光儲充放換一體化裝置

、背景技術及現(xiàn)有技術的缺陷和不足一種分布式光伏儲能充電樁，包括光伏板、光伏變換器、逆變裝置、電池模塊、直流母線和檢測模塊，光伏變換器、逆變裝置和電池模塊分別與直流母線連接，光伏板與光伏變換器連接，光伏變換器分別與電池模塊和逆變裝置連接，逆變裝置設有逆變器和整流器，逆變裝置外接市電交流旁路和充電槍，逆變裝置具有雙向變流的特性，電池模塊設有電池和電池檢測裝置，電池模塊與逆變裝置連接，檢測模塊與電池模塊和逆變裝置連接，電池可接受光伏變化器充電，也可接受逆變裝置蒸餾充電，在電池需要放電時，通過逆變器變換交流電輸出，供電動汽車充電，緩解高峰期大量使用充電樁的用電壓力，節(jié)省成本。這種光儲充電樁系統(tǒng)雖然能夠在一定程度上緩解高峰期大量使用充電樁的用電壓力，但是其在系統(tǒng)的管理、能源分配和經(jīng)濟效益方面的表現(xiàn)不佳，在眾多充電樁一起運行時，無序控制會使光儲充電系統(tǒng)效率低下，因此，如何對光儲充電系統(tǒng)進行協(xié)調管理和能量綜合分配，達到最優(yōu)經(jīng)濟效益是本領域技術人員亟待解決的技術問題。現(xiàn)有技術的缺陷與不足：1、光伏儲能充電樁將不能適應電動汽車換電功能，隨著電動汽車換電技術的發(fā)展，電動汽車換電僅需要5分鐘，基本上可以實現(xiàn)與燃油車加油所需時間相同，而電動乘用車使用充電樁直流快充30分鐘僅能充電80%。2、獨立的儲能系統(tǒng)配置是實現(xiàn)削峰填谷功能，由于儲能電池成本較高，儲能行業(yè)統(tǒng)計僅有當峰谷電價差為0.72元/kWh以上時才能實現(xiàn)收益，故適用范圍僅為有限的峰谷電價差大于0.72元/kWh的地區(qū)，不利于項目投資的回報。3、光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)均連接直流母線，此種供電模式為交流母線供電模式電流的1.732倍，而線路損耗與電流大小成正比。4、光伏儲能充電樁將不能實現(xiàn)電動汽車放電功能，隨著電動汽車的保有量增大，電動乘用車用戶利用夜間低電價充電，并在白天用電高峰時將多余的電量放出獲得收益，所有電動汽車可看做一套大型的儲能系統(tǒng)，有助于調節(jié)國家電網(wǎng)峰谷調節(jié)。集中設置逆變裝置不利于系統(tǒng)的安全運行，冗余設計增加項目投資。二、裝置的優(yōu)點1、光儲充放換一體化裝置利用車位設置電動汽車換電設備，實現(xiàn)電動汽車換電功能，電動汽車換電僅需要5分鐘，基本上可以實現(xiàn)與燃油車加油所需時間相同。2、光儲充放換裝置整合電動汽車電池包和換電用電池包作為儲能系統(tǒng)，當無換電車輛時，可光伏發(fā)電時電能的儲存或夜間低電價儲能，實現(xiàn)削峰填谷功能，無需單獨配置儲能電池，大大提高換電用電池包利用率，有利于項目投資的回報。3、光儲充放換一體化裝置中光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)獨立連接交流流母線，此種供電模式為直流母線供電模式電流的0.58倍，線路損耗降低，更利于模塊化建設，易于擴建。4、光儲充放換一體化裝置采用雙向充電樁，可實現(xiàn)電動汽車充電、放電功能，隨著電動汽車的保有量增大，電動乘用車用戶利用夜間低電價充電，并在白天用電高峰時將多余的電量放出獲得收益，所有電動汽車可看做一套大型的儲能系統(tǒng)，有助于調節(jié)國家電網(wǎng)峰谷調節(jié)。5、光儲充放換一體化裝置中光伏系統(tǒng)、雙向充電樁系統(tǒng)相對獨立，電池包利用充電樁進行充放電，保障系統(tǒng)的安全運行，避免了集中式逆變器所需的冗余設計。6、光儲充放換一體化裝置中后臺監(jiān)控系統(tǒng)對市政電網(wǎng)、組串式逆變器、電池包和雙向充電樁進行監(jiān)測管理，實時獲得光伏發(fā)電系統(tǒng)、電池包儲能系統(tǒng)、充電樁充放電系統(tǒng)、電動汽車換電設備的電流、電壓、用電量、充放電時間、電池包儲能電量、電動汽車換電狀態(tài)等參數(shù)，對光儲充放換裝置進行電能協(xié)調分配，解決了現(xiàn)有的充電站、儲能站、光儲充電系統(tǒng)、電動汽車換電系統(tǒng)的能充電不能換電、換電不能充電、儲能投資收益小、系統(tǒng)結構復雜等技術問題。