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摘要：中國提出“雙碳”目標后，深度降碳減排和可再生能源的大規模開發成為我國能源行業發展的新方向。在汽車新能源革命中，光儲一體化充電技術作為關鍵要素備受關注。本文通過對新能源充電的國內外發展現狀進行調查研究，揭示在光儲一體化充電站建設中存在的技術難題。目前光儲一體化充電站存在安裝與適應性不靈活、消防系統不完善以及缺乏智能管理系統等問題。為應對這些挑戰，本文提出了一種創新的裝配式光儲+人工智能一體化充電站設計方案。該設計方案集成了車棚和光伏發電功能、人工智能管理系統、智慧消防系統于一體，采用裝配式模塊化設計，使充電站更加智能、靈活。這一設計不僅滿足了用戶充電需求，還注入了智能科技元素，為未來新能源充電基礎設施的建設提供了創新思路。
關鍵詞：新能源；光儲一體化充電站；雙碳
1光儲一體化充電站發展現狀
1.1國外發展現狀
順應世界發展形勢，歐美汽車大國均積極推進新能源汽車的發展，加大對新能源產業的投人和研發力度，在光伏充電站領域也取得了重大突破。在2013年，美國就設計制造出了EVARC電動車充電站，這是世界上全自動、可移動、不需要地基開挖、建設審批、并網和更新變壓器開關裝置的獨立光伏充電站，還配備EnvisionTrak跟蹤系統，能讓太陽能陣列隨著太陽輻射角度自動調整方向，從而使發電量提升18%~25%，并且該充電站的尺寸與車位尺寸相同，也不會額外占用空間!。EVARC電動充電站的出現對美國及其他的光伏充電站建設產生了深遠影響。
1.2國內發展現狀
中國積極響應綠色環保和節能減排的倡議，適應新發展形勢，光伏產業建設規模不斷擴大。近年來，我國光伏行業裝機容量逐年攀升，正處于快速發展階段。2018年，我國設計研究出了*座集“光伏、充電、儲能”于一體的智慧車棚，并在我國投入使用，該車棚集智慧能源、智慧交通、智慧信息技術于一體，實現削峰填谷充電，運用大數據分析存儲、人機交互、智能監控和診斷、智慧泊車、雙向傳輸、智能管理等功能，讓“光伏、充電、儲能”車棚更加智能化，*滿足人們的需求。該智慧車棚的投入運營，不僅是我國光伏產業創新能力的體現，而且是中國在世界光伏十一體化建設領域的嘗試。
1.3天津地區現狀
天津是中國光伏產業的發源地，具有良好的地理優勢，集聚了國內多家具有較高水平的光伏科研院所，研發能力和技術水平在全國處于地位。新能源產業已成為天津市的八大優勢產業之一，太陽能利用技術已十分成熟。2023年，天津市多個光伏充電站項目建設完成并投人使用，例如，9月份津薊高速溫泉城服務區光儲充一體化超級充電站正式投入運營，10月份天津地區規模大的集中式光儲充放檢一體化智慧超級充電站在濱海新區投人使用，這一個個項目成果的落地，為天津光伏產業發展帶來了新機遇。然而，由于天津各個區域發展不均衡，地區差異明顯，光儲一體化充電站建設尚未得到充分發展，仍需不斷探索。
2光儲一體化充電站技術難題
2.1安裝與適應性不靈活
目前，光伏充電站通常采用一次性安裝，位置一旦固定，將無法移動。由于充電站構件數量眾多且結構復雜，因此組件的安裝需要進行的測算和技術，這將涉及大量人力、物力和財力的消耗，導致施工效率降低，使日常維護和維修變得更為困難。大規模布置充電樁存在一定的地形適應性問題，地形和地勢的不規則性可能導致光伏組件的安裝受限，為工程選址帶來一定限制。現階段我國光儲一體化充電站的建設和推廣還存在一些瓶頸，只在少數示范點進行了建設，缺乏光伏與新能源汽車一體化的規范和標準，光儲一體化集成技術仍不夠完善，導致其工作效率降低。
2.2消防系統不完善
目前，安裝在新能源汽車充電上的消防系統存在缺陷，未能充分預防和檢測火災。光儲一體化充電站涉及太陽能電池板、電池儲能系統以及充電設備，由于電氣設備和大量電能的儲存增加了火災的風險，因電池故障、過充、過放、電氣線路短路等問題引起的火災也時有發生。一些光儲一體化充電站的消防系統配置不足，僅包括煙霧探測器、滅火器等，在火災初期無法及時發現并控制火源，增加了火勢蔓延的可能性。電氣設備因老化、維護不當或故障而導致的漏電問題也隨處可見，特別是在潮濕的環境中，增加了火災發生的可能性。部分光儲一體化充電站還缺乏智能監控設備，不能對火源位置和火勢變化等信息進行實時監測和報警，降低了對火災的及時響應能力。
