智能微电网光伏充电桩系统设计

智能微电网光伏充电桩系统设计

花磊易金印范忠瑶

（中广核太阳能开发有限公司北京100070）

摘要：针对充电桩安装地区有电网接入条件，但电网容量无法满足充电桩供电需求，或电网扩容成本较高的情况，设计出智能交流微电网光伏充电桩系统。系统设计包括光伏发电单元设计、储能单元设计、充电桩单元设计、微网控制单元和能源管理单元设计等。同时设计方案采用模块化设计，方便在前期开发时进行项目可行性研究及经济效益评估。现场根据项目具体情况可多个模块组合使用。

关键词：光伏发电、微电网、储能、充电桩

引言：

电动汽车是21世纪汽车的发展方向。充电桩与新能源电动车紧密联系，由于充电桩配套设施建设跟不上，消费者购买力下降。传统汽车靠加油站来支撑，纯电动车则靠充电站来支撑。在这样的背景下，世界各国都在不断加大对电动汽车及充电设施的投资力度。同时光伏发电作为新能源发电的主流方向，近年来也得到了飞速的发展。光伏充电桩的新型应用形式也初步得到了市场的认可和发展。

从技术层面来说，光伏发电存在密度低、发电不稳定、发电效率低等缺点，而电动汽车充电需要高电压、大电流、大功率，一次性快充，这与目前太阳能光伏发电的特点有冲突。配备储能是未来发展的趋势，利用蓄电池将多余的能量储存起来，作为太阳能光伏充电站后备能量或者夜间备用电能。同时储能系统可以在电网波谷时吸收电量，供充电桩充电使用。这样，智能微电网光伏充电桩技术应运而生[][]，它是光伏发电技术和电动车充电桩技术的有机结合，包括光伏发电技术、储能技术、快速充电技术、智能微网技术等[][][]。通过光伏系统进行发电，所发电能给电动车充电桩进行供电或通过储能单元进行储能，并在需要时储能单元放电带动充电桩对电动车进行充电。智能微电网光伏充电桩技术既能解决光伏发电的消纳问题，又能解决充电桩的供电问题，是光伏发电技术新的应用形式。

方案设计

1、设计范围

本方案是针对充电桩安装地区有电网接入条件，但电网容量无法满足充电桩供电需求，或电网扩容成本较高的情况，设计出智能交流微电网光伏充电桩系统。系统设计包括光伏发电单元设计、储能单元设计、充电桩单元设计、微网控制单元和能源管理单元设计等。

本设计方案采用模块化设计，方便在前期开发时进行项目可行性研究及经济效益评估。现场根据项目具体情况可多个模块组合使用。

2、系统结构

整个智能微电网光伏充电桩系统主要由光伏发电单元、储能单元、充电桩单元、微网控制单元和能源管理单元等组成。方案的结构示意图如图1所示：

图1智能微电网光伏充电桩系统示意图

3、设计要点

⑴采用光伏发电技术、储能技术，搭建一个分布式交流微电网系统，为光伏充电桩系统持续供电，降低对电网的冲击和依赖。

⑵利用周边建筑屋顶、汽车棚顶等区域安装高效的单晶/多晶硅电池组件进行发电，建筑屋顶和汽车棚顶占用面积200㎡，共安装30kWp的光伏组件。

⑶系统共建设1个直流快速充电桩（60kW）和2个交流慢速充电桩(7kW)，直流快速充电桩和交流慢速充电桩均通过光伏发电系统和电网供电。

⑷设计采用免维护、长寿命的光伏专用蓄电池进行光伏储能。根据用电需求，共设置480kWh的储能系统。

⑸系统控制器内置微电网并网运行、孤网运行、并网转孤网、孤网转并网、全网停电等多种控制策略。根据不同的运行工况和控制目标实现微电网的实时控制，保障微电网的稳定安全运行。

4、主要配置

4.1光伏发电系统

光伏发电系统为系统提供光伏发电的电能，其主要包括：

⑴30kW光伏电池板

采用高效单晶/多晶硅电池组件，转化效率17%，根据建筑特点和直流电网电压等级要求，合理安装组件串。本系统共安装108片280Wp的单晶硅电池组件，总装机30.24kWp。共分六路电池组串联，每个组串串联18片电池片、5.04kWp。