三、實施方案儲充放換一體化裝置內部包括3.5m*6.1m充放電車位、雙向充電樁、動力柜、電動汽車換電設備、照明、監(jiān)控等；儲充放換一體化裝置屋頂包括光伏組件、組串式逆變器、光伏匯流箱等；動力柜包括交流母線、市政電網(wǎng)并網(wǎng)點、雙向關口計量等。儲充放換一體化裝置采用模塊化結構，每個模塊包括以下內容：1、屋頂光伏系統(tǒng)采用高效單晶硅單玻380Wp光伏組件，尺寸為1755mmx1038mmx30mm，其組件開路電壓為41.3V，工作電壓為34.7V，開路電壓溫度系數(shù)-0.3%/^，環(huán)境溫度范圍為-40°C?85°C。由于光伏組件安裝在屋頂上，因此采用固定式的運行方式。比如項目地位于山東省壽光市，根據(jù)國際通用的PVSYST軟件得出光伏組件安裝的最佳傾斜角為15度。組串式逆變器選用10kW，其最大方陣開路電壓為1100V，MPPT電壓范圍200V?1000V，計算可得，光伏組件的串聯(lián)數(shù)需滿足6WSW26要求，均可滿足并網(wǎng)逆變器MPPT范圍，為保證屋頂最大使用光伏使用面積，光伏組件的串聯(lián)數(shù)選用20塊，故裝機容量為7.6kWp。山東省，在北半球，對應最大日照輻射接收量的平面為朝向正南，陣列傾角確定后，要注意南北向前后陣列間要留出合理的間距，以免前后出現(xiàn)陰影遮擋，按照經(jīng)驗冬至那一天當?shù)貢r間午前9時至午后3時之間，其光伏組件的影子互相不影響，則對陣列的輸出沒有影響，計算當光伏方陣前后安裝時的最小間距D=3m。太陽能發(fā)電系統(tǒng)直流側電壓低，電流大，導線有一定的損耗，此處損耗值取2.5%；大量的太陽能電池板之間存在一定的特性差異，不一致性損失系數(shù)取3.5%；考慮太陽能電池板表面即使清理仍存在一定的積灰，遮擋損失系數(shù)取4.5%；光伏并網(wǎng)逆變器的效率（歐洲效率）約為98%?98.5%，考慮到光伏電場很少工作在滿負荷狀態(tài)，絕大多數(shù)時間都工作在較低水平，且晚上不發(fā)電時還存在空載損耗，故本工程逆變器效率按98%計算;早晚不可利用太陽能輻射損失系數(shù)5%；其它不可預見因素系數(shù)按4.5%；系統(tǒng)效率為：97.5%X96.5%X95.5%X98%X95%X95.5%=79.89%。屋頂光伏組件安裝傾角15°的全年接受的太陽總輻射值為1444kWh/此晶體硅太陽能電池組件在光照及常規(guī)大氣環(huán)境中使用會有衰減，按系統(tǒng)首年輸出衰減3.0%，以后每年輸出衰減0.45%計算，年平均發(fā)電量為：8521kWh；25年總發(fā)電量為：21.3萬kWh。由于光伏發(fā)電功率遠小于充電樁用電功率，根據(jù)光伏發(fā)電特性及山東省峰谷電價情況計算的出自發(fā)自用部分的加權價格為0.7275元/kWh，所以每個模塊光伏發(fā)電效益為6200元/年。2、充放電系統(tǒng)的雙向充電樁采用兩個獨立雙向逆變器（四象限IGBT）單元，可實現(xiàn)電能的輸入與輸入，一臺雙向逆變器配置充電槍對電動汽車電池包進行充電、放電，另一臺雙向逆變器用于換電用電池包的充電、放電，兩者可獨立運行互不干擾。充電樁優(yōu)先使用光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)的電能，其次使用電動汽車放電的電能，最后使用市政電網(wǎng)。當電動汽車充電、換電閑時，充電樁利用日間光伏發(fā)電、夜間低電價對換電用電池包充電。3、儲能系統(tǒng)分為臨時電池組與固定式電池組，電動汽車電池包在進行放電時作為儲能系統(tǒng)的臨時電池組，電動汽車換電用電池包作為儲能系統(tǒng)的固定式電池組，儲能變流器利用充放電系統(tǒng)中的雙向逆變器代替，系統(tǒng)結構優(yōu)化。按照電池容量100kWh的電動車充換電電池包、雙向充電樁180kW功率計算，換電用電池包充電時間為40分鐘，電動車換電時間為5分鐘，則換電用電池包需要8塊即可滿足不間斷換電運營。