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浅谈新能源汽车充电设施在光伏站、储能站、电动汽车充放电站的研究应用 |
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| 浏览次数：5590次 更新时间：2024-09-25 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801摘要：本研究探讨了新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合模式。通过分析现有研究背景与现状，提出了一种综合性的融合模式，该融合模式旨在提高能源利用效率、推动可再生能源应用、降低环境污染，并促进新能源汽车产业的可持续发展。该模式的实施可以有效解决新能源汽车充电难题，推动清洁能源的普及和应用。鉴于此，本文围绕福建华电万安能源有限公司微电网光储充项目展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。 关键词：新能源汽车；电动汽车充放电站；微电网；可持续发展 0引言 随着全球能源紧缺和环境污染问题的日益严重，新能源汽车作为一种清洁、高效的交通方式受到了广泛关注。然而，新能源汽车的普及和应用仍面临着充电设施不足、能源供应不稳定等挑战。同时，光伏站、储能站和电动汽车充放电站作为可再生能源的利用和储存手段，具有巨大的潜力。因此，本研究旨在探索新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合模式，以推动新能源汽车产业的可持续发展，并促进清洁能源的广泛应用。 1新能源汽车充电设施的研究现状 充电难一直伴随电动汽车发展，“光储充一体化”系统将能够解决在有限的土地资源里，将太阳能发电与储能相结合。在阳光充足的时候将发出的电存储起来，或在充电负荷低时进行储能，当光伏系统出力不够时，由储能装置对电动汽车进行充电，完全使用新能源电量为电动车充电。项目融合光伏站、储能站、电动汽车充放电站，实现“多站合一”，形成示范效应。着力构建“三大新高地”典型应用场景：源网荷储微网生态新高地，实现能源流、业务流、数据流融合互动，建成数字新基建的典型项目。 新能源汽车充电设施包括快速充电站、换电站等多种类型。其中，快速充电站大幅缩短了充电时间，提高了用户的使用便利度。同时，充电方式也多样化，包括直流充电、交流充电等。为了满足新能源汽车的充电需求，各国都在加速建设充电设施网络。在公路、停车场等公共场所，都已经有大量的充电设施投入使用。尽管新能源汽车充电设施的研究和发展取得了显著成果，但仍存在一些问题和挑战。例如，充电设施的建设成本高，运营资金需求大；充电设施在不同地区的分布不均衡；充电设施的技术标准和规范需要进一步完善等。总之，新能源汽车的普及推动了其充电设施的广泛研究，目前在设施建设、技术创新、网络化与智能化方面都有所成果，但仍面临成本、分布、技术规范等问题和挑战。 2融合模式的详细设计 2.1充电设施与光伏站的融合
（2）能量管理系统：该系统负责监控和管理充电设施与光伏站的运行。它能够实时收集和分析光伏发电数据，以及新能源汽车的充电需求，从而优化能源分配和充电效率。 2.2充电设施与储能站的融合 （1）储能充电站：利用储能电池存储光伏发电或其他可再生能源，并在需要时为新能源汽车提供充电服务。这种融合模式有助于解决可再生能源的间歇性问题，确保在无光照或其他能源供应不稳定的情况下，仍能为新能源汽车提供持续的充电服务。 （2）电池交换站：在储能电池电量不足时，电池交换站可提供已充好电的电池更换服务，从而保障新能源汽车的持续运行。 2.3充电设施与电动汽车充放电站的融合
（2）车辆到电网（V2G）技术：该技术允许新能源汽车在有需要时，将储存的电能回输到电网中，为其他设备或家庭提供电力。这种融合模式有助于实现新能源汽车与电网的互动，提高电网的稳定性和效率。 3融合模式的融合模式的实施 3.1设施规划和布局
（3）电动汽车充放电站与充电设施的规划：电动汽车充放电站也应当与充电设施的规划相协调。充电设施的布局应当尽可能靠近电动汽车充放电站，以方便将电能传输到充电桩，同时也方便将电能从充电桩转移到电动汽车中。这种紧密的规划和布局可以实现电能的互联互通，提高系统的灵活性和效率。通过科学规划和合理布局，新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合模式可以实现更高效的能源利用和协同运营。未来，随着相关技术的进一步发展和政策的支持，这种融合模式的实施将会变得更加普遍，推动新能源汽车充电设施的可持续发展。 3.2技术选择和集成
（4）安全性和可靠性考虑：在融合模式的实施中，安全性和可靠性是至关重要的考虑因素。充电设施应具备安全可靠的充电保护措施，确保电动汽车和能源设施的正常运行。同时，还需要考虑到防止黑客攻击和故障处理等方面的安全问题，以保障整个能源系统的稳定运行。通过合适的技术选择和有效的集成，新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合模式可以实现更高效、更可持续的能源利用。未来，随着相关技术的不断进步和实践经验的积累，这种融合模式将得到更广泛的应用，推动新能源汽车充电设施的发展。
3.3网络化和智能化
（2）智能化能源管理：借助人工智能和数据分析技术，可以实现对能源流的智能化管理。通过收集、分析和预测能源数据，可以优化能源的分配和利用，提高系统的效率。智能化的能源管理系统可以根据不同需求进行动态调整，并实时监测能源供需平衡。 （3）智能充电调度：通过智能化调度算法和数据分析，可以实现充电设施的智能充电调度。根据充电需求的优先级和能源供应情况，系统可以自动优化充电计划，提高充电效率和用户体验。智能充电调度还可以平衡负荷、减少能源浪费，并降低对传统电网的依赖。 （4）智能安全监测：网络化和智能化的能源系统也需要具备智能安全监测功能。通过实时监测设备状态、能源流量和环境参数等信息，可以及时发现潜在的安全风险并采取相应的措施。智能安全监测系统可以提高能源系统的稳定性和可靠性，确保能源设施和用户的安全。通过网络化和智能化的实施，新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合模式可以实现更高效、更可持续的能源管理和利用。未来，随着相关技术的进一步发展和实践经验的积累，这种融合模式将得到更广泛的应用，推动新能源汽车充电设施的发展。 3.4规划设计
（5）合作与共享：在建设和运营过程中，需要加强各方之间的合作与共享。充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站可以共享资源和互补优势，提高整体系统效率。通过建立联盟或合作机制，实现信息共享、技术协同和业务互通，推动融合模式的有效实施。通过合理的建设和运营策略，新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合模式可以实现更高效、更可持续的能源利用和协同运营。未来，随着相关技术的不断进步和实践经验的积累，这种融合模式将得到更广泛的应用，推动新能源汽车充电设施的发展。 4实施效果分析 4.1提升能源利用率 通过融合模式的实施，可以实现能源的高效利用。利用光伏站发电和储能站存储的电力，为电动汽车提供充电能源，减少对传统能源的依赖。评估融合模式是否有效的一个重要指标是能源利用率的提升程度。 4.2改善充电效率 融合模式可以优化充电设施的布局和调度，提高充电效率。比如，根据光伏站的发电情况和储能站的储能容量，智能调度充电设施的使用，使得能源利用更加均衡和高效。评估融合模式的有效性时，需要考虑充电效率的改善程度。 4.3减少环境影响 新能源汽车的推广可以减少传统燃油车的使用，从而降低空气污染和碳排放。与此同时，光伏站的利用可以减少对化石燃料的需求，进一步减少环境影响。评估融合模式的实施效果时，需要考虑到环境方面的改善情况。 4.4提升用户满意度 通过融合模式的实施，新能源汽车用户可以享受更加便捷和高效的充电服务。他们可以根据光伏站和储能站的能源供应情况，灵活选择充电时间和地点。评估融合模式的可行性和有效性时，需要考虑用户对系统的满意程度。 4.5经济效益分析 新能源汽车充电设施与光伏站、储能站和电动汽车充放电站的融合将降低能源成本。光伏站产生的电力可以直接供应给电动汽车充电设施，减少了传统电网输送能源的损耗，提高了能源利用效率。同时，储能站可以将多余的电力储存起来，以供给晚上或云天时使用，进一步降低了能源消耗和成本。种集约化管理可以降低运营成本，并提高设施的利用效率。 5Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统 5.1平台概述 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、储能系统以及充电站的接入，进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、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，提高电力设备运行效率、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，整个能量管理系统在物理上分为三个层：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。 5.2平台适用场合 系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。 5.3系统架构 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：