⑵光伏三相逆变器。

光伏三相逆变器通过三相变压器隔离升压，接入交流微电网，并实现光伏发电最大功率跟踪功能。其主要由IPM逆变功率单元、DSP主控单元、电抗单元、变压器、监控单元、数据采集单元、显示单元等几个部分组成。六路电池组串共连接6组5kW的光伏逆变器。控制器系统的核心为DSP主控单元，其主要功能具有：

将光伏板的直流电能转化为与主电网同频同相的交流电能，并接入微电网系统。同时会检测各类数据和故障信息，实施保证正常工作；

根据反馈值跟踪直流源的最大功率输出（MPPT）；

将系统工作的所有信息上传至监控中心；

开放RS232/RS485通信接口，实现远程数据采集和控制，接受微电网控制器的统一调度；

可监控的数据有输入电压、输入电流、输入功率、输出电压、输出电流、输出功率、系统转化效率、日发电量、总发电量等；

可遥控控制器的启动、停止，并进行功率限制等；

4.2储能系统

交流微电网的储能系统作用是在孤岛运行模式（即无交流大电网的情况下）支撑交流母线电压，使交流母线上的设备保持正常运行状态。其主要包括：

⑴储能蓄电池组

采用高效的光伏发电专用铅酸电池，单个电池容量为2V2500Ah。每24节电池串联组成电池组，电池组的容量为48V2500Ah。共由4组电池组并联构成480kWh的储能系统。

⑵电池管理系统

每簇（24节串联）电池组配备一套电池管理模块，4套电池管理模块组成一套电池管理系统。电池管理系统负责单体电池电压、温度测量，电池间能量均衡，总电压、电流测量，绝缘电阻测量，SOC计算，CAN通信等功能。

⑶双向AC/DC变流器

系统由一台100kW的双向变流器组成。双向变流器在储能微电网系统中作为储能蓄电池与微电网之间相连的交流—直流、直流—交流的双向变流装置，起到整流和逆变的功能。当微电网需要供电时，双向变流器系统将储能蓄电池中的直流电能逆变成交流电以维持微电网电压的稳定和负载的需求；当微电网电能充足或大电网波谷时，通过双向变流器将微电网中的交流电能整流后储存在蓄电池中，对蓄电池提供充电服务，具有电网峰谷调节、提高电网质量，以及新能源接入等功能特点。双向变流器由IGBT变流装置、逆变器、交/直流滤波器、软启动器、监控器、隔离变压器、保护装置等部份组成。

采用智能功率模块，转换效率高；

实现微电网正常运行状态下的功率跟踪，实现电池充放电管理及微电网与主网的功率交换；

当公共电网掉电或异常时，自动切换至孤网运行模式，完成由并网运行模式向孤网运行模式的转换，该模式转换时间≤20ms。当公共电网恢复正常时接到孤网并网指令后，自身完成由孤网运行模式向并网运行模式的转换，转换过程造成的脱网时间≤20ms；

能产生无功功率，实现无功功率补偿，可根据微电网控制系统的指令输出有功和无功功率；

可实现蓄电池组恒流充电、恒压充电、恒功率充电、限压放电、恒功率放电、恒流放电等功能；

与电池管理系统进行通讯，对储能蓄电池进行充放电及能量均衡管理；

开放RS232/RS485通信接口，实现远程数据采集和控制，接受微电网控制器的统一调度；

将储能系统工作的所有信息上传至监控中心；

可监控的数据有：电池电量，工作状态（充、放电），充放电模式（恒压、恒流、恒功率），电池的电压、电流和功率，输出的电压、电流和功率，转换效率等

可遥控的功能有：蓄电池充、放电，控制器的启动、停止、功率限制等。

4.3电动汽车充电系统

充电桩系统由电动汽车直流充电系统和交流充电桩系统组成。为电动汽车提供快速和慢速两种充电模式。

⑴电动汽车直流充电系统

直流充电系统由1台60kW直流充电桩构成，直流充电桩由交流母线提供交流电能。包含整流器、充电主控制系统和充电用户交互系统等单元。实现对电动车充电的管理、计费和相应的电池状态监测和与用户之间的人机交互等功能。

