光储充检放一体化充电站在配电网中的应用

梁钦赐

（国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建 泉州 362000）

0 引言

为了缓解环境污染和能源危机等问题，电动汽车和分布式的能源得到了迅速发展和社会的普遍认可。这些分布式的能源，特别是光伏发电向配电网内并入，具有很强的随机性，并且会对配电网电能的质量、谐波以及潮流等造成一定的影响。此外，电动汽车充电站的建设对配电网也会产生一定冲击，为了避免或减轻该类情况对配电网产生的不良影响，需要对光储充检放一体化充电站加强研究。

1 光储充检放一体化充电站原理

将光伏发电接入配电网时，会使配电网潮流分布产生变化，从而对配电网内的电压产生影响。导致光伏发电系统出现谐波污染的主要是逆变器，向配电网内注入谐波时，会导致沿线电压发生畸变现象。电动汽车充电站对配电网产生影响的主要原因有以下2个方面。1） 电动汽车的充电时间出现叠加、或在负荷高峰的时段充电都会加剧配电网的负担。2） 由于充电设施是非线性负载，在充电时会产生较多谐波，因此该种情况和光伏发电一样都会对配电网产生影响。光储充检放一体化充电站，能有效解决此类问题[1]。

在光储充检放一体化充电站中，储能系统能够按照实际情况对光伏发电和电动汽车的充电需求进行分析，缓解配电网的压力。当充电站的负荷处在高峰期时，可以释放电能对电动汽车进行供电，并且对光伏发电的富余电量进行存储，实现输出电网功率的峰值和提升整体的供电性能。同时，储能系统还能对光伏发电、供电的特性进行改善，降低电动汽车在充电中配电网内负荷的波动，实现稳定电压、改善相角和有源滤波的效果。除此之外，充电系统主要是为电动汽车提供充电的基础条件，借助充电接口为电动汽车提供充电服务，实现对电动汽车进行稳定且快捷的充电功能；检测系统主要是实现快速地检测新能源汽车的电池，为车主提供电池检测的报告和风险预警等，确保电池的安全、可靠，延长电池的寿命。

2 光储充检放一体化充电站在配电网中的应用方案

以某市专区为例，计划建立1座能够集“发、充、储、检、放”交直流混合供电的充电站，并对其光储充检放一体化充电站应用进行分析[2]。在该项目内，光储充检放的一体化主要包括整流器设施、光伏充电系统、供配电的系统、群控充电的系统、电能储能的系统、单元监控系统以及展示系统。其中，实现以直流母线为基础的多端式互联装置，包括0.4 kV/1000 kVA的交流电源2路进线、100 kW的光伏1路接口、500 kW的储能1路接口、120 kW的新型充电机10路接口以及60 kW的常规型充电机10路接口。

3 光储充检放一体化充电站在配电网中的应用分析

3.1 供配电的系统

在该项目中，设置了1台MNS的低压交流式配电柜，并且为双路电源的进线，进行2回路1000 A的断路器配置，分别和2台500 kW的整流器连接；预留10回路100 A的断路器，并且分别和10台交流式充电桩连接，配置1回路40 A的断路器，并且提供了20 kVA的站用式电源。另外，还设置了1台直流式配电柜，并且配置10 回路250 A的断路器，与10台120 kW的充电机分别连接；配置150 A的断路器，并和100 kW的光伏式变流器连接；配置800 A的断路器，并和500 kW的储能式变流器连接[3]。

3.2 整流器

图1是整流器的原理框图。对整流器按照模块化理念设计，借助隔离式变压器向交流电网接入，使直流母线和交流电网实现电气的隔离，在交流侧以5个100 kW的双向式AC/DC的变流器相应模块实施并联。在整流器中，主要包括隔离的变压器、变流器的模块、配电的单元和控制单元等。其中集中控制的单元对5个双向式AC/DC的变流器相应模块载波实现同步。

图1 整流器的原理框图

双向式AC/DC的变流器相关模块以通用平台模块化理念实施设计，其主电路选择“1”式三电平的逆变拓扑类型，交流侧选择LCL的滤波器，在直流侧进行CL的滤波器设计来减少电流和电压的纹波。“1”式三电频的变流器在充电时，将网侧的交流电整流为直流电，对储能的电池和电动汽车实施充电；在向电网进行放电时，会将直流电逆变为交流向电网回馈，在满载的条件下充电模式与放电模式间转换可以在100 ms内完成[4]。

