新能源光储充一体化电站建设关键技术研究分析.pdf

52应用能源技术2022年第12期（总第300期）doi：10.3969/j.issn.1009-3230.2022.12.012新能源光储充一体化电站建设关键技术研究分析许立1,纪锦超打冯桂贤2（1.西安领充创享新能源科技有限公司，西安710000；2.深圳市中电电力技术股份有限公司西安分公司，西安710000）摘要：油价的不断攀升，新能源汽车技术日益成熟，加之政策支持、优惠补贴等各项优势，使得电动汽车数量不断增加，大规模电动汽车接入电网之后，充电负荷会对电网造成短时负荷 冲击，因此，新能源光储充一体化电站的建设工作成为亟须解决的问题。本文就此阐述了新能 源光储充一体化电站的现状，分析了其关键技术存在难点及对策，有力促进电站的实际建设，为 其电站商业运作及规模推广提供借鉴。关键词：新能源；光储充一体化电站；建设;技术应用中图分类号:TK019 文献标志码:A 文章编号：1009-3230（2022）12-0052-04Research and Analysis of Key Technologies in the Construction of New Energy Optical Storage and Charging Integrated Power StationsXU Li1,JI Jin-chao1,FENG Gui-xian2(1.Xian Lingchong Chuangxiang New Energy Technology Co.,Ltd.,Xi，an 710000,China；2.Shenzhen CLP Power Technology Co.,Ltd.,Co.,Xian Branch,Xian 710000,China)Abstract:The rising oil price,the increasingly mature new energy vehicle technology,coupled with various advantages such as policy support and preferential subsidies,make the number of electric vehicles continue to increase.After large 一 scale electric vehicles are connected to the power grid,the charging load will cause a short-term load impact on the power grid.Therefore,the construction of new energy storage and charging integrated power stations has become an urgent problem to be solved.In this regard,this paper expounds the current situation of the new energy optical storage and chargingintegrated power station,analyzes the difficulties effectively promotes the actual construction of commercial operation and scale promotion.Key words：new energy；photovoltaic storage technology application0引言新能源指的是非常规能源，除传统能源以外 的各类能源，比如太阳能、海洋能、风能、地热能 等。我国目前正大力支持发展新能源，但新能源 发电不够稳定，导致电网运行有着较大的安全隐收稿日期：2022-09-26 修订日期：2022-10-24 作者简介：许 立（1988-）,男，本科，中级工程师，研究方 向为电力系统、储能、充电。