公交光储充一体化充电站设计

曹轶婷，欧方浩，王建兴

（华商三优新能源科技有限公司，北京 通州100100）

1 研究背景

“新基建”是服务于国家长远发展和“两个强国”建设战略需求，以技术、产业驱动，具备集约高效、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、助力数字经济发展、构建智慧和谐社会具有重要意义。

通过汽车充电网的智能高度，完全能够实现电网的削峰填谷，让电网更加的柔性化，其中最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高峰期使用，即解决了上游的新能源供应，又解决了下游的消纳。

近年来，党中央、国务院高度重视新型基础设施的建设。以“新基建”为牵引，夯实经济社会高质量发展的“底座”“基石”，对于发动“十四五”产业动力新引擎、助力数字经济发展、构建智慧和谐社会具有重要意义。

2 光储充一体化公交充电站建设的必要性

2.1 现有充电站面临的问题

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500 MVA，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。

2.2 现有充电网络面临的挑战

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需要解决的问题。

3 光储充一体化公交充电站的总体设计

拟选用朝阳区东高路和大鲁店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260 kWh/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。系统整体设计方案示意如图1所示。

3.1 光储充一体化系统架构

3.1.1 智能配电柜

改造配电或储能系统的交流母线，具备光伏并网条件。

3.1.2 微网监控调度单元

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，控制光伏储能系统各部分的运行；通过局域网与监控调度中心进行双向数据交换，接受中心的调度和管理。

3.1.3 电池储能装置

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，也可以采用DC/AC的单级结构；动力电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 充电桩

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，同时还可以通过多种通信介质与电动汽车交换信息。

图1 光储充一体化整体设计方案示意图

3.2 光伏系统技术方案

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，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。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交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，将直流电转换成交流电，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进行控制，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。

3.3 现状储能系统技术方案

现有储能设备为100 kW/260 kWh，接入单侧低压母线系统中。其主要应对存在少量的容量不足的充电站建设场景，当电网侧配变容量不足，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最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行状态。

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50 kW，二个模块并联组成100 kW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，三电平拓扑能够提高开关频率、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，电源容量的缺口大甚至可以达到总负荷的50%以上时，这种应用场景就对电池和环境管理方面有较高的要求，储能设备电池也可采用钛酸锂电池，其具有高倍率、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。

3.4 能源监控管理系统技术方案

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。

图2 能源监控主站系统结构图

应用层主要是提供网络任意端上应用程序之间的接口，实现对负荷数据分析等。

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

感知层负责识别、采集整个系统所有设备、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。

4 光储充一体化充电站建设应用分析

4.1 减少局部配电网接入压力

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，一方面能够满足电动汽车充电的总需求，另一方面能够适应电网发展能力，保证后期充电设施发展。

4.2 提升电网整体可靠性

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，大大提高充电站系统整体供电可靠性水平。

4.3 节能高效、清洁环保

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

4.4 推动智能电网的发展

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。

5 光储充一体化充电站未来发展探讨

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完全满足充电站的需求。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，同时可以利用峰谷电价，减少成本。

随着光伏业的发展，建设成本将会进一步的降低；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，节约成本的同时，更高效的利用能源，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，有助于进一步降低建设成本。