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能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)現(xiàn)實(shí)意義
光儲(chǔ)充一體化的電動(dòng)汽車充電站是將可再生能源光伏發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合共同組成充電設(shè)施的電能補(bǔ)給系統(tǒng)，光伏和儲(chǔ)能相互結(jié)合可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，就地消納了光伏能源，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的整合，提高了可再生能源的滲透率，將充電站與可再生能源有效銜接，在用電高峰時(shí)，減輕了電動(dòng)汽車超充時(shí)高電壓、大電流對(duì)配電網(wǎng)造成的沖擊，能夠很好地滿足各類型電動(dòng)汽車的快充需求；
夜間用電低谷時(shí)，則會(huì)給自身儲(chǔ)電，起到局部微網(wǎng)削峰填谷的作用。有效緩解了充電站充電負(fù)荷的不確定性所產(chǎn)生的不利影響，節(jié)省了配電增容費(fèi)用，彌補(bǔ)了太陽能發(fā)電連續(xù)性不佳的缺點(diǎn)。
合理的配置優(yōu)化光儲(chǔ)充一體化充電站，或?qū)⒊蔀槌潆娫O(shè)施未來發(fā)展的主流方向，能夠獲得更高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
在新能源發(fā)電占比逐漸加大的背景下，光伏與風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電力波動(dòng)更明顯，直接威脅了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，資源浪費(fèi)問題逐漸凸顯出來，使得新能源發(fā)電推廣應(yīng)用被制約。
光伏系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能配置也逐漸發(fā)展成主要研究方向。在電動(dòng)汽車數(shù)量增加的同時(shí)對(duì)于充電需求也明顯加大，早期老舊小區(qū)、高速公路和公共場(chǎng)所建設(shè)的充電場(chǎng)所在配電容量方面也逐漸出現(xiàn)問題。
為此，新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)與推廣的商業(yè)價(jià)值突出，同樣可促進(jìn)電動(dòng)汽車以及新能源的發(fā)展。
新能源光儲(chǔ)充一體化電站闡釋
▌電動(dòng)汽車型
電動(dòng)汽車充電樁分為交流電和直流電兩種。前者主要是交流電源充電輸入端與交流電網(wǎng)連接，輸出端依靠插頭與電動(dòng)汽車連接，以3kW、5kW、7kW小功率為主，不僅體積小且具有較強(qiáng)的適用性，安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，但充電速度緩慢，通常用于居民小區(qū)與商場(chǎng)。
而后者的功率以60kW、120kW為主，能滿足各種電池的各種充電方式，充電速度較快但需要配置較多設(shè)備，重量大且占地面積相對(duì)較大。
在追求碳中和目標(biāo)的過程中，優(yōu)先開發(fā)當(dāng)?shù)氐目稍偕茉床⒔Y(jié)合儲(chǔ)能新技術(shù)是電動(dòng)汽車充電站建設(shè)的大趨勢(shì)，太陽能為清潔能源，光伏組件的結(jié)構(gòu)安裝也較為簡(jiǎn)單，在充電站儲(chǔ)能的基礎(chǔ)上，可使光伏輸出波動(dòng)頻率得到緩解。
▌戶用型
此類型電站發(fā)電十分方便且靈活，具有自發(fā)自用的特點(diǎn)，被廣泛用于醫(yī)院、住宅區(qū)與學(xué)校。戶用型光儲(chǔ)充結(jié)構(gòu)（圖1）主要包括三類：
1）直流結(jié)構(gòu)：?jiǎn)文妇€結(jié)構(gòu)，采用單母線將變換器與各負(fù)荷單元分段接線，各單元之間的電壓相同；雙母線結(jié)構(gòu)，分為兩個(gè)電壓等級(jí)，其中一條回路中斷，另外一條作為備份母線便會(huì)繼續(xù)給設(shè)備正常供電；
2）交流結(jié)構(gòu)：交流母線主要是電網(wǎng)經(jīng)變壓器形成，轉(zhuǎn)換量較大，電能損耗也更大，因此效率較低，成本較高。交流母線由光伏形成，經(jīng)變換器實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，兩者都是經(jīng)獨(dú)立的dc-ac變換后接入電網(wǎng)；
3）交直流結(jié)構(gòu)：交直流混合節(jié)省了發(fā)電端與受電端之間的交直流變換的環(huán)節(jié)，將交流和直流連接后任然可以單獨(dú)進(jìn)行控制。且用電效率和穩(wěn)定性更高，具有較多的應(yīng)用場(chǎng)景。
新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)
▌光伏電池出力
光伏電池是用硅片、無機(jī)鹽化合物、功能高分子材料、納米晶等材料制作而成，利用以上材料吸收太陽光能后，物體內(nèi)電荷分布狀態(tài)改變進(jìn)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流，完成光能量向電能量的轉(zhuǎn)換，也就是通常所說的光伏效應(yīng)。
