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摘要：在以往電動汽車充電站的建設(shè)中，主要是以電網(wǎng)為*導(dǎo)。光儲充一體化解決方案，將能夠解決在有限的土地資源里配電網(wǎng)的問題，通過能量存儲和優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷基本平衡，可根據(jù)需要與公共電網(wǎng)靈活互動且相對獨(dú)立運(yùn)行，盡可能的使用新能源，緩解了充電樁用電對電網(wǎng)的沖擊，在能耗方面，直接使用儲能電池給動力電池充電，提高了能源轉(zhuǎn)換效率。
關(guān)鍵詞：公交充電站；儲能系統(tǒng)；光伏系統(tǒng)；充電可靠性；能源監(jiān)控管理
1研究背景
“新基建”是服務(wù)于*家長遠(yuǎn)發(fā)展和“兩個強(qiáng)國”建設(shè)戰(zhàn)略需求，以技術(shù)、產(chǎn)業(yè)驅(qū)動，具備集約*效、經(jīng)濟(jì)適用、智能綠色、安全可靠特征的一系列現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系的總稱。電動汽車充電服務(wù)設(shè)施是“新基建”中一大領(lǐng)域，加速推進(jìn)城市公交、市政環(huán)衛(wèi)等公共領(lǐng)域運(yùn)輸作業(yè)車輛新能源化，加快新能源汽車充電樁在北京建設(shè)布局，作為“十四五”產(chǎn)業(yè)動力新引擎、助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展、構(gòu)建智慧和諧社會具有重要意義。通過汽車充電網(wǎng)的智能*度，*實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，讓電網(wǎng)更加的柔性化，其中*大的價值在于新能源汽車實(shí)現(xiàn)把夜晚低谷的棄風(fēng)、棄光、棄水的電儲存在汽車?yán)飵У?峰期使用，即解決了上游的新能源供應(yīng)，又解決了下游的消納。近年來，黨*央、國務(wù)院*度重視新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。以“新基建”為牽引，夯實(shí)經(jīng)濟(jì)社會*質(zhì)量發(fā)展的“底座”“基石”，對于發(fā)動“十四五”產(chǎn)業(yè)動力新引擎、助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展、構(gòu)建智慧和諧社會具有重要意義。
2光儲充一體化公交充電站建設(shè)的必要性
2.1現(xiàn)有充電站面臨的問題
自2015年至2019年，北京地區(qū)共建成公交充電站130余座，總需求容量超過500MVA，年度總用電量已超3.2億kWh。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，暴露出3方面痛點(diǎn)問題，急需研究解決。一是公交充電負(fù)荷存在短時長、負(fù)荷大、頻次多、峰谷顯著等特點(diǎn)，對電網(wǎng)造成大電流沖擊；二是新站選址建設(shè)中，局部電網(wǎng)難以支撐30%以上的站點(diǎn)用電需求；三是已建設(shè)投運(yùn)公交充電站中，仍存在約25%的容量缺口，供需滿足率較低，對新能源車的推廣造成一定的掣肘。
2.2現(xiàn)有充電網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)
公交充電站是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其規(guī)劃建設(shè)是否合理直接影響到城市交通體系的運(yùn)行和電動公交產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大量電動汽車充電基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對既有配電網(wǎng)增加容量的迫切需求，充電負(fù)荷的不連續(xù)性，大規(guī)模無序充電對電網(wǎng)的沖擊和影響也是未來需要解決的問題。
3光儲充一體化公交充電站的總體設(shè)計
擬選用朝陽區(qū)東*路和大魯?shù)?48路兩處公交場站作為綜合能源示范試點(diǎn)場站。此兩處場站為滿足充電運(yùn)營需求，已建設(shè)投運(yùn)260kWh/站的儲能設(shè)備，緩解了部分供電壓力，但仍存有缺口。目前在此儲能充電站的基礎(chǔ)上建設(shè)光伏系統(tǒng)和能量監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)自動化運(yùn)行。并通過能量監(jiān)控管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對光伏、儲能和充電設(shè)備的智能化管理，采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行光伏、儲能能量的優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，經(jīng)濟(jì)用電的目標(biāo)。系統(tǒng)整體設(shè)計方案示意如圖1所示。
3.1光儲充一體化系統(tǒng)架構(gòu)
3.1.1智能配電柜
改造配電或儲能系統(tǒng)的交流母線，具備光伏并網(wǎng)條件。
3.1.2微網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度單元
安裝在智能配電柜中，通過以太網(wǎng)或CAN通信接口查詢各部分的狀態(tài)信息，控制光伏儲能系各部分的運(yùn)行；通過局域網(wǎng)與監(jiān)控調(diào)度*心進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，接受*心的調(diào)度和管理。
圖1光儲充一體化整體設(shè)計方案示意圖
3.1.3電池儲能裝置
包括電池及其管理系統(tǒng)（BMS）、DC/DC模塊組和DC/AC變流器，電池及變流器容量由所在的光伏儲能系統(tǒng)總體參數(shù)確定。由于當(dāng)前BSC可采用DC/DC+DC/AC的雙級結(jié)構(gòu)，也可以采用DC/AC的單級結(jié)構(gòu)；動力電池可以采用先串后并的形式也可以采用先并后串的形式。
3.1.4充電樁
在光伏儲能系統(tǒng)中以特殊負(fù)荷的形式出現(xiàn)，在給電動汽車充電時，表現(xiàn)為負(fù)荷的特性；當(dāng)需要利用電動汽車的儲能容量參與運(yùn)行時，也可以表現(xiàn)為電源的特性。充電樁通過CAN或以太網(wǎng)與MDU通信，同時還可以通過多種通信介質(zhì)與電動汽車交換信息。
3.2光伏系統(tǒng)技術(shù)方案
