電動(dòng)汽車光伏充電樁典型方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車光伏充電樁典型方案設(shè)計(jì)摘要：根據(jù)不同的項(xiàng)目環(huán)境、電網(wǎng)電力供應(yīng)情況，結(jié)合光伏發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)以及電動(dòng)汽車充電樁的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了三種電動(dòng)汽車充電樁的供電方式，以滿足各種情況下的需求，同時(shí)評(píng)估其投資收益情況。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電、充電樁1引言光伏充電樁是集太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車充電功能于一體的智能型可再生能源綜合應(yīng)用系統(tǒng)。發(fā)展電動(dòng)汽車被各個(gè)國(guó)家普遍確立為提高汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。目前根據(jù)國(guó)家規(guī)劃，全國(guó)各地大力興建充電樁[1][2][3]。一方面充電樁尤其是快速充電樁需要較大的電網(wǎng)容量支持，在很多電網(wǎng)容量有限的地區(qū)無法快速建設(shè)充電樁；另一方面，大型光伏發(fā)電站特別是中西部光伏電站限電嚴(yán)重，補(bǔ)貼到位不及時(shí)，國(guó)家積極響應(yīng)分布式光伏電站建設(shè)，鼓勵(lì)自發(fā)自用、就近消納。光伏充電樁技術(shù)是光伏發(fā)電技術(shù)和電動(dòng)車充電樁技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，包括光伏發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、快速充電技術(shù)、智能微網(wǎng)技術(shù)等⑷[5][6]。通過光伏系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，所發(fā)電能給電動(dòng)車充電樁進(jìn)行供電或通過儲(chǔ)能單元進(jìn)行儲(chǔ)能，并在需要時(shí)儲(chǔ)能單元放電帶動(dòng)充電樁對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行充電。光伏充電樁系統(tǒng)既能解決光伏發(fā)電的消納問題，又能解決充電樁的供電問題，是光伏發(fā)電技術(shù)新的應(yīng)用形式。2方案設(shè)計(jì)原則⑴因地制宜，科學(xué)規(guī)劃結(jié)合我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)際、新能源發(fā)展情況與電動(dòng)車充電設(shè)施發(fā)展情況建設(shè)光伏充電樁系統(tǒng)，深入調(diào)研電動(dòng)汽車充電樁供電項(xiàng)目的可行性、必要性及經(jīng)濟(jì)性，積極利用我國(guó)豐富的太陽(yáng)能資源，為項(xiàng)目落地奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為優(yōu)化電動(dòng)汽車充電設(shè)施的用能結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮積極作用。⑵多能互補(bǔ)，高效利用將分布式光伏發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)及高效用能技術(shù)相結(jié)合，通過智能電網(wǎng)及綜合能量管理系統(tǒng)，加強(qiáng)能源高效利用技術(shù)研究開發(fā)，形成以光伏發(fā)電為主的高效一體化分布式能源系統(tǒng)，探索在電動(dòng)汽車充電設(shè)施建設(shè)上進(jìn)行可再生能源高效利用的各種技術(shù)手段，為可再生能源應(yīng)用、充電樁供電科技創(chuàng)新探索新路徑、新模式。⑶技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理集成分布式光伏發(fā)電及智能一體化電力能源控制技術(shù)，形成先進(jìn)高效的能源技術(shù)體系；與公共電網(wǎng)建立雙向互動(dòng)關(guān)系，靈活參與電力市場(chǎng)交易，使新能源供電在一定的政策支持下具有經(jīng)濟(jì)合理性。把技術(shù)開發(fā)與推廣應(yīng)用放在本項(xiàng)目的突出位置，為光伏充電樁建設(shè)提供經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的解決方案。⑷典型示范，易于推廣以光伏充電樁示范項(xiàng)目建設(shè)為契機(jī)，因地制宜探索分布式光伏發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)的微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，創(chuàng)新管理體制和商業(yè)模式；積極爭(zhēng)取各類政策支持，形成具有中國(guó)特點(diǎn)且易于復(fù)制的典型模式，階段性總結(jié)開發(fā)及應(yīng)用成果，在示范的基礎(chǔ)上逐步推廣到其他光伏充電樁的項(xiàng)目中去。3典型方案設(shè)計(jì)根據(jù)不同的項(xiàng)目環(huán)境、電網(wǎng)電力供應(yīng)情況，結(jié)合光伏發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)以及電動(dòng)汽車充電樁的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了三種電動(dòng)汽車充電樁的供電方式，以滿足各種情況下的需求。