淺談新能源汽車光儲充一體化設計與應用方案

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：當前，傳統的電網供電充電方式存在速度慢、高峰期負荷大等問題，無法滿足新能源汽車用戶的快速充電需求，已成為制約新能源汽車大規模商用的瓶頸，因此設計一種快速、綠色、智能的新充電模式迫在眉睫。“光儲充"一體化充電站通過集成光伏發電系統、儲能系統和智能充電系統，可以實現快速便捷的綠色充電，確保充電站自主可靠運行，解決新能源汽車充電難題，具有良好的經濟性和環境效益，對促進新能源汽車產業發展具有重大意義。該文分析新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案，對該方案進行性能評估和試驗論證，從而實現綠色環保的快速充電。

關鍵詞：新能源汽車；光伏發電；儲能系統；快速充電站

0引言

隨著新能源汽車的快速發展，充電設施建設不完善已經成為制約新能源汽車大規模商用的主要原因。目前，新能源汽車充電設施主要依賴電網供電，存在充電速度慢、高峰期負荷大等問題，難以滿足用戶的快速充電需求。因此，設計一種快速、便捷、綠色的新能源汽車充電站十分必要。本文針對這一需求，設計一種“光儲充"一體化新能源汽車充電站方案。該方案通過將高效的光伏發電系統、大容量儲能系統和智能充電系統有機結合，可實現充電站的自主供電和智能化控制，提供高效、便捷的快速充電服務。

1新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案

新能源汽車逐漸普及，對高效、便捷、綠色的充電設施需求不斷增加。“光儲充"一體化充電站通過太陽能光伏板吸收太陽能，將其轉化為電能進行儲存，再通過快速充電樁為新能源汽車提供充電服務。這種模式有利于充分利用清潔能源，減少對傳統電網的依賴，降低能源消耗和減少環境污染。此外，“光儲充"一體化充電站還能夠加速新能源汽車的推廣應用，提高充電效率，緩解充電設施不足的問題，并為用戶提供更為便捷的充電體驗，進一步促進新能源汽車行業的可持續發展。

1.1總體設計思路

新能源汽車“光儲充"一體化充電站的總體設計思路：系統集成光伏發電系統、儲能系統和智能充電系統，從而實現快速綠色充電和充電站獨立供電。其中，光伏發電系統選用高效的太陽能組件，并配套智能跟蹤系統、優化的并網系統及完善的運行維護體系，可實現經濟環保的綠色發電；儲能系統采用大容量、長使用壽命的鋰電池，配套智能BMS系統，可實現對電池的安全監控和優化管理；智能充電系統可實現對多路快速直流充電樁的統一監控和優化調度，以及用戶管理、計費等功能。這三大系統互為支撐、兼容良好，可形成穩定、經濟、智能的一體化充電解決方案。該設計方案集技術、經濟、管理優化于一體，既能解決電動汽車快速充電難題，也可實現充電站的獨立自主運行，是新能源汽車充電基礎設施建設的重要實踐路徑。也就是說，為充電站配備大量的高效光伏組件，采用智能優化技術提高發電效率；設置大容量電池作為儲能系統，平滑光伏發電的間歇性；通過的電力電子設備和控制算法實現快速直流充電；搭建智能充電管理平臺，對充電過程進行優化管理，提供充電預約、計費等功能服務。這樣，在白天光伏發電系統可為新能源汽車充電，夜間和陰天則由電池提供電力以保障車輛正常運行，既可實現快速綠色充電，又能確保充電站的獨立自主供電。

1.2光伏發電系統設計

新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案中的光伏發電系統設計是一個復雜的系統工程，需要考慮選用高效的太陽能電池、合理安排布局、建立智能化的跟蹤和控制系統等多個方面。

其一，工程師需要根據充電站位置的光照條件選擇轉換效率高、可靠性好的多晶硅或銅銦鎵硒（CIGS）等光伏電池組件，以確保光伏發電系統具有較高的發電效率。其二，需采用計算機輔助工程軟件，對充電站場地陽光進行分析，確定安裝光伏組件的佳傾角、行距和排距，以減少組件之間的相互遮擋對發電量的影響。其三，要考慮組件之間的通風設計，避免發電效率受高溫的負面影響。還需建立自動化或數字化的太陽能跟蹤系統，實現光伏組件的定時或實時向陽跟蹤，進一步提升發電效率。其四，要搭建智能化的監控系統，對光伏發電系統的工作參數進行遠程監測，并確保其能實現故障預警、自動報警等功能，保證系統的持續高效運行。通過科學的系統規劃設計和智能化的運行維護，光伏發電系統可以為充電站提供經濟、穩定、綠色的電力支撐，使整個充電站實現自主化供電。

1.3儲能系統設計

在新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計中，儲能系統設計尤為關鍵。

1. “光儲充"一體化充電站可將太陽能光伏板產生的電能進行儲存，因此需要一個可靠的儲能系統來保證充電站能夠全天候提供穩定的電能。儲能系統需要具備高效的充放電轉換率和較大的儲能容量，以滿足白天的太陽能收集和晚上的充電需求。同時，儲能系統還需要具備可靠的安全性能，能夠應對各種突發情況，從而確保充電站的持續運行和滿足用戶的充電需求。

2. 在儲能系統設計中，需要兼顧系統的智能化和可持續性。可以通過智能充放電控制系統實現對儲能系統的管理，根據電網和充電需求實時調整儲能系統的運行狀態，提高能源利用效率。此外，為了確保儲能系統的可持續性，需要考慮儲能設備的使用壽命和回收利用。因此，在設計儲能系統時需要選擇高質量、長循環壽命的電池組件，并考慮到電池組件的可持續利用和回收問題，以減少資源浪費，實現綠色環保的目標。