集中式整流器主要由整流器柜和变压器柜共同构成。变流器柜由2个柜体组合而成，单柜的宽深高分别是600 mm、800 mm和2160 mm。将每5只AC/DC的模块、5个支路的直流端子在1面的柜体安装，将集中式控制器和配电单元及其他附件在另外柜体内安装。此变压器柜是单面的柜体，其宽深高分别为1500 mm、1200 mm和2160 mm。

3.3 充电系统

充电系统主要包括DC/DC的充电相应模块、分配功率的控制器、充电的单元、对充电能量的控制器以及保护性电器等部分。

该方案的充电系统通过集中式整流器提供DC800 V的直流电。使用1台标准式500 kW整流单元的输出能够和5个120 kW的电单元相接，每1个充电的单元和1路充电的终端输入对应，并且直流变换的充电模块按照电压平台可以分作200 V～750 V、500 V～1000 V的2种类型，可以对近期和远期车辆的充电平台的需求。各个充电单元由4个30 kW的直流转换充电的模块以并联方式组成，从而实现对200 V～750 V的输出电压范围进行调节、以及对500 V～750 V范围内恒功率的输出进行有效控制。该系统主要采取直流母线的拓扑形式方案，分作前后两级功率转变。在前级部分AC/DC的单元中，选择集中式的PWM（脉冲宽度的调制）整流器，把380 V的交流电转变成具有稳定性的±0.4 kV直流电，从而向直流母线实施供电；在后级部分DC/DC的单元中，选择高频隔离的变换器，把±0.4 kV的直流电转换为电动汽车蓄电池在充电中所需200 V～750 V和500 V～1000 V的交流电，并按照车辆充电的需求和整流负荷的控制的具体要求，将最大安全的负荷作为约束性条件，对多路充电接口内输出的功率实施动态分配，达到有序充电的目的。这样不仅能够确保用户充电的需求，而且能够使集群充电的负荷控制处于整流配电的容量安全范围内。借助直流母线向光伏发电的间歇电源、储能电池的系统、整流负荷与充电负荷等接入，实现协同操作的目的。另外，系统按照采集的用户、车辆以及电网等信息，结合车联网的平台内峰谷用电的调控指令信息，能够对充电负荷以及常规负荷的用电周期和时段进行平衡调节，对用电的高峰期的充电负荷进行限制，防止出现峰上加峰的情况，保证电网的安全性。

充电计费的控制主要包括2类模式。1） 以集中计费的控制方案为基础，群控充电的单元内多个充电终端使用同一计费控制的单元。在充电终端没有操作的界面，则用户借助e充电的App，对充电终端所固定的二维码扫描就能够完成充电的支付。2） 以独立计费的控制方案为基础，对群控充电的单元内每个充电的终端都进行1个计费的控制单元设置，且具有CPU卡的读卡器、用户操作的屏幕，其充电不仅满足充电卡的支付，而且用户可以使用e充电的App，通过动态的二维码完成用户账号的支付等功能。该集群控制的充电系统借助计费控制的单元和车联网的平台接入，对充电设备的状态信息、充电监控和交易的数据实施上传，并对平台的交互指令进行接收[5]。

3.4 储能系统和放电

该储能系统包括500 kW的PCS（储能的变流器）1套、电池的管理系统、电池箱和电池架等部分。在该方案中，选用磷酸铁锂的电池，单体是3.2 V/50 Ah的规格，并且每簇电池在簇成组中是6并联216串联动的方式，额定的电压是691.2 V，其单簇的电池组的电压范围在540 V～777.6 V。在该方案中，储能系统共有5簇，并且每簇有216串，采取300 Ah单体的电池，一共需要180块300 Ah容量电池的单元，该电池标称达到1036. 8 MWh的总容量。对储能的变流器，按照模块化理念设计，使用一级变换的拓扑，使用5个100 kW的双向式DC/DC变流器的模块，在直流侧分作5支路，并且每个支路和1簇电池连接，电池的电压为500 V～780 V。