and countermeasures of its key technologies,power station,and provides reference for itscharging integrated power station；construction；患。光储充一体化电站能够利用电池储能吸收负 荷低谷期间电能,支撑负荷高峰期间用电,从而平 衡电站负荷峰谷差,实现有效地运行，优化当前的 配电网络。1新能源光储充一体化电站概述1.1电动汽车型光储充一体化电站这一类型的充电设施是能够为电动汽车充电 的专属设备,分为交流充电桩和直流充电桩这两 2022年第12期（总第300期）应用能源技术53种。交流充电桩用于交流电源充电，多是3、5和 7 kW这类的小功率，优点是易安装、体积小、适用 性强,缺点是充电速度偏慢,多安设在商场、居民 小区等区域。直流充电桩用于直流电源充电，功 率多是60、120 kW,优点是充电速度快，缺点是相 关设备多、占地面积大。随着新能源的应用范围不断变广，光伏发电 成为了光储充一体化电站的主要能量来源。太阳 能是清洁、绿色能源，光伏组件结构简单、便于安 装、组装时间短，充电站进行储能可有效缓解光伏 输出的波动频率。整个电站结构包括控制中心、光伏发电系统、储能系统、充电桩、配电网等。在电站结构中,控制中心用于监测控制电站 内的各类设备，协助电站各单位有序运行;光伏发 电系统是通过光伏阵列对太阳能做能量转换，形 成电力;储能系统是储能电池组,既可以存储能量 也能够平衡功率，能够配合光伏发电系统对电动 汽车进行充电;充电桩有交流、直流这两类，像高 速公路上的电动汽车充电桩则用的是直流电;配 电网变流模块会与交流配网、充电系统连接,依据 电站设计的实际要求,交流电接入系统之前需要 通过变流模块做转换才可充电。12户用型光储充一体化电站户用型光储充一体化电站的发电灵活、方便,能够自发自用，可在住宅区、医院、学校广泛应用O 在2019年新政讨论会中提到，户用补贴指标为 3 GW,补贴额度是0.18元/kWh。我国浙江省就 提到了“百万屋顶”计划，在全省的100多万户家 庭的屋顶安装光伏，2020年的户用总装机在 6 GW的规模。户用型光储结构分成三类，分别是直流结构、交流结构及交直流结构。直流结构的第一种拓扑 结构是单母线结构，用变换器连接不同负荷单元,结构电压等级固定。第二种拓扑结构是双母线结 构,把母线分成不同电压等级。第三种拓扑结构 是冗余式母线结构,用直流母线当做备用母线;交 流结构的第一种拓扑结构中,交流母线是电网经 过变压器形成，有大量转换，电能损耗大。第二种 拓扑结构中,交流母线是光伏产生,储能通过变换 器连接交流母线,电网由变压器与储能相连;交直 流结构的第一种拓扑结构是交流、直流由两个母 线经过变流器连接，利于单独控制。第二种拓扑 结构是在直流侧加电网,稳定性高,可不具备直流 侧加入负荷要求。第三种拓扑结构有双层直流母 线,应用场景多但控制难度大。VDPV电网交流负荷V2JV2J1J1J僦L3VL3V 能储混能量密度电池逆变器一AC/DC/H=H=I直流负荷功率密度电池图1户用型光储充一体化电站结构户用型需配备合理的储能系统才可有力保障 光伏能量的利用率,如果储能电池容量偏小,光伏 发电的能量则很难得到存储、利用，故在光伏储能 配置上主要考虑到光伏容量,基于光伏容量做储 能电池组容量的配置。家庭用电负荷有两种，分 别是刚性负荷、柔性负荷，像冰箱、电脑便属于刚 性负荷，吹风机、洗衣机属于柔性负荷。在此可依 据户用型负荷实际情况、当地储能容量、光伏日发 电情况对特定负荷下储能电池容量、光伏电容做 配置。2新能源光储充一体化电站建设关 键技术2.1光伏电池出力光伏电池板受到太阳光辐射之后会形成光生 伏特效应,电池两端会有电动势，太阳能会转换成 电能。现阶段常用到的光伏电池是PN结型光伏 电池，晶体硅为半导体材料,有较高的转换效率。在理想光源状态下,左边光生电流h h是恒流源，光照强度变大后，电流也会增加。