1、并網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)本方案是針對(duì)充電樁安裝地區(qū)有電網(wǎng)接入條件，且電網(wǎng)容量滿足充電樁供電需求，或電網(wǎng)擴(kuò)容成本較低的情況，如規(guī)劃中的商業(yè)區(qū)、公園或停車場(chǎng)等地區(qū)。1.1系統(tǒng)組成及工作原理并網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電單元、充電樁單元及智能控制單元等組成。光伏發(fā)電單元吸收太陽(yáng)光能后形成直流電能，通過逆變器轉(zhuǎn)換成380V三相交流電能，給充電樁單元供電。當(dāng)光伏所發(fā)電量不滿足充電樁單元的供電需求時(shí)，充電樁單元會(huì)同時(shí)從電網(wǎng)中吸收電能。而當(dāng)光伏所發(fā)電量有富余時(shí)，光伏發(fā)電單元將多余電量逆變上網(wǎng)，為電網(wǎng)反向提供電能。整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控單元中既定的控制策略進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1并網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)示意圖1.3技術(shù)特點(diǎn)在現(xiàn)有成熟的充電樁接入系統(tǒng)中簡(jiǎn)單加入光伏發(fā)電供電，電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)可罪；利用充電樁周邊建筑物建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，有效利用太陽(yáng)能資源，使用清潔能源；光伏發(fā)電自發(fā)自用，余電上網(wǎng)，解決發(fā)電消納問題；利用市電和光伏發(fā)電同時(shí)為充電樁供電，保證充電樁供電穩(wěn)定性；光伏發(fā)電系統(tǒng)自帶孤島保護(hù)功能，保證系統(tǒng)供電安全；配備智能監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)充電樁運(yùn)行特性，合理配置系統(tǒng)運(yùn)行策略，最大保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力。1.4設(shè)計(jì)要點(diǎn)方案采用模塊化設(shè)計(jì)，方便在前期開發(fā)時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目可行性研究及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況可多個(gè)模塊組合使用。單個(gè)模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：⑴根據(jù)項(xiàng)目所在地的太陽(yáng)能輻射資源條件，采用可并網(wǎng)的光伏發(fā)電技術(shù)，為光伏充電樁系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。⑵利用周邊建筑屋頂、汽車棚頂?shù)葏^(qū)域安裝高效的單晶/多晶硅電池組件進(jìn)行發(fā)電，建筑屋頂和汽車棚頂占用面積200E，共安裝30kWp的光伏組件。⑶系統(tǒng)共建設(shè)1個(gè)直流快速充電樁(60kW)和2個(gè)交流慢速充電樁(7kW)，直流快速充電樁和交流慢速充電樁均通過光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)供電。1.5適用范圍本方案適用于有電網(wǎng)接入條件，且電網(wǎng)容量能滿足充電樁用電需求，或電網(wǎng)擴(kuò)容成本較低的地區(qū)，如規(guī)劃中的商業(yè)區(qū)、公園等公共設(shè)施區(qū)、停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等。2、智能微電網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)本方案是針對(duì)充電樁安裝地區(qū)有電網(wǎng)接入條件，但電網(wǎng)容量無法滿足充電樁供電需求，或電網(wǎng)擴(kuò)容成本較高的情況，如已成熟運(yùn)行的商業(yè)區(qū)、高速公路服務(wù)區(qū)、電動(dòng)車換電站等地區(qū)。2.1系統(tǒng)組成及工作原理智能交流微電網(wǎng)并網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、充電樁單元、微網(wǎng)控制單元和能源管理單元等，它們共同組成380V的智能交流微電網(wǎng)系統(tǒng)。光伏發(fā)電單元吸收太陽(yáng)光能后形成直流電能，通過逆變器轉(zhuǎn)換成380V三相交流電能，給充電樁單元供電。當(dāng)汽車未充電時(shí)，所發(fā)電能將存儲(chǔ)到儲(chǔ)能系統(tǒng)中。當(dāng)汽車充電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)共同為充電樁單元提供穩(wěn)定的電能。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在電網(wǎng)波谷時(shí)段從電網(wǎng)中獲取電能進(jìn)行存儲(chǔ)，在電動(dòng)車需要充電時(shí)，再出力提供穩(wěn)定的電能。儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在降低了充電樁對(duì)電網(wǎng)的依賴程度，它即能保障光伏所發(fā)電能100%自發(fā)自用，同時(shí)在未來還能參與電網(wǎng)的削峰填谷工作，從中獲取電價(jià)差價(jià)利潤(rùn)。