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、交流配電柜等設(shè)備，另外還有供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測裝置。其運(yùn)行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列將太陽能轉(zhuǎn)換輸出的電能，經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網(wǎng)逆變器逆變成*流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力通過聯(lián)接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。其工作原理為，在光照條件下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進(jìn)行充電，將由光能轉(zhuǎn)換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉(zhuǎn)換成*流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進(jìn)行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進(jìn)行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統(tǒng)還應(yīng)有限荷保護(hù)和防雷裝置，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的過負(fù)載運(yùn)行及免遭雷擊，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的安全使用。
3.3現(xiàn)狀儲能系統(tǒng)技術(shù)方案
現(xiàn)有儲能設(shè)備為100kW/260kWh，接入單側(cè)低壓母線系統(tǒng)中。其主要應(yīng)對存在少量的容量不足的充電站建設(shè)場景，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)配變?nèi)萘坎蛔悖瑑δ芟到y(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)充，滿足充電樁同時工作。
儲能系統(tǒng)包括智能配電、儲能蓄電池組、BMS系統(tǒng)、儲能變流器和儲能監(jiān)控系統(tǒng)。變流器選型根據(jù)儲能*大輸出功率進(jìn)行選擇。
BMS完成電池組的充放電管理功能，動態(tài)監(jiān)測電池組的電壓，電流，溫度，自動計算SOC（荷電狀態(tài)）。
監(jiān)控主機(jī)收集電池儲能單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，顯示電池儲能單元運(yùn)行的各種信息和數(shù)據(jù)，供用戶查看和判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。
電池采用磷酸鐵鋰電池，電池管理系統(tǒng)提供過充、過放、過流、過溫、短路保護(hù)，提供充電過程中的電壓均衡功能，具備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障報警顯示，同時能采集所有電池組的信息，通過液晶屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改，根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)整充放電控制。儲能變流器設(shè)備采用模塊化設(shè)計，每個模塊為50kW，二個模塊并聯(lián)組成100kW儲能變流器。設(shè)備拓?fù)洳捎萌娖皆O(shè)計，相比較于兩電平拓?fù)洌娖酵負(fù)淠軌蛱?開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低輸出諧波、開關(guān)損耗和變流器體積。對于新建且大量電源容量缺失的公交場站背景下，電源容量的缺口大甚至可以達(dá)到總負(fù)荷的50%以上時，這種應(yīng)用場景就對電池和環(huán)境管理方面有較*的要求，儲能設(shè)備電池也可采用鈦酸鋰電池，其具有*倍率、長壽命的特點(diǎn)，亦可滿足電動公交充電運(yùn)營多次充放需求，大量減少車輛充電對電網(wǎng)側(cè)的需求。
3.4能源監(jiān)控管理系統(tǒng)技術(shù)方案
整個系統(tǒng)的物理架構(gòu)分為3層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2能源監(jiān)控主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
應(yīng)用層主要是提供網(wǎng)絡(luò)任意端上應(yīng)用程序之間的接口，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷數(shù)據(jù)分析等。
網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)透明傳輸，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行信息、設(shè)備運(yùn)行控制命令的傳輸，一般包括接入層和核心層。
感知層負(fù)責(zé)識別、采集整個系統(tǒng)所有設(shè)備、傳感器的運(yùn)行等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)、試驗(yàn)平臺、配網(wǎng)信息、用電信息、無功補(bǔ)償、諧波治理等系統(tǒng)和設(shè)備的監(jiān)視和控制。
4光儲充一體化充電站建設(shè)應(yīng)用分析
4.1減少局部配電網(wǎng)接入壓力
充電站通過合理設(shè)置光儲系統(tǒng)，充分滿足充電需求，降低局部配電網(wǎng)接入壓力，一方面能夠滿足電動汽車充電的總需求，另一方面能夠適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展能力，保證后期充電設(shè)施發(fā)展。
4.2提升電網(wǎng)整體可靠性
充電站配置光伏、儲能并網(wǎng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)儲能供電，滿足特殊長時間的電力故障搶修要求，大大提*充電站系統(tǒng)整體供電可靠性水平。
4.3節(jié)能*效、清潔環(huán)保
通過建設(shè)光、儲、充微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，公交充電站能*大化使用清潔能源，踐行綠色出行、低碳用能新發(fā)展理念。
4.4推動智能電網(wǎng)的發(fā)展
清潔發(fā)展，優(yōu)先利用新能源，改善能源結(jié)構(gòu)，基于能源網(wǎng)互動優(yōu)勢，靈活適應(yīng)各類電源發(fā)電上網(wǎng)和用戶多樣化用電需求，實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)和調(diào)度。
Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求，總結(jié)國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的*進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電樁的接入，*天候進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風(fēng)能、儲能系統(tǒng)、充電樁運(yùn)行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)*安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，提升可再生能源應(yīng)用，提*電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、補(bǔ)償負(fù)荷波動；有效實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提*電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了全新的解決方案。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個能量管理系統(tǒng)*物理上分為三個層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。