直流充电桩具备防水防尘功能，可实现刷卡、扫码等计费支付功能；具备通过CAN总线或网络和电池管理系统（BMS）或车载仪表连接，根据电池巡检给定的参数运行、设定不同的充电运行模式，实现快速充电；开放RS232/RS485通信接口，实现远程数据采集和控制，接受微电网控制器的统一调度；可监控的数据包括输入电压、电流、功率，输出电压、电流、功率，日输出电能，总输出电能等；可遥控的功能包括启动、停止，功率限制等。

⑵交流充电桩系统

交流充电桩系统由2台7kW的交流充电桩组成，直接由交流微电网供电（380VAC），以充电枪的形式给电动车充电；

交流充电桩具备防水防尘功能，可实现刷卡、扫码等计费支付功能；

开放RS232/RS485通信接口，实现远程数据采集和控制，接受微电网控制器的统一调度；

可监控的数据包括输入电压、电流、功率，输出电压、电流、功率，日输出电能，总输出电能等；

可遥控的功能包括启动、停止，功率限制等。

4.4智能微电网控制系统

微电网控制系统，通过对微电网系统进行高速数据采集，收集全网电气参数，对全网运行状态进行采集和监视。并在此基础上进行逻辑运算，得出控制策略对微电网进行实时调节控制，实现微电网电源、储能、负载的实时动态调节功能，保证微电网安全、稳定的运行。其功能包括：

⑴数据采集；

中央控制器的控制模块，可实现对微电网系统进线、光伏发电、储能、负荷、母线等各回路电气量及开关位置等信号量进行采集，并将采集的数据通过高速网络快速传送到中央控制器的主控单元。

⑵控制操作

通过中央控制器的控制模块，实现对微电网各回路开关及设备的控制操作，实现微电网系统运行状态的调节。

⑶分布式电源调节

通过中央控制器可以通过通信接口实现对微电网系统的分布式电源进行调节，根据需要控制各电源有功、无功输出。

⑷储能单元调节

中央控制器可通过通信接口控制储能系统的充放电功率，从而满足微电网运行方式的需要。

⑸通信功能

中央控制单元可以与微电网系统各个智能控制单元进行通信，通过通信实现对各控制单元的控制和调节

⑹微电网运行模式实时控制

中央控制器的主控单元，可根据调度指令、系统自动/手动进行微电网运行模式的控制。

中央控制器内置微电网并网运行、孤网运行、并网转孤网、孤网转并网、全网停电等多种控制策略。根据不同的运行工况和控制目标实现微电网的实时控制，保障微电网的稳定安全运行。

4.5上位机监控管理系统

系统运行模式分为就地控制策略模式和上位机远程调度策略模式：

就地控制策略模式以交流并网测恒定功率（功率点可调）并网为前提，可分为最大功率输出模式和限功率输出模式

上位机远程调度策略模式是由上位机软件发出指令，微网控制器响应并执行控制的方式，此控制器处于被动接收状态，根据上位机调度策略进行响应。

上位机监控管理系统是整个微电网软件系统的基础平台，通过对各回路智能设备的数据采集，实现对微电网系统运行状态的监视与控制。功能包括：

⑴数据采集与处理

系统包括各种信息量的采集，包括测量量和状态量等。系统接受由通信处理机传送过来的数据信息，经过各种计算和逻辑处理后，数据结果存储到系统的数据库中。通过人机界面进行展现及交互，实现监控功能。同时系统检测出状态变位、模拟量越限、保护出口、装置异常等，生成事件及告警信息。

⑵监视与报警

系统能在计算机屏幕上对主要电气设备的运行参数和设备状态进行实时监视，当所采集的模拟量发生越限、数字量变位及计算机系统自诊断故障时，系统会根据预先设定的处理策略立即处理这些报警信息。

⑶遥控

系统可以对微电网系统的任何一个可遥控的对象进行遥控操作。可以实现微电网系统内的断路器、电动隔离开关等的“分”“合”闸控制操作。整个操作过程将被记录到操作日志中以供日后查询。为了防止发生违反电力操作规程的控制操作，在遥控操作时，系统判断被控对象的遥控闭锁关系，当满足执行条件时，可以下发遥控命令；如果不满足闭锁条件时，不能进行遥控执行操作，同时提示闭锁原因信息。

