浅谈公交光储充一体化充电站设计

  在以往电动汽车充电站的建设中，主要是以电网为*导。光储充一体化解决方案，将能够解决在有限的土地资源里配电网的问题，通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡，可根据自身的需求与公共电网灵活互动且相对独立运行，尽可能的使用新能源，缓解了充电桩用电对电网的冲击，在能耗方面，直接用储能电池给动力电池充电，提高了能源转换效率。

  “新基建”是服务于*家长远发展和“两个强国”建设战略需求，以技术、产业驱动，具备集约*效、经济适用、智能绿色、安全可靠特征的一系列现代化基础设施体系的总称。电动汽车充电服务设施是“新基建”中一大领域，加速推进城市公交、市政环卫等公共领域运输作业车辆新能源化，加快新能源汽车充电桩在北京建设布局，作为“十四五”产业动力新引擎、助力数字化的经济发展、构建智慧和谐社会具备极其重大意义。通过汽车充电网的智能*度，*实现电网的削峰填谷，让电网更加的柔性化，其中*大的价值在于新能源汽车实现把夜晚低谷的弃风、弃光、弃水的电储存在汽车里带到*峰期使用，即解决了上游的新能源供应，又解决了下游的消纳。近年来，党*央、国务院*度重视新型基础设施的建设。以“新基建”为牵引，夯实经济社会*质量发展的“底座”“基石”，对于发动“十四五”产业动力新引擎、助力数字化的经济发展、构建智慧和谐社会具备极其重大意义。

  自2015年至2019年，北京地区共建成公交充电站130余座，总需求容量超过500MVA，年度总用电量已超3.2亿kWh。在项目建设过程中，暴露出3方面痛点问题，急需研究解决。一是公交充电负荷存在短时长、负荷大、频次多、峰谷显著等特点，对电网造成大电流冲击；二是新站选址建设中，局部电网难以支撑30%以上的站点用电需求；三是已建设投运公交充电站中，仍存在约25%的容量缺口，供需满足率较低，对新能源车的推广造成一定的掣肘。

  公交充电站是城市重要的基础设施，其规划建设是否合理直接影响到城市交通体系的运行和电动公交产业的发展，大量电动汽车充电基础网络建设对既有配电网增加容量的迫切需求，充电负荷的不连续性，大规模无序充电对电网的冲击和影响也是未来要解决的问题。

  拟选用朝阳区东*路和大鲁店348路两处公交场站作为综合能源示范试点场站。此两处场站为满足充电运营需求，已建设投运260kWh/站的储能设备，缓解了部分供电压力，但仍存有缺口。目前在此储能充电站的基础上建设光伏系统和能量监控管理系统，实现并网自动化运行。并通过能量监控管理系统来实现对光伏、储能和充电设备的智能化管理，采集设备正常运行数据，进行光伏、储能能量的优化调度，实现削峰填谷，经济用电的目标。系统整体设计的具体方案示意如图1所示。

  安装在智能配电柜中，通过以太网或CAN通信接口查询各部分的状态信息，控制光伏储能系各部分的运行；通过局域网与监控调度*心进行双向数据交换，接受*心的调度和管理。

  包括电池及其管理系统（BMS）、DC/DC模块组和DC/AC变流器，电池及变流器容量由所在的光伏储能系统总体参数确定。由于当前BSC可采用DC/DC+DC/AC的双级结构，也能够使用DC/AC的单级结构；动力电池能够使用先串后并的形式也能够使用先并后串的形式。

  在光伏储能系统中以特殊负荷的形式出现，在给电动汽车充电时，表现为负荷的特性；当需要利用电动汽车的储能容量参与运行时，也可以表现为电源的特性。充电桩通过CAN或以太网与MDU通信，同时还能够最终靠多种通信介质与电动汽车交换信息。

  分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，其他的还有供电系统监控装置和环境监视测定装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成*流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。其工作原理为，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成*流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器来控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

  现有储能设备为100kW/260kWh，接入单侧低压母线系统中。其主要应对存在少量的容量不够的充电站建设场景，当电网侧配变容量不够，储能系统进行功率补充，满足充电桩同时工作。