目前，光伏電池多為P-N結(jié)型，通過P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的緊密連接，兩種半導(dǎo)體的接觸面因載流子濃度不同而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也就是載流子流，從而形成正負(fù)離子電場(chǎng)。
在理想狀態(tài)下，左側(cè)光生電流IL為恒流源，在光照的強(qiáng)度變大以后，電流會(huì)隨之增加。根據(jù)圖2可知，Ish為旁路電流，Rs為串聯(lián)電阻，I是光伏電池輸出電流，IP為PN結(jié)正向電流，U屬于端電壓，Rsh是旁路電阻。對(duì)光伏電池輸出影響的因素諸多。
▌負(fù)荷特性
負(fù)荷，指的是電力系統(tǒng)、發(fā)電廠瞬間所形成的工作負(fù)載，主要包括四類（見表1）：
光儲(chǔ)充一體化電站為電動(dòng)汽車充電的過程中需對(duì)照明負(fù)荷加以考慮，若設(shè)置于居民區(qū)與商業(yè)住宅內(nèi)，也要對(duì)商用負(fù)荷、辦公類負(fù)荷以及生活清潔負(fù)荷等情況加以考慮。
需求相應(yīng)策略的選擇關(guān)鍵在于負(fù)荷響應(yīng)能力，需結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行需求對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度，以達(dá)到負(fù)荷峰谷差縮減的目的。
▌儲(chǔ)能系統(tǒng)
儲(chǔ)能電池是光儲(chǔ)充一體化充電站必不可少的電能存儲(chǔ)部件，在光照充足時(shí)存儲(chǔ)電能，在光照不足和應(yīng)急狀態(tài)下可以為負(fù)載供電。
鉛酸蓄電池、鋰電池、鎳鎘電池、鈉硫電池是以稀硫酸為電解質(zhì)的化學(xué)儲(chǔ)能，通過電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的額相互轉(zhuǎn)換。
另外還有釋放壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)發(fā)電的機(jī)械儲(chǔ)能方式和超導(dǎo)體的線圈的電磁儲(chǔ)能方式。儲(chǔ)能電池應(yīng)具備充放電循環(huán)的特點(diǎn)，并具有環(huán)保和安全性。因鋰電池充放電效率與性價(jià)比較高，充電能力強(qiáng)、時(shí)間短，低溫放電性能好，所以多被用做光儲(chǔ)充一體化電站儲(chǔ)能電池。
蓄電池使用期間若有過度充放電的情況，其使用壽命也會(huì)受到影響，使其荷電狀態(tài)受到限制。
▌充電樁設(shè)備
汽車充電樁工作模式是由整流模塊將輸入主回路的三項(xiàng)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，進(jìn)入二次回路完成待機(jī)、充電、讀卡、啟停等指動(dòng)作流程。而直流充電樁選擇的是DC/DC變流器，充電功率大、速度快，多見于充電站或大型商超停車場(chǎng)；
交流電電樁一般選擇DC/AC變流器，通過整流逆變模塊，能與后臺(tái)順暢通訊，完成電網(wǎng)與電池的雙向能量交換，充電功率小、速度慢，多見于居民小區(qū)停車場(chǎng)。電動(dòng)汽車充電站發(fā)展前景廣闊，但同樣需對(duì)光伏供電比、充電樁利用率、最大上網(wǎng)電量、平均排隊(duì)時(shí)間等進(jìn)行綜合考慮。
▌耦合技術(shù)
考慮光伏系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，光儲(chǔ)充一體化電站適配形式主要選擇交流耦合與直流耦合等多種，進(jìn)而與各場(chǎng)合需求相適應(yīng)。
其中，直流耦合技術(shù)就是在光伏組件將直流電輸出以后經(jīng)過匯流箱實(shí)現(xiàn)匯流，并利用PDS直流變流器與PCS儲(chǔ)能變流器連接。
而交流耦合技術(shù)則是由光伏組間輸出直流電后，借助逆變器向交流電轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)能蓄電池在直流電輸出后經(jīng)PCS儲(chǔ)能變流器向交流電轉(zhuǎn)換，在兩者匯流后可為充電樁供電。
新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)難點(diǎn)
▌配電網(wǎng)負(fù)載過重
若大規(guī)模電動(dòng)汽車處于無序充電狀態(tài)，會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定運(yùn)行等。
電站為電動(dòng)汽車充電的過程中，電力負(fù)荷會(huì)隨之增加，使得峰谷值被擴(kuò)大，所以配電廠要使用大量備用電來滿足用電峰。而對(duì)于網(wǎng)損，部分學(xué)者在驗(yàn)證后指出，線路損耗最小的前提是滲透率為20%。
滲透率越高，線路損耗越大，二者之間存在正比例關(guān)系。線路損耗率公式是：
電站形成諧波會(huì)對(duì)變壓器與電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，而諧波電流還會(huì)使導(dǎo)線電阻增加，導(dǎo)致變電器的熱損隨之提高，直接影響了輸出電能的質(zhì)量。
▌充放電儲(chǔ)能協(xié)同調(diào)度缺乏合理性
大力發(fā)展光伏發(fā)電并與電網(wǎng)充電協(xié)調(diào)調(diào)度，或者加強(qiáng)充電站與光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)惡意提高對(duì)光伏能源的消納利用能力，有效降低碳排放量。但現(xiàn)實(shí)情況是，調(diào)整電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)并不容易，光伏能源分布地與充電站地域間的關(guān)聯(lián)及規(guī)律并不好把控。