4.6远程监控管理系统

远程监控管理系统是通过网络服务器提供远程访问和操作，可实现网络客户端和手机APP进行远程访问和控制。系统基于广域网服务器，可实现随时随地监控整体的系统。

⑴设置监控摄像头，对设备运行状态画面进行实时监控；

⑵服务器设立独立IP地址，保证客户端访问独立性和流畅度；

⑶提供网络客户端和手机APP两种访问模式，客户端基于PC机浏览器，APP基于Android或iOS系统；

⑷系统各个子系统节点的数据，可实时显示；

⑸设置有各类使s用者权限，保证系统安全。

工程概算

本项目工程预计总投资88.0万元，其中设备采购投资80.0万元，工程设计建设及施工8万元。投资未考虑财务成本和管理成本等费用支出。

收益计算

1、光伏发电收益

本方案光伏发电收益以北京地区为边界条件进行计算。北京市太阳能资源丰富，开发潜力巨大。北京地区年日照时数达到2600～3000小时，年日照时数在2750小时左右，年累计太阳辐照量达到5000～6000兆焦/平方米，接受太阳能辐射总量约为26亿吨标准煤。本项目工程地区年太阳总辐射量为4908.2MJ/㎡，峰值日照时数为1363.4kWh/㎡。从太阳能资源利用角度来说，属于三类资源区，有一定利用价值。

光伏电池板南面放置、倾角按照25°安装，根据计算，25°斜面上的年平均太阳能辐射量为1573kWh/㎡。

要估算项目上网电量，需要考虑系统效率。光伏方阵效率中，组件一致性匹配损失约3%，最大功率跟踪损失1%，粉尘污染损失约3%，温度损失也3%，不可利用的太阳辐射损失2%，综合各因素，光伏方阵效率约为：88.55%；直流输电效率中，直流网络损失2%，逆变器损失2%，系统自耗电1%，综合各因素，直流输电效率约为：95.08%；交流并网效率中，交流线损1%，设备损坏率损失2%，共计约97.02%。综上，本系统中光伏发电系统总效率约为81.68%。本系统共计30.24kWp，首年可发电量为：1573kWh/㎡×30.24kW×81.68%=38853kWh。

晶硅光伏组件在光照及常规大气环境中使用会有衰减，厂商一般保证光伏组件效率25年后要达到80%以上。组件衰减率按照首年2.5%，以后逐年输出衰减0.7%计算，考虑到光伏组件功率的衰减，最终计算的本系统在25年发电量共计发电量87.3万度电，年平均发电量约为3.5万度电，25年年平均利用小时数为1154.7h。

针对分布式光伏发电系统，国家给予每度电0.42元的财政补贴，补贴周期为20年，北京市地区2019年12月前建成的分布式额外补贴0.3元/kWh，补贴周期为5年。上网电能的价格按照当地脱硫煤电价收购于电网公司。

2、汽车充电收益

假定1台直流充电桩（60kW）每天给电动汽车充电4小时，合计每天充240kWh的电能，1台交流充电桩（7kW）每天给电动汽车充电8小时，2台交流充电桩合计每天充112kWh的电能。1台直流充电桩和2台交流充电桩共给汽车充电352kWh的电能。

光伏系统平均每天共发电量为96kWh，全部用于充电桩供电或储能，光伏系统每天为电动汽车充电系统提供96kWh的电能。另外256kWh的电能需要从储能系统中获取。

储能系统假定充放电效率90%，则储能系统需要从电网中获取284kWh的电能。通过设定系统控制策略，储能系统放电深度设定为60%，安排在夜间电网波谷时对储能系统进行充电，北京地区商业用电夜间波谷电费是0.38元/kWh。

电动汽车充电时，支付金额包括电费和充电服务费两部分。电费按照市电价格收取，一般收取0.8元/kWh，充电服务费一般约0.6元/kWh。由此计算每天充电得到的收益表如下表所示：

其中收益部分由充电电费、充电服务费、光伏发电补贴费用组成，支出部分为从电网中取电的费用。

由此，预计平均每天充电收益约为425.2元。考虑系统维护，每年共得到收益约为14.88万元。此表格中未计算北京地区的0.3元/kWh的分布式光伏发电补贴。

结论

本文设计了30kW的带储能的光伏充电桩智能微电网系统，应用于充电桩安装地区有电网接入条件，但电网容量无法满足充电桩供电需求，或电网扩容成本较高的地区。根据以上投资和收益分析，本项目共一次性投资约88.0万元，每年收益约14.88万元。投资建设期1个月。考虑每年5000元的维护费用，本项目静态投资回收期约6.12年。具有很好的投资收益率。

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