽能板和家庭交流電借助儲(chǔ)能電容對(duì)一塊動(dòng)力電池的充電，提出優(yōu)化光儲(chǔ)充直流電路的構(gòu)想，以提高能量利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱宇琦，馬健光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站直流微網(wǎng)運(yùn)行控制策略研究[J]渤海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，42（2）：187-192

[2]李琳電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電方法的研究[D]保定：華北電力大學(xué)，2013

[3]龐靜，盧世剛，劉莎鋰離子電池過充特性的研究[J]電化學(xué)，2005（4）：398-401

[4]孫景榮焊接名詞術(shù)語釋義大全[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[5]固威德如何建設(shè)一個(gè)光儲(chǔ)充電站-光伏系統(tǒng)解決方案[EB/OL]（2023-05-19）[2024-2-10]https：//cngoodwecom/photovoltaic-system-solutions/4536html

作者簡介：

焦淑豪，男，2003年生，本科在讀，研究方向?yàn)檐囕v工程。

馬振江（通訊作者），男，1980年生，講師，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程。

基金項(xiàng)目：東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“基于光伏充電的汽車充電站儲(chǔ)能裝置”（S202310225186）