1.4智能充電系統設計

新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案中的智能充電系統，是實現快速智能化充電管理的關鍵所在。該系統需要具備的充電控制算法，通過監控電池電壓、電流、溫度等參數，優化控制充電過程，實現快速充電。同時，需配置高功率的直流快速充電樁，并支持其對多輛新能源汽車同時快速充電。在智能充電系統設計中，還需建立的充電負荷預測模型，并根據光伏發電量和儲能系統容量進行科學調度，實現充電負荷的平滑化，避免系統超載。此外，需要搭建包含充電樁、車載系統及控制系統的充電站通信網絡，實現對充電過程的實時監控和管理，保障充電效率與安全。還可對用戶充電需求進行分析與預測，進而實現充電預約、優先充電等差異化智能調度服務，并建立用戶注冊付費系統，提供充電賬單和繳費服務。

智能充電系統承擔對充電站所有資源進行科學管理與優化配置的重任，既是實現快速、便捷、經濟充電服務的關鍵所在，也是提升充電站整體智能化運營水平的重要組成部分。

2新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案性能評估

在實施新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案時，需要對其進行性能評估，重點從技術指標評估、經濟效益評估兩個方面進行，以評估其性能優劣。這對于進一步優化設計方案，確保實現技術進步和經濟效益大化具有重要意義。同時，也可以為該設計方案的實際應用提供參考依據。

2.1技術指標評估

在新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案的性能評估中，技術指標評估是衡量充電站整體性能的關鍵。光伏發電系統性能指標的評估，是通過測量光伏板的轉換效率、輸出功率穩定性、溫度系數、衰減率等參數來進行的。轉換效率直接關系每平方米光伏板能產生多少電力，是評估光伏板質量的直觀指標；輸出功率穩定性則反映了光伏發電系統在不同日照條件下的發電能力是否穩定，這對于保證充電站的持續穩定供電至關重要；溫度系數是評價光伏板在不同溫度下性能變化的指標，會影響光伏板在實際環境中的發電效率；衰減率是指光伏板隨著使用時間增加效率下降的速度，是評估光伏板長期使用價值的重要參數。

儲能系統性能指標評估還涉及其容量、充放電效率、循環壽命及整體穩定性。儲能系統的容量決定了充電站能夠儲存多少電力，是保證在光伏發電不足時仍能滿足充電需求的基礎；充放電效率是評價電能在儲存和釋放過程中損耗程度的重要參數，直接關系系統的能源利用率；循環壽命反映了儲能設備可以經受多少次充放電循環后仍能保持一定容量，是判斷儲能系統經濟性和可靠性的關鍵指標；系統的整體穩定性包括儲能系統在長期運行過程中的安全性和環境適應能力，旨在保證充電站在各種環境下都能安全穩定地工作。

2.2技術經濟性評估

新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案中的技術經濟性評估主要體現在技術評估和經濟性評估兩個方面。

一，技術評估。“光儲充"一體化充電站采用太陽能光伏發電系統與電池儲能系統相結合的方案，可實現清潔能源的發電和儲能，供給新能源汽車充電使用。在技術評估方面，需要對光伏發電系統和儲能系統的性能進行評估。光伏發電系統的評估指標包括太陽能電池板的轉換效率、陣列布局設計、面積利用率等；儲能系統的評估指標包括電池的能量密度、循環壽命、充放電效率等。

二，經濟性評估。在經濟性評估方面，需要考慮“光儲充"一體化充電站的建設和運營成本，以及其與傳統充電站的對比。建設成本包括光伏發電系統和儲能系統的投資成本，以及充電設施和配套設備的成本；運營成本包括電力購買成本、設備維護成本等[6]。與傳統充電站相比，“光儲充"一體化充電站可以降低對傳統電網的依賴，減少能源購買成本，同時還可以通過銷售多余的電力回收一部分投資。

3新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案試驗論證

在構建好新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案后，需要通過試驗對其進行具體分析。但考慮到充電站實地建設難度較大，所以主要從技術可行性和經濟可行性兩個層面對其進行詳細論證，以驗證該新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案的可行性，為其推廣應用提供決策依據。

一是技術可行性論證。工程師可通過計算機建模進行仿真試驗，驗證該充電站設計的關鍵技術指標。例如，在仿真試驗系統中建立“光儲充"充電站，該站采用60kW的分布式光伏發電系統、100kW·h的鋰電池儲能系統，支持6個120kW的快速直流充電樁。仿真試驗結果表明：該充電站可滿足日均充電服務2000車次的需求，大輸出功率可達600kW，儲能系統可確保夜間23時至次日7時實現正常充電，儲能效率在90%以上，驗證了充電站的獨立供電和快速充電的技術可行性。

二是經濟可行性論證。通過對當前市場情況進行調查和分析，對充電站進行成本收益評估得出：單個充電站設備投資約為150萬元，投資回收期約為5.5年，投資內部收益率在10%以上。由此可知，該方案具有良好的經濟可行性。

4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

5充電站微電網能量管理系統解決方案

5.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

5.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

5.2硬件及其配套產品

6結束語

在新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計中，應用光伏發電和儲能技術，構建智能充電管理系統，可實現快速便捷的綠色充電，確保充電站的自主可靠運行。與傳統充電模式相比，該充電站設計方案具有良好的技術經濟性，電價優勢明顯，投資回收期短，綜合效益好，可有效解決當前新能源汽車充電不便的問題，推動新能源汽車的廣泛應用。總體來看，該新能源汽車“光儲充"一體化充電站設計方案是當前新能源汽車充電設施建設的重要選擇之一，對充電站的建設具有重要的指導意義。未來，還需開展深入研究，推動該充電站設計方案的實際應用，從而為我國新能源汽車產業的發展提供有力支撐。

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