本方案遵循的*家標(biāo)準(zhǔn)有：
本技術(shù)規(guī)范書提供的設(shè)備應(yīng)滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：
GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)通用規(guī)范*1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)工業(yè)控制計算機(jī)基本平臺*2部分：性能評定方法
GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)通用規(guī)范*5部分：場地安全要求
GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)通用規(guī)范*6部分：驗(yàn)收大綱
GB/T2887-2011計算機(jī)場地通用規(guī)范
GB/T20270-2006信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)安全技術(shù)要求
GB50174-2018電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范
DL/T634.5101遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)*5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)
DL/T634.5104遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)*5-104部分:傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-網(wǎng)絡(luò)訪問101
GB/T33589-2017微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定
GB/T36274-2018微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范
GB/T51341-2018微電網(wǎng)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
GB/T36270-2018微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范
DL/T1864-2018型微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范
T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行規(guī)范
T/CEC150-2018低壓微電網(wǎng)并網(wǎng)一體化裝置技術(shù)規(guī)范
T/CEC151-2018并網(wǎng)型交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)規(guī)范
T/CEC152-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)需求響應(yīng)技術(shù)要求
T/CEC153-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)負(fù)荷管理技術(shù)導(dǎo)則
T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行規(guī)范
T/CEC5005-2018微電網(wǎng)工程設(shè)計規(guī)范
NB/T10148-2019微電網(wǎng)*1部分：微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則
NB/T10149-2019微電網(wǎng)*2部分：微電網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則
系統(tǒng)可應(yīng)用于城市、*速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。
本平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，即站控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：
圖1典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式
6系統(tǒng)功能
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機(jī)界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。
系統(tǒng)應(yīng)可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，使管理人員實(shí)時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運(yùn)行功率設(shè)置等。
系統(tǒng)應(yīng)可以對儲能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時告警，并支持定期的電池維護(hù)。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及總體負(fù)荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。
圖2系統(tǒng)主界面
子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。
圖3光伏系統(tǒng)界面
本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側(cè)、交流側(cè)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。
圖4儲能系統(tǒng)界面
本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機(jī)容量、儲能當(dāng)前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
7結(jié)語
目前的充電站建設(shè)大多單獨(dú)在空地上建設(shè)，可在充電站頂棚建光伏，但這樣的建設(shè)并不能*充電站的需求。目前光儲充一體化更適用于商業(yè)園、工業(yè)園、商用住宅等范圍，在屋頂上建光伏，這樣規(guī)模的光伏建設(shè)產(chǎn)生的能量足夠滿足充電站的使用，同時可以利用峰谷電價，減少成本。
隨著光伏業(yè)的發(fā)展，建設(shè)成本將會進(jìn)一步的降低；而儲能電池，可考慮電動汽車退役下來的動力電池梯次利用，節(jié)約成本的同時，更*效的利用能源，也使電動汽車動力電池的回收有了新的解決方向，而隨著充電樁規(guī)模化的生產(chǎn)，有助于進(jìn)一步降低建設(shè)成本。
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作者簡介
翟雪玲，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事與安全用電的研發(fā)與應(yīng)用。