整個(gè)系統(tǒng)組成智能微電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng)后，可自動(dòng)切換成離網(wǎng)模式，持續(xù)為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖2智能交流微電網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)示意圖2.3技術(shù)特點(diǎn)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，降低對(duì)電網(wǎng)接入的依賴程度，具有較廣的地域適應(yīng)性；利用充電樁周邊建筑物建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，有效利用太陽(yáng)能資源，使用清潔能源；光伏發(fā)電完全自發(fā)自用，發(fā)揮最大的分布式光伏發(fā)電效益；利用儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏發(fā)電同時(shí)為充電樁供電，保證充電樁供電穩(wěn)定性；儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)電價(jià)低谷時(shí)存儲(chǔ)電能，并以較高的充電電價(jià)出售。開創(chuàng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的盈利模式；智能切換并離網(wǎng)狀態(tài)(并網(wǎng)與孤島狀態(tài))，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無縫切換，且多種運(yùn)行模式相互自動(dòng)或手動(dòng)方式切換；配備能源管理系統(tǒng)，具備能源管理和策略調(diào)度的功能。2.4設(shè)計(jì)要點(diǎn)方案采用模塊化設(shè)計(jì)，方便在前期開發(fā)時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目可行性研究及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況可多個(gè)模塊組合使用。單個(gè)模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：⑴采用光伏發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)，搭建一個(gè)分布式交流微電網(wǎng)系統(tǒng)，為光伏充電樁系統(tǒng)持續(xù)供電，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊和依賴。⑵利用周邊建筑屋頂、汽車棚頂?shù)葏^(qū)域安裝高效的單晶/多晶硅電池組件進(jìn)行發(fā)電，建筑屋頂和汽車棚頂占用面積200E，共安裝30kWp的光伏組件。⑶系統(tǒng)共建設(shè)1個(gè)直流快速充電樁(60kW)和2個(gè)交流慢速充電樁(7kW)，直流快速充電樁和交流慢速充電樁均通過光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)供電。⑷設(shè)計(jì)采用免維護(hù)、長(zhǎng)壽命的光伏專用蓄電池進(jìn)行光伏儲(chǔ)能。根據(jù)用電需求，共設(shè)置480kWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)。⑸系統(tǒng)控制器內(nèi)置微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行、孤網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)、全網(wǎng)停電等多種控制策略。根據(jù)不同的運(yùn)行工況和控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制，保障微電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。2.5適用范圍本方案有較廣闊的應(yīng)用范圍，尤其適用于有電網(wǎng)接入條件，但電網(wǎng)容量無法滿足充電樁供電需求，或電網(wǎng)擴(kuò)容成本較高的情況，如已成熟運(yùn)行的商業(yè)區(qū)、高速公路服務(wù)區(qū)。此外，本方案非常適合用在電動(dòng)車換電站上，能夠不用配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，直接將光伏系統(tǒng)所發(fā)電能存儲(chǔ)在更換電池組上。3、離網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)本方案是針對(duì)充電樁安裝地區(qū)沒有電網(wǎng)接入條件，或電網(wǎng)接入成本較高的情況，如高速公路、國(guó)道和省道沿岸等地區(qū)。此方案可以和離網(wǎng)的鐵塔通信基站結(jié)合，共同發(fā)揮離網(wǎng)的作用。3.1系統(tǒng)組成及工作原理離網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元、充電樁單元、微網(wǎng)控制單元和能源管理單元等組成。光伏發(fā)電單元吸收太陽(yáng)光能后形成直流電能，通過光伏充電控制器，將電能傳輸?shù)街绷髂妇€供負(fù)載使用或通過儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)起來。當(dāng)電動(dòng)汽車來充電時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)放電為充電樁單元提供穩(wěn)定的電能。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成智能離網(wǎng)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，持續(xù)為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖3離網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)示意圖3.3技術(shù)特點(diǎn)離網(wǎng)直流系統(tǒng)，系統(tǒng)控制更加簡(jiǎn)單，電能利用更加高效；利用充電樁周邊建筑物建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，有效利用太陽(yáng)能資源，使用清潔能源；光伏發(fā)電完全自發(fā)自用、直發(fā)直用，提供電能轉(zhuǎn)換效率；利用儲(chǔ)能系統(tǒng)為充電樁供電，保證充電樁供電穩(wěn)定性；完全獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定；配備能源管理系統(tǒng)，具備能源管理和策略調(diào)度的功能。