隨著汽車充電站規(guī)模的日益增大，儲(chǔ)能負(fù)荷不斷增加，由于不同區(qū)域的光伏發(fā)電特性差異明顯，光伏充電站的容量配置等方面都需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，以應(yīng)對(duì)分布式電荷的缺乏特性，協(xié)同性和互補(bǔ)性較強(qiáng)，但電網(wǎng)調(diào)度利用互補(bǔ)性的程度有限，直接影響了光伏發(fā)電的效率。
▌電網(wǎng)規(guī)劃挑戰(zhàn)嚴(yán)峻
電動(dòng)汽車充電具有隨機(jī)性和集聚性，當(dāng)很多用戶集中夜間充電時(shí)，與基礎(chǔ)用電高峰疊加對(duì)電壓等級(jí)、電網(wǎng)容量等均是很大的考驗(yàn)，電網(wǎng)負(fù)荷明顯加重，尤其是大功率直流樁充電時(shí)，可能產(chǎn)生諧波電流和沖擊電壓，會(huì)嚴(yán)重影響局域電網(wǎng)質(zhì)量和供電安全，當(dāng)前很多充電站將儲(chǔ)能電池作為可分散電源，并于電峰狀態(tài)下供電，以減輕對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響，但是效果并不明顯。
目前的充電站呈現(xiàn)散、多、亂的狀態(tài)，對(duì)電動(dòng)汽車的充電時(shí)間與地點(diǎn)并沒有較好的引導(dǎo)和調(diào)節(jié)方案，對(duì)電網(wǎng)的擴(kuò)容和服務(wù)工作帶來較大的挑戰(zhàn)，所以電路、繼電器與配電容等相關(guān)設(shè)備均要及時(shí)更新。
解決新能源光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)
▌保證充電的有序性
電動(dòng)汽車在電站充電的過程中會(huì)使峰谷差增加，在對(duì)此問題核決的過程中主要考慮兩個(gè)問題，即增加蓄電池的放電能力和有效調(diào)整電動(dòng)汽車的充電時(shí)段，保證錯(cuò)峰、有序進(jìn)行。
如果選擇電池放電的方式，要想確保整個(gè)電網(wǎng)有功功率平衡，規(guī)避電網(wǎng)的波動(dòng)，則要求電動(dòng)汽車的供電與具體條件相滿足，即公式為：P total(t)=PEV(t)=P loss(t)+P fund(t)；
錯(cuò)峰充電的一種方法是運(yùn)行電網(wǎng)調(diào)控機(jī)制，當(dāng)用電高峰時(shí)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)連接也不會(huì)發(fā)生充電行為，待電峰值結(jié)束以后，電網(wǎng)會(huì)立即充電。
另一種方法便是制定相關(guān)制度嚴(yán)格管控電動(dòng)汽車的充電行為。在對(duì)汽車充電負(fù)荷影響潮流程度方面，一般可利用蒙特卡洛對(duì)充電負(fù)荷進(jìn)行模擬，并將DIgSILENT電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)加入后，利用潮流公式對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。
▌優(yōu)化設(shè)計(jì)濾波器
光伏發(fā)電網(wǎng)輸出的電流中含有大量諧波，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，并有大規(guī)模事故的風(fēng)險(xiǎn)。諧波污染問題的解決方法主要包括兩種：
1）諧波源減少諧波含量；2）諧波濾除裝置的增設(shè)。以LCL濾波器的設(shè)計(jì)舉例分析，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：LCL濾波器為三階系統(tǒng)，衰減速率較高，濾除諧波所需的電感量較小，同樣系統(tǒng)體積較小，內(nèi)加阻抗能避開諧振點(diǎn)，抑制諧振效果更明顯。
優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，需在與逆變器濾波滿足的基礎(chǔ)上盡可能減小電感數(shù)值。
▌充放電儲(chǔ)能協(xié)同調(diào)度
要想確保電站經(jīng)濟(jì)、安全且可靠，有必要對(duì)電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能與充放電功能進(jìn)行科學(xué)運(yùn)用。通常，借助微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)采集電動(dòng)汽車的基本信息與運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行全局化調(diào)度，向V2G控制中心上傳決策信息，通過此技術(shù)即可對(duì)電動(dòng)汽車的充電時(shí)間與充放電功率進(jìn)行控制。
結(jié)語
新能源光儲(chǔ)充一體化電站是電動(dòng)汽車能夠快速發(fā)展的重要前提和基礎(chǔ)保障，在其建設(shè)時(shí)要認(rèn)真勘察周邊環(huán)境的影響，準(zhǔn)確評(píng)估站點(diǎn)的充電負(fù)荷量，分配好蓄電池容量，使其能為區(qū)域電網(wǎng)用電峰提供補(bǔ)充和輔助，不管是電動(dòng)汽車型或是戶用型，均需對(duì)電站關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展多加關(guān)注。
