新能源电动汽车光储充研究设计

刘学锋　姜艳青　周冬兰　廖丹　邱长春

摘 要：随着电动车辆充电需求功率不断增大，规模化的电动汽车充电可能会导致配电网运行指标越限，同时还可能引起系统峰值负荷超额等问题，进而对系统输电和发电能力造成很大压力。将光伏发电经储能系统与充电桩相结合，不仅能缓解电网系统的压力，而且所建成的光储充系统在发电过程中无环境和噪声污染，实现了清洁能源的利用，也由此实现了以光养桩，削峰填谷，平抑充电负荷波动，降低电网容量压力，提高供电可靠性的情况。在提倡绿色环保、节能减排，大力发展新能源的时代此设计方案具备良好的推广前景。

关键词：电动汽车 配电网 光储充系统 以光养桩 前景

Research and Design of New Energy Electric Vehicle Optical Storage and Charging

Liu Xuefeng，Jiang Yanqing，Zhou Donglan，Liao Dan，Qiu Changchun

Abstract：With the increasing power demand for electric vehicle charging， large-scale electric vehicle charging may cause the operation index of the distribution network to exceed the limit. At the same time， it may also cause problems such as excessive peak load of the system， which in turn will affect the power transmission and generation capacity of the system. The combination of photovoltaic power generation via energy storage system and charging pile can alleviate the pressure on the grid system， and the built solar storage and charging system has no environmental and noise pollution during the power generation process， and realizes the use of clean energy. In order to improve the reliability of power supply， it is possible to use light to maintain piles， cut peaks and fill valleys， stabilize charging load fluctuations， reduce pressure on grid capacity， and improve power supply reliability. In the era of promoting green environmental protection， energy saving and emission reduction， and vigorously developing new energy， this design has a good promotion prospect.

Key words：electric vehicles， power distribution network， photovoltaic storage and charging system， photovoltaic piles， prospects

1 研究意义

开发利用可再生能源是保证我国能源供应安全和可持续发展的必然选择，大力使用光伏发电成为战略替代能源的电力技术之一，新能源汽车取代传统燃油汽车也已成趋势。

将光伏发电与新能源电动汽车充电桩相结合这个设计不仅可完美履行国家开发可再生能源与新能源汽车发展战略，还有良好的社会经济效益，对促进新能源电动汽车与开发可再生清洁能源的协调发展起到良好的引领示范作用。

将光伏发电经储能系统与充电桩相结合这一光储充研究设计可以有效缓解配电网容量压力、用电负荷低谷时段储存电能，在用电负荷高峰时段将存储的电量释放提升电网运行稳定性。

2 研究背景

电化学电池已经存在了100多年，太阳能光伏电池已经使用了半个世纪。在太阳能发展初期，用户在远离電网的地方部署光伏电池板来为电池充电，这些电池为卫星，气象站和偏远房屋等供电。在本世纪初，人们开始将光伏系统直接连接到电网。经过几十年的发展，光伏和电池储能已纳入新的建筑法规和安全标准，技术较为成熟。

截止2019年年底，纯电动汽车保有量已超过310万辆，充电桩也已超120万台，根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布数据，2019年我国车桩比已经提升至3.50：1，较2015年的7.84：1已经有大幅的提升。其中，车与公桩比为8.25：1。车桩比虽然在不断提升，但仍远低于《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020）》规划的1∶1的指标，充电桩仍有较大的建设空间。

2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会召开会议，研究当前新冠肺炎疫情防控和稳定经济社会运行重点工作，要加快新型基础设施建设进度，其中，新型基础设施建设包括特高压、新能源汽车充电桩、5G基站建设、大数据中心、人工智能、工业互联网和城际高速铁路和城市轨道交通等七大领域。政策出台后，新能源充电桩成为国家基础设施建设的重点方向之一。值得注意的是，5G、大数据中心、工业互联网、人工智能等这几个“新基建”智能化、信息化技术板块，也是充电桩、智能电网、智能交通、新能源汽车融合发展的重要基础。