当储能装置处在放电的模式时，两双向变换电路Buck、Boost均在Boost的工作模式下工作。2个储能装置都采取恒压限流放电的方式。在其放电的过程中，对它们端电压的大小实时监测，避免储能装置出现过放。对储能装置放电的控制通过双闭环的控制策略实现。通过对外环的电压环的控制实现稳定母线电压，通过对电流内环的控制确保系统响应的速度且防止出现过放。如果发生负载的突变现象，由于超级电容的响应速度十分快，那么利用它进行较大电流的输出，蓄电池借助限幅器对较小电流输出。

3.5 电池检测系统

在电池检测的单元中，对12只单体内电池的电压和温度等相关信息进行检测，每簇电池内包括18个电池检测的单元；在每簇电池内，1个电池组的管理系统和18个电池检测的单元进行通信，实现对电池组的实时性监控；每5簇电池和一电池系统的管理单元对应，并且分别与BCMU（电池组的管理系统）借助RS485实施通信，1个BAMS和5个BCMU进行通信，以1路的CAN设备和储能的变流器实现通信，1路的以太网和网络的交换机实现通信。

3.6 光伏系统

在该项目中，100 kW的光伏系统和储能系统以及充电系统共同组成光储充电站，所发的电能参与到能量的调度中，从而充分发挥光伏发电站的作用。光伏系统包括光伏的组件、电缆、支架和光伏的逆变器等，设备都在站内的屋顶安装，并从光伏的逆变器以及其交流侧接入配电柜[6]。

该光伏系统的容量是100 kWp，选择265 Wp的光伏组件且用23块组件串联为1路，一共16路，直接接入到光伏的逆变器其直流的输入侧区域，光伏的逆变器选择2台50 kW的变流器，其光伏的组件选用265 Wp的多晶硅式光伏的组件，呈现高功率的输出和优异性弱光发电的性能特点。

3.7 监控系统

该系统具有完善的电池管理的功能、丰富的外部通信的接口，能够实现对光伏的系统、储能的系统以及充电的系统等设备运行的状态实时化监控，涉及对储能的电站中电池的单体部分、电池的模组部分、电池簇和电池堆等信息的实时化采集、监视、智能化维护、管理优化以及信息查询等。在界面设计中，主接线图主要对储能公共的快充站内主要设备电气联系和各点实时化信息进行显示，涉及有功和无功的功率、电压、电流、频率和各开关分合的状态等；并在储电站的综合监视和统计界面中，显示了储能系统内电气联系和运行的信息、充放电的实时性功率等；储能系统 PCS 的运行监控显示了PCS的运行数据信息，包括子单元的有功和无功功率、SOC等信息；在对电池簇、电池堆和运行监视的界面中，显示了各电池簇实际运行的信息，包括电压、电流和温度等信息；在对电池单体的运行监视中，显示了各电池的单体运行的信息，包括状态、温度和电压等；在对通信状态的监视中，显示了各设备通信的网络联系和通信状态等信息。该项目内有100 kW的光伏系统部分，增加了1套对光伏功率的预测性系统。该系统预先在一定的时间段内对光伏的发电站有功功率进行分析与预报，并且借助光伏系统发电预测的模型，对未来的15 min～4 h时间段内发电的功率、未来72 h时间内发电的功率等进行预测。

3.8 展示系统

为了体现储能、光伏和充电机等运行的情况以及效果进行体现，将通过大屏幕形式对其进行展示。该系统展示的内容包括总体展示的内容和针对性显示的内容。总体展示的内容包括系统安全性运行的小时数、节能的CO2、光伏的发电量、系统的拓扑图和电动汽车的服务次数与售电电量等。针对性显示的内容包括光伏发电中的曲线、运行的状态和总发电量等；储能系统中充放电的曲线、运行的状态和总充放的电量等；充电桩中充电的电度量具体曲线、收益、服务的车次和状态等。该系统在储能站配电的综合楼中的楼会客厅安装，通过LED的显示屏进行展示。

4 结语

综上所述，光储充检放一体化充电站为电动汽车的使用提供了全面、有效的服务，对其在配电网中的应用进行研究，希望对相关项目建设提供帮助。由于该技术具有巨大的发展前景，因此需要对该技术进行不断研究。