2.3缺乏智能管理系統
目前光儲一體化充電站的運營模式相對簡單，缺乏智能化管理系統，使光伏發電、能量存儲和高效充電之間的協調與管理面臨一系列挑戰。光伏發電能源直接來源于太陽光的照射，而地球表面上的太陽照射受制于天氣、環境、溫度等因素，天氣情況的隨機、多變，使得光伏發電工作缺乏連續性，降低光伏組件的出力,導致電量供不應求，影響汽車用戶的充電速度和體驗。在現有光伏發電系統中，太陽能電池板朝向固定，大多數僅通過人工調整光伏板傾角來提高發電效率，以保證太陽能發電系統的正常運行，但無法根據太陽輻射方向進行實時調整，從而影響光能轉化率。同時，目前的光伏充電站缺乏智能監控設備，無法實時監控和管理新能源汽車的充電情況，不能滿足人們的個性化需求。
3裝配式光儲+人工智能一體化充電站設計方案
3.1總體設想
裝配式光儲+人工智能一體化充電站是在現有光儲充一體化充電站基礎上發展而來的一種更加智能、靈活的新型充電站。通過創新地融合光伏充電和人工智能管理，旨在解決新能源汽車所面臨的技術難題。項目采用裝配式模塊化設計，以兩個車位并排連接組成一個小結構模塊，一個車位設置一個充電樁，以方便汽車充電，并將雨棚、發電、充電、儲能等功能融為一體，從而顯著提高空間利用率。
基于光生伏應原理，充電站的設計充分利用光伏板將太陽光轉化為電能，并進行儲存，為充電站提供主要電力。同時，電池儲能系統根據儲電量擇機吸收低價谷電，以作為電力的補充，吸收低價谷電有助于節省配電增容費用，彌補太陽能發電在陰天、夜間等環境不連續的端，有效減少充電站的負荷峰谷差，提高系統運行效率。車棚在光儲充一體化的基礎上還安裝了人工智能調度技術，根據用戶的需求和充電情況進行智能調度和優化，為電動汽車提供快速、高效、安全的充電服務。同時，改設計方案還具備遠程監控和管理功能，方便用戶隨時隨地進行操作和管理。
3.2場地位置和外觀
調查發現，天津地區的土地資源、電網資源以及自然資源的匹配度較低，在市內六區以及環城四區的電網負荷相對較大，雖然消納條件較好，但是開發空間受限。然而遠郊五區和濱海新區的土地資源相對寬裕，但面臨著資源擔負與支撐不足的難題，消納條件也相對較差，實際可開發量和技術可開發量之間存在差距。
考慮到人流量、周邊環境和學校日益增長的新能源汽車數量等因素，我們將該項目設置在某高校教學樓附近的停車場，以滿足學校新能源汽車的充電需求。該處遮擋物較少且較為空曠，能使光伏車棚大化地發揮作用，提高太陽能的利用率，同時車棚還有遮擋太陽直射，保護車輛免受雨雪天氣影響等作用，從而延長汽車使用壽命。根據我國《汽車庫建筑設計規范》（JGJ100一98）規定，設計一個汽車的停車位長為5.4m、寬為2.7m，每排放10輛車，共兩排，總長54m，能一次性滿足20輛小汽車同時停放和充電需求，并且每個小模塊左右分別設置兩根圓形支撐柱（在圖1中用小圓點表示），以保持光伏車棚結構的穩定性和安全性，如圖1所示。
3.3模塊化主體結構設計率
裝配式光儲十人工智能一體化充電站的設計采用了的裝配式模塊化理念，使安拆變得輕松便捷。這種模塊化設計不僅可根據不同使用場景和需求進行靈活組合，還地提高了充電站的整體使用效率。用戶可根據具體需求定制充電站的配置，從而更好地滿足其個性化需求。
此外，采用裝配式構件還在維護和運輸階段展現出顯著的便利性。維修人員可以更輕松地對充電站進行維護，通過替換或升級單個模塊，實現快速而高效的維護服務。運輸方面，裝配式構件的輕量化設計降低了運輸難度，使得充電站的部署更為靈活和高效。
由于采用了裝配式模塊，光儲一體化充電站的選址也變得更加靈活多樣化。充電站可靈活地安置在各種場景，包括但不限于高速公路服務區、工業園區、露天停車場和景區停車場等相對空曠且遮擋物較少的地方。這為充電站的部署提供了更多的選擇，以更好地服務于不同地域和使用需求。
3.4光伏板傾角