同時系數(shù)取0.6,保證換電業(yè)務的同時，可實現(xiàn)容量為300kWh的儲能系統(tǒng)進行削峰填谷運營。儲能系統(tǒng)在低谷電價時進行充電，在高峰電價進行放電，儲能電池放電深度按照90%進行計算，峰谷電價差按照0.5881元/kWh進行測算，300kW?hX90%X365X0.5881元/kW?h=5.8萬元；200kVA，變壓器負載率按照80%、功率因數(shù)按照0.9、需量電費38元/千瓦?月進行計算，每月需繳納的需量電費為200kVAX80%X0.9X38元/千瓦?月=0.554萬元；按照儲能系統(tǒng)減少需量電費15%測算，年均減少需量電費收益為0.55萬元/月X15%X12月=0.98萬元；變壓器損由空載損耗和負載損耗構成，負載損耗與變壓器負載率的平方成正比，200kVA的變壓器容量滿載時負載損耗約為0.2kW，采用儲能系統(tǒng)后減少變壓器損耗按照30%計算，年均減少變壓器損耗收益為0.2kWX30%X365（天）X8hX0.7275元/kW?h=127元；根據(jù)《關于開展電力需求響應市場試點工作的通知》（魯經(jīng)信電力[2018]244號）規(guī)定：需求響應收益為30元/kW，考慮到實際執(zhí)行的情況，本工程項目收益測算按照需求響應負荷180kW,年響應次數(shù)2次進行計算，年均需求側響應收益為180kWX2X30元/kW=1.08萬元。儲能系統(tǒng)年均收益為：年均削峰填谷收島年均減少需量電費收益+年均減少變壓器損耗收益+年均需求側響應收益=5.8萬+0.98萬+0.0127萬+1.08萬=7.87萬元。4、電動汽車換電系統(tǒng)包括電池包管理系統(tǒng)、電動汽車升降設施、電池包更換裝置（電池抽取機構、電池包更換裝置升降機構、電池包更換機構X電池包。8塊換電用電池順序使用，通過儲能系統(tǒng)的充放電，實現(xiàn)電池包的定期養(yǎng)護。按照電池容量100kWh的電動車充換電電池包、雙向充電樁180kW功率計算，換電用電池包充電時間為40分鐘，電動車換電時間為5分鐘，則換電用電池包需要8塊即可滿足不間斷換電運營。同時系數(shù)取0.6,保證換電業(yè)務的同時，可實現(xiàn)容量為300kWh的儲能系統(tǒng)進行削峰填谷運營。具體的算法：設電池容量為Q（單位為kWh）、雙向充電樁額定輸出功率為P（單位為kW）、電動車換電時間Th（單位為min）、同時系數(shù)K、光伏發(fā)電功率Qg（單位為kW）、光伏發(fā)電每天有效時間Tg（單位為kW）則換電換電用電池包充電時間T=Q/PX60（單位為min）、不間斷換電運行所需換電用電池包數(shù)量N=T/Th（單位為塊），采取的管理策略為當滿電電池包少于N1=NXK（小數(shù)進一）塊時，立即充電；當滿電電池包N2（N1WN2V（N-1））塊時，利用夜間低電價充電；當滿電電池包N3N（N-1）塊時，利用光伏系統(tǒng)充電，可容納Q/Qg/Tg）天的光伏發(fā)電量，實現(xiàn)效益最大化。換電系統(tǒng)按換電時間電價收費，并收取服務費，電池包租賃費，充電電價遠低于換電時間電價，實現(xiàn)效益最大化。5、交流母線系統(tǒng)連接光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、電動汽車充電系統(tǒng)、電動汽車放電系統(tǒng)、電動汽車換電系統(tǒng)等，負責與市政電網(wǎng)并網(wǎng)接點、計量。6、光儲充放換一體化裝置中后臺監(jiān)控系統(tǒng)對市政電網(wǎng)、組串式逆變器、電池包和雙向充電樁進行監(jiān)測管理，實時獲得光伏發(fā)電系統(tǒng)、電池包儲能系統(tǒng)、充電樁充放電系統(tǒng)、電動汽車換電設備的電流、電壓、用電量、充放電時間、電池包儲能電量、電動汽車換電狀態(tài)等參數(shù)以及視頻安全監(jiān)控。后臺監(jiān)控系統(tǒng)對光儲充放換裝置進行電能協(xié)調分配，當無電動汽車充換電時，系統(tǒng)檢測光伏系統(tǒng)發(fā)電功率調整雙向充電樁對換電用電池