3.4設(shè)計(jì)要點(diǎn)方案采用模塊化設(shè)計(jì)，方便在前期開發(fā)時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目可行性研究及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)項(xiàng)目具體情況可多個(gè)模塊組合使用。單個(gè)模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：⑴采用光伏發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)，搭建一個(gè)離網(wǎng)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，為光伏充電樁系統(tǒng)持續(xù)供電，消除對(duì)電網(wǎng)的沖擊和依賴。⑵利用周邊建筑屋頂、汽車棚頂、道路護(hù)坡等區(qū)域安裝高效的單晶/多晶硅電池組件進(jìn)行發(fā)電，建筑屋頂、汽車棚頂或道路護(hù)坡占用面積1000E,共安裝150kWp的光伏組件。⑶系統(tǒng)共建設(shè)2個(gè)直流快速充電樁(60kW),直流快速充電樁通過光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)供電，系統(tǒng)通過離網(wǎng)逆變器提供部分交流電能供其它負(fù)載使用。⑷設(shè)計(jì)采用免維護(hù)、長(zhǎng)壽命的光伏專用蓄電池進(jìn)行光伏儲(chǔ)能。根據(jù)用電需求，共設(shè)置720kWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)。⑸整個(gè)系統(tǒng)采用離網(wǎng)運(yùn)行模式，根據(jù)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)施調(diào)整用電負(fù)荷和供電平衡，保障微電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。3.5適用范圍本方案由于造價(jià)成本較高，僅適用于沒有電網(wǎng)接入條件，或電網(wǎng)接入成本較高的的區(qū)域，如較為偏遠(yuǎn)的高速公路、國(guó)道和省道沿岸等地區(qū)。只有在充電樁布局和電動(dòng)汽車保有量達(dá)到一定的階段，或儲(chǔ)能成本降低到一定條件后，才有建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)論目前我國(guó)電動(dòng)汽車及充電設(shè)施建設(shè)處在快速發(fā)展階段，大規(guī)模的充電設(shè)施建設(shè)需要電網(wǎng)的大力支持，本文針對(duì)不同的電網(wǎng)情況設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光伏充電樁典型方案，來保障充電設(shè)施建設(shè)過程中的供電問題。在有電網(wǎng)接入條件，且電網(wǎng)容量滿足充電樁供電需求，或電網(wǎng)擴(kuò)容成本較低的地區(qū)，采用并網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)；在有電網(wǎng)接入條件，但電網(wǎng)容量無法滿足充電樁供電需求，或電網(wǎng)擴(kuò)容成本較高的地區(qū)，采用智能微電網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)；在沒有電網(wǎng)接入條件，或電網(wǎng)接入成本較高的地區(qū)，采用離網(wǎng)光伏充電樁系統(tǒng)。同時(shí)，采用快速充電和慢速充電相結(jié)合，滿足不同用戶的充電需求。另外，結(jié)合光伏發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)，最大程度的平抑充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷擾動(dòng)。同時(shí)可利用儲(chǔ)能系統(tǒng)在夜間用電低谷充電儲(chǔ)能，在白天用電高峰對(duì)車輛進(jìn)行充電。這樣對(duì)整個(gè)電力負(fù)荷還能起到“削峰填谷”的作用。參考文獻(xiàn)中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì).《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015-2020年)》(發(fā)改能源[2015]1454號(hào))./zcfb/zcfbtz/201511/t20151117_758762.html.中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于加強(qiáng)城市電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃建設(shè)工作的通知》(建規(guī)[2015]199號(hào))./wjfb/201601/t20160115_226326.html.中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部.《關(guān)于"十三五”新能能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施獎(jiǎng)勵(lì)政策及加強(qiáng)新能源汽車推廣應(yīng)用的通知》(財(cái)建[2016]7號(hào))./tztg/201601/t20160120_123772.htmAhmedYS,