图1典型微电网能量管理系统组网方式 6充电站微电网能量管理系统解决方案6.1实时监测 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行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、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：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、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，能够根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、充电站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。
图1系统主界面 子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。 6.1.1光伏界面
图2光伏系统界面 本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、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进行展示。 6.1.2储能界面
图3储能系统界面 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。
图4储能系统PCS参数设置界面 本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图5储能系统BMS参数设置界面 本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图6储能系统PCS电网侧数据界面 本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图7储能系统PCS交流侧数据界面 本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图8储能系统PCS直流侧数据界面 本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS状态界面 本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图10储能电池状态界面 本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图11储能电池簇运行数据界面 本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。 6.1.3风电界面
图12风电系统界面 本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、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、风速/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进行展示。 6.1.4充电站界面
图13充电站界面 本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。 6.1.5视频监控界面
图14微电网视频监控界面 本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。 6.1.6发电预测 系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
图15光伏预测界面 6.1.7策略配置 系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。 具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。
图16策略配置界面 6.1.8运行报表 应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。
图17运行报表 6.1.9实时报警 应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
图18实时告警 6.1.10历史事件查询 应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
图19历史事件查询 6.1.11电能质量监测 应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。 1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值； 2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率； 3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差； 4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）； 5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。 6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。 7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
图20微电网系统电能质量界面 6.1.12遥控功能 应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
图21遥控功能 6.1.13曲线查询 应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
图22曲线查询 6.1.14统计报表 具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
图23统计报表 6.1.15网络拓扑图 系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
图24微电网系统拓扑界面 本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。 6.1.16通信管理 可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
图25通信管理 6.1.17用户权限管理 应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
图26用户权限 6.1.18故障录波 应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。
图27故障录波 6.1.19事故追忆 可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。 用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。
6.2硬件及其配套产品
7结束语 总而言之，本文提出了新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合模式，通过将新能源汽车与可再生能源有机结合，提高了能源利用效率和环保性能，为新能源汽车产业的可持续发展开辟了新的道路。然而，该融合模式的实施仍面临技术、经济、政策等方面的挑战，企业和社会各方的共同努力。未来，随着技术的进步和政策的完善，相信新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合将成为推动能源转型和绿色发展的重要力量。 【参考文献】 【1】马琳,朱铁群,陈霞丽,等.地下新能源汽车停车场消防设计探讨[J].建筑安全,2022,37(11):89-93. 【2】华光辉,夏俊荣,廖家齐,等.新能源汽车充换电及车网互动[J].现代电力,2023,40(05):779-787. 【3】温仕祥，郑志强.新能源汽车充电设施与光伏站、储能站、电动汽车充放电站的融合研究 【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版. 【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
作者介绍： |
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| 能源通会员 第3年 |