天津地區的太陽照射時間通常集中在早上9點至下午3點，其中光照條件在中午12點至下午1點左右達到峰值。這一時段，太陽直射太陽能表面的角度大，約為垂直90°，是發電效率高的時刻。為了大程度吸收光能，我們將太陽能板的方陣朝向正南，確保太陽能板的表面大限度地接收陽光。太陽能板的發電量能夠達到大值的前提是，方陣的垂直面與正南方向的夾角為0°。一旦太陽能板朝東或朝西偏離正南30°，發電量就會相應減少10%~15%。因此，確保太陽能板的正確朝向至關重要，任何偏離方位角的調整都可能導致發電量減少。此外，我們還采用智能追光系統，使用雙軸追蹤支架連接光伏板，通過傳感器實時監測太陽位置、天氣狀況等因素，自動調整光伏板傾斜角度，以大限度地吸收太陽輻射，確保光伏系統持續高效運行。結合遙控技術或自動化系統，使用戶可以通過遠程控制或預設程序來調整光伏板傾斜角度，提高系統的靈活性。
3.5智慧消防系統
裝配式光儲+人工智能一體化充電站搭載智慧消防系統，通過紅外溫感和煙火視頻分析進行雙重監測。一旦充電過程中發生火情，系統即刻啟動報警機制，迅速通知消防部門進行撲救。同時，充電站內的智能滅火設備也會立即啟動，有力地遏制火勢的蔓延。
智慧消防系統在火災發生時能夠及時準確地捕捉信息，實現了對火災的早期預警，具備迅捷響應機制，從而在關鍵時刻迅速采取措施，有效地控制事態發展。這不僅意味著消防撲救能力的升級，也為充電站提供了*的安全保障。
3.6智能充儲管理系統
充電站通過人工智能系統，對充電過程的實時監控和智能管理，為用戶提供個性化服務；同時配備高效的儲能系統，將光伏板所產生的電量和廉價“谷電”存儲在蓄電裝置中，使新能源汽車充電使用時間不受限制。此外，系統能夠根據太陽輻射情況智能確定發電和儲存能量的時間，為車主提供更為穩定的充電服務。
4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統
4.1平臺概述
Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。
微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
4.2平臺適用場合
系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
4.3系統架構
本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：
5.1實時監測
微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。
圖1系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。
5.1.1光伏界面
圖2光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
5.1.2儲能界面
圖3儲能系統界面
本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
圖4儲能系統PCS參數設置界面
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖5儲能系統BMS參數設
6結束語
裝配式光儲+人工智能一體化充電站這一概念為光伏發電、能量存儲和電動汽車充電的有機整合提供了創新的途徑，為新時代的能源替代和低碳減排需求提供前瞻性解決方案。光儲一體化技術作為推動新能源產業發展的重要因素，通過提高能源利用效率、減少碳排放，推動電動汽車的普及等途徑，推動社會的發展。面對國際社會的廣泛關注和積極推動，我國應繼續加大對光儲一體化技術的研發力度，提升自主創新能力，促進光伏產業的發展，向新能源領域不斷邁進。同時，應出臺相關政策措施，加大對光儲一體化項目的扶持力度，推動其在環保、能源、交通等領域的廣泛應用，為建設美麗中國和促進全球可持續發展做出貢獻。
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【5】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.
作者簡介
翟雪玲，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發展。