  储能系统包括智能配电、储能蓄电池组、BMS系统、储能变流器和储能监控系统。变流器选型根据储能*大输出功率进行选择。

  BMS完成电池组的充放电管理功能，动态监测电池组的电压，电流，温度，自动计算SOC（荷电状态）。

  监控主机收集电池储能单元的运行数据来进行备份，显示电池储能单元运行的各种信息和数据，供用户查看和判断系统运作时的状态。

  电池采用磷酸铁锂电池，电池管理系统提供过充、过放、过流、过温、短路保护，提供充电过程中的电压均衡功能，具备系统运行状态和故障报警显示，同时能采集所有电池组的信息，通过液晶屏进行参数设置和修改，根据电池状态调整充放电控制。储能变流器设备采用模块化设计，每个模块为50kW，二个模块并联组成100kW储能变流器。设备拓扑采用三电平设计，相比较于两电平拓扑，三电平拓扑能够提*开关频率、转换效率和系统稳定性，降低输出谐波、开关损耗和变流器体积。对于新建且大量电源容量缺失的公交场站背景下，电源容量的缺口大还可以达到总负荷的50%以上时，这种应用场景就对电池和环境管理方面有较*的要求，储能设备电池也可采用钛酸锂电池，其具有*倍率、长寿命的特点，亦可满足电动公交充电运营多次充放需求，大量减少车辆充电对电网侧的需求。

  整个系统的物理架构分为3层：应用层、网络层、感知层。主站系统结构如图2所示。

  网络层负责数据透明传输，可实现设备正常运行信息、设备正常运行控制命令的传输，一般来说包括接入层和核心层。

  感知层负责识别、采集总系统所有设备、传感器的运行等数据，实现储能系统、试验平台、配网信息、用电信息、无功补偿、谐波治理等系统和设备的监视和控制。

  充电站通过合理设置光储系统，充分满足充电需求，降低局部配电网接入压力，一方面能够很好的满足电动汽车充电的总需求，另一方面能适应电网发展能力，保证后期充电设施发展。

  充电站配置光伏、储能并网运行，可实现离网储能供电，满足特殊长时间的电力故障抢修要求，大大提*充电站系统整体供电可靠性水平。

  通过建设光、储、充微网能量管理系统，公交充电站能*大化使用清洁能源，践行绿色出行、低碳用能新发展理念。

  清洁发展，优先利用新能源，改善能源结构，基于能源网互动优势，灵活适应各类电源发电上网和用户多样化用电需求，实现按需生产和调度。

  Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的*进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统和充电桩的接入，*天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运作时的状态及健康情况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统*安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，提升可再次生产的能源应用，提*电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提*电力设备正常运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

  微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统*物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

  GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范*1部分：通用要求

  GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台*2部分：性能评定方法

  GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范*5部分：场地安全要求

  GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范*6部分：验收大纲

  DL/T634.5101远动设备及系统*5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

  系统可应用于城市、*速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再次生产的能源系统监控和能量管理需求。

  本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

  微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运作时的状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

  系统应可以对分布式电源、储能系统来进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

  系统应可以对储能系统进行状态管理，可以依据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

  微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

  子界面最重要的包含系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

  本界面用来展示对光伏系统信息，最重要的包含逆变器直流侧、交流侧运作时的状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据来进行展示。

  本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线结语

  目前的充电站建设大多单独在空地上建设，可在充电站顶棚建光伏，但这样的建设并不能*充电站的需求。目前光储充一体化更适用于商业园、工业园、商用住宅等范围，在屋顶上建光伏，这样规模的光伏建设产生的能量足够满足充电站的使用，同时能利用峰谷电价，减少成本。

  随着光伏业的发展，建设成本将会促进的降低；而储能电池，可考虑电动汽车退役下来的动力电池梯次利用，节省本金的同时，更*效的利用能源，也使电动汽车动力电池的回收有了新的解决方向，而随着充电桩规模化的生产，有助于逐步降低建设成本。

  [1]关于逐步加强电动汽车充电基础设施建设和管理的实施建议[R].北京市人民*府办公厅.

  [2]李惠玲，白晓民.电动汽车对配电网的影响及对策[J].电力系统自动化.

  [3]余晓丹，徐宪东，陈硕翼.综合能源系统与能源互联网简述[J].电工技术学报.

  [4]国网能源研究院，孙李平，李琼慧，黄碧斌.分布式光伏发电现状及走势[N].

  翟雪玲，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要是做与安全用电的研发与应用。