在图2中，PN 结正向电流是厶、旁路电流是厶八光伏电池输出电 流为/、旁路电阻是乩八串联电阻是乩、端电压是 UoUo影响光伏电池输出的有很多影响因素,光照强 度这一影响因素最为显著。当光照强度得到增 强,光伏电池输出功率也会加大。2.2储能系统储能系统包括储能电池、电池管理系统及双 向变流器，储能电池是以化学储能、电磁储能、机 械储能为主，蓄冷储能、蓄热储能为辅，储能形式 会根据技术成熟度、充放电时间、存储容量不同而54应用能源技术2022年第12期（总第300期）图2光伏电池的等效电路图有所不同。储能电池需有较好的充放电循环性 能，兼顾环保性与安全性。锂电池则由较高的充 放电效率,性价比偏高，故可将锂电池作为光储充 一体化电站的储能电池。在使用蓄电池的过程中 如果出现过度充电、放电，蓄电池的使用寿命会变 短，要严格限制其荷电状态。双向变流器是 50 kW双极式变流器做电池组充放电，直流电接 的是电池组，交流电接的是交流母线，用以采集能 量数据及测控投切。2.3负荷特性负荷是发电厂、电力系统于某一瞬间产生的 工作负载，可分成无响应型、可中断型、可转移型、可调节型这四类。其中,无响应型要求无间断、长 时间供电，不会对任何需求产生明显响应;可中断 型可随时对负荷做中断，能够即时对负荷做转移 调整或中断;可转移型能够根据发电厂生产计划 安排启停时间;可调节型能够随时调整当前的用 电时间，具体情况见表1。表1不同负荷需求响应状况负荷类型典型负荷响应能力无响应型冶金、采矿、石油化工、零件加工企业的电梯、照明、监控、办公负荷无可中断型电解、金属冶炼的生产负荷及厨用负荷负荷中断可转移型工程建筑、纺织印染等工业负荷、商业展示负荷及生活清洁负荷负荷转移可调节型电动汽车、温控、热水器、智能办公等负荷负荷中断/负荷转移光储充一体化电站在为电动汽车充电时还要 考虑到照明负荷，如果电站安设在商业住宅、居民 小区里面，更要考虑到生活清洁负荷、商用负荷和 办公类负荷。负荷响应能力是开展需求响应策略 的关键，依据系统运行需要，应当调度好系统负 荷，缩减系统负荷的峰谷差。2.4充电桩设备充电桩可控制充电电流，为电动汽车充电。直流充电桩是用DC/DC变流器充电，交流充电桩 是用DC/AC变流器充电，由于直流充电的功率 大,故被称作快充,交流充电的功率小,被称作慢 充。在我国的各居民小区中，电动汽车充电的方 式多是交流充电。随着“互联网+充电服务”的 发展，电动汽车充电有了更广阔的发展前景，但要 考虑到最大上网电量、最大接入负荷限制、光伏供 电比、平均排队时间和充电桩利用率。3新能源光储充一体化电站建设关 键技术存在难点3.1配电网负载过重当大量电动汽车无序充电时，会严重影响到 配电网的运行效果,造成电能质量急剧下降,主要 的影响方面包括安全稳定运行方面、电网经济性 方面、电能质量方面。安全稳定运行包括电器设 施售卖、峰值负荷、电压波形；电网经济性包括变 压器负载、变压器功率损耗;电能质量包括电压不 平衡、电压偏移、谐波电流。电站在为电动汽车充电时，电力负荷会不断 上升,进而扩大峰谷值，要求配电厂耗费更多备用 电来满足用电峰时。在网损方面，电动汽车渗透 率小,线路负载损耗小，电动汽车渗透率升高,线 路负载会增加。有学者验证得出，渗透率在 20%,线路总损耗最小。渗透率在20%以上，线 路损耗会不断增加。线路损耗率与线路损耗变化 成正比，线路损耗率表达式为：二%-，刖 xlOO%Y 1 PossPossy y=二鳥 t xio o%U式中，是m的电压偏移百分数；是m没有 充电负荷阶段电压；刖是m有充电负荷阶段电 压；V V是线路损耗率；PL是匕时刻的线路损耗;戶是时刻的传输电能。此外在谐波污染方面，电站产生的谐波会影 响到变压器、电能质量，谐波电流会增加导线电 阻,造成变压器热损增加、输出电能质量变低。2022年第12期(总第300期)应用能源技术553.2电网规划面临新挑战电动汽车充电负荷的曲线峰时会与基础负载 重叠，造成负荷高峰期产生峰谷差。