3 项目设计

3.1 系统构成

本项目系统主要由光伏系统、储能系统、充电系统和监控系统四部分构成。

3.1.1 光伏系统

光伏系统采用光伏建筑一体化的模式，即光伏阵列与停车场车棚结合，光伏发出的电能可用于充电桩供电，也可用于站内日常用电，同时将多余的电能通过储能系统储存，做到零弃光，当然监控智能控制系统检测到新能源电动汽车充电数量过多、光伏发电存储不足时，控制系统将会使用电网电能为充电桩充电。

光伏系统是由光伏组件经过串、并联而成的光伏阵列，太阳电池工作原理的基础是半导体P-N结的光生伏特效应。光生伏特效应，就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

3.1.2 储能系统

利用蓄电池组储能，它是由一些性能大小相同的蓄电池单体通过串、并联的方式组合而成的模组。蓄电池组作为太阳能光伏发电的储能装置，其作用是将太阳能方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能储存起来，以供应用。这里选用锂电池，因为锂离子电池具有能量密度高、寿命长、自放电小、无记忆效应等优点，已广泛在数码便携产品中获得了应用，并且正逐步进入新能源电动车、储能电站等应用领域。

3.1.3 充电系统

新能源电动汽车的充电系统可以采用直流充电、交流充电和更换电池三种模式。

直流充电方式是直接利用直流母线的电作为直流充电桩的电源，通过充电连接装置直接给电动汽车的动力电池充电。该方式充电电流一般为150-250A，充电速度快花费时间短。

交流充电采用三相交流电为电动汽车充电，一般功率在7-35KW之间，从无电状态到充满所需时间一般为8-10h。在低功率的交流充电模式下其优势在于对动动力电池寿命影响和对电网冲击都较小，但充电时间较长，需长时间占用固定停车位。

更换电池充电模式通过全自动或半自动机械设备，进行快速的电池更换实现电动汽车电能的补给，电池更换时间一般只需2-10分钟即可完成。同时，换电模式下的电池组可以充当储能电池为整个微电网系统供电，更好的利用能源。

3.1.4 监控系统（含能量管理）

光伏电力监控组态软件搭建的光伏电站智能监控系统，可实现监测数据信息共享、交换、传输等功能，满足用户中心数据库的要求，监控到各单元状态以及监控光储充系统内部运行状态，自动根据峰谷时段及用电情况控制能量流动，实时数据的在线检测。

3.2 电网能量智能控制技术，见图1

新能源电动汽车光储充系统中光伏阵列于最大功率跟踪（MPPT）点输出直流电能，经过储能设备，储能充电系统处于有功功率-无功功率（PQ）控制工作状态，储能充电桩可供电动汽车充电，多余电能输入大电网，光伏阵列发电不足时有大电网补充，其中最为核心的是控制中心—电网能量智能控制技术。

电网能量智能控制技术能够实现对整个新能源电动汽车光储充系统的监视、控制及优化运行。通过对各回路设备的数据采集，实现对新能源电动汽车光储充系统运行状态的监测与控制，合理安排新能源电动汽车光储充系统的启停、科学控制储能充放电。通过远程实时监控新能源电动汽车光储充系统中光伏阵列发电、储能设备和负荷的各项电能参数，及时调整优化控制，为系统可靠性运行方案设计奠定基础。

4 结语

本项目主要是利用停车场投资建设光伏车棚储能充电桩一体化智能化的电网。新能源电动汽车光储充系统中光伏发电经储能系统后供应充电桩，不足部分由大电网补充，多余光伏电量存储到储能系统或输送到大电网。

建设光储充一体化智能新能源电动汽车光储充系统，不仅可以推动开发光伏行业的发展，缓解大电网新能源汽车充电桩供电负荷压力系，统设计方案中利用储能系统提高光伏发电的质量和利用率，还可借助“光储充”的技术特性使光伏发电与大电网调峰调频、削峰填谷和实现新能源电动汽车充换电时对大电网的冲击。

江西省高等學校，大学生创新创业训练计划项目。项目编号：S202012795013。

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