目前电站所 实施的电能充电，是把电动汽车电池当做可分散 电源在电谷时取电、在电峰时供电，以此抑制电网 负荷，避免频率较大幅度波动。可由于电动汽车 的数量不断增多，此类智能化充电并不能满足大 规模充电行为，故配电容、继电器、电路等设备均 需要更新换代。3.3充放电储能协同调度不合理首先,调度对象特征不明确，电源侧的光伏电 源能源分布和地域相关不明确，很难去把握调度 对象的规律。负荷侧因电动汽车储能负荷的增 加，调度电源跟踪负荷、电力存储情况在会逐步出 现变化，分布式主动负荷特性不明确;其次是调度 体系不适应,集中调度的光伏电源调度依然是传 统电源调度，难以全面监控分布式资源，故分布式 资源只可在微网内做局域优化调度；最后,光伏发 电的特性差异大,彼此之间有协同性与互补性，电 网调度缺乏对这些互补性做有效利用，会限制光 伏发电的高效利用。4新能源光储充一体化电站建设关键技术存在难点的对策4.1有序充电弥补峰谷差电站为电动汽车充电时会加剧峰谷差，为应 对这一问题要考虑到电池放不放电。若不考虑电 池放电，有两种方式，一是要求用户自行转移充电 时段，在深夜时分充电，但这样的方式不太现实。二是增加电网调控机制，电动汽车接入电网时正 处于用电峰值，那么电池接入之后不会立即充电，而处于断路状态。等到电峰值结束后电网解除断 路，开始充电。若考虑电池放电，为保证全电网有 平衡的有功功率,减少电网波动，电动汽车供电需 满足相应的条件,这一公式为：P totalP total(0=Pgv(t)Pgv(t)=Ploss Ploss(*)+Pfiind(t)+Pfiind(t)式中，PMaiPMai是输电网供给总有功功率；Pev是汽车 做电源时的额外功率；P P氐是电网损耗功率；是每天基础耗电功率。如果严控电动汽车的充电 行为，能够有效降低峰值阶段功率,提高谷值阶段 功率。为了解汽车充电负荷对潮流的影响，需通过 蒙特卡洛模拟出充电负荷，之后再加入DIgSILENT 中电网节点，再以潮流计算公式计算出对应结果。4.2滤波器的优化设计针对谐波污染的问题，可从两方面加以抑制。一是从谐波源降低谐波含量，二是增加谐波滤除装 置，装置分成有源滤波装置、无源滤波装置、动态电 压恢复器等。以LCL滤波器设计为例,LCL滤 波器的优点在于,相同开关频率的条件下,滤波电 感取值有所降低,系统体积也会变小,更便于控制。为抑制LCL滤波器谐振,可在滤波器中加阻抗，以 此避开谐振点。而LCL滤波器的优化要考虑到滤 波器各个参数对性能造成的影响。由于滤波器总 电感磁芯会决定整体的体积、成本，故在满足逆变 器滤波的情况下要让其电感值达到最小。4.3充放电储能协同调度设计为保障电站为安全、可靠、经济，应当综合利 用好电动汽车充放电、储能功能。在此可通过微 电网的能量管理系统对电动汽车基础信息、运作 状态信息进行采集，像汽车出行时间、起始荷电状 态等。而后再做全局调度，把决策信息传至V2G 控制中心，再由该技术来控制电动汽车充放电。微电网的能量管理系统可以影响到电动汽车充放 电，充电负荷和常规负荷均为峰值，可用V2G技 术对电动汽车状态做控制，使其放电。若发电量 比需求量要大，应当将电动汽车当做储能元件，使 其保持充电。电动汽车充电时间、充放电功率均 由V2G做控制。5结束语光储充一体化电站将光伏新能源与储能有效 结合，发挥出不同类型储能特性，延长了储能电池 使用寿命。无论是电动汽车型还是户用型，应当 注意到光储充一体化电站关键技术现状。本文分 析了新能源光储充一体化电站建设现状，提出了 关键技术存在难点及对策,能够实现电站运营商 的收益最大化。参考文献1 郭强强，皮昊书，陈云辉.光储充一体化电站优化配 置方法J.电力与能源,2022,43(1)：61-64,87.2 李建霞.高速公路光储充一体化电站选址定容研究 D.兰州交通大学,2021.3 林青瑜，洪智勇.光储充一体化电站关键技术设计 J.中国新通信,2020,22(6):80.4 解磊，王建基，耿敏，等.光储充一体化电站建 设关键技术研究J.通信电源技术,2018,35(12)：26-27.