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能源光儲充一體化電站建設(shè)現(xiàn)實意義
光儲充一體化的電動汽車充電站是將可再生能源光伏發(fā)電與儲能系統(tǒng)相結(jié)合共同組成充電設(shè)施的電能補給系統(tǒng)，光伏和儲能相互結(jié)合可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，就地消納了光伏能源，實現(xiàn)了可再生能源的整合，提高了可再生能源的滲透率，將充電站與可再生能源有效銜接，在用電高峰時，減輕了電動汽車超充時高電壓、大電流對配電網(wǎng)造成的沖擊，能夠很好地滿足各類型電動汽車的快充需求；
夜間用電低谷時，則會給自身儲電，起到局部微網(wǎng)削峰填谷的作用。有效緩解了充電站充電負荷的不確定性所產(chǎn)生的不利影響，節(jié)省了配電增容費用，彌補了太陽能發(fā)電連續(xù)性不佳的缺點。
合理的配置優(yōu)化光儲充一體化充電站，或?qū)⒊蔀槌潆娫O(shè)施未來發(fā)展的主流方向，能夠獲得更高的社會效益和經(jīng)濟效益。
在新能源發(fā)電占比逐漸加大的背景下，光伏與風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)輸出電力波動更明顯，直接威脅了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，資源浪費問題逐漸凸顯出來，使得新能源發(fā)電推廣應(yīng)用被制約。
光伏系統(tǒng)內(nèi)儲能配置也逐漸發(fā)展成主要研究方向。在電動汽車數(shù)量增加的同時對于充電需求也明顯加大，早期老舊小區(qū)、高速公路和公共場所建設(shè)的充電場所在配電容量方面也逐漸出現(xiàn)問題。
為此，新能源光儲充一體化電站建設(shè)與推廣的商業(yè)價值突出，同樣可促進電動汽車以及新能源的發(fā)展。
新能源光儲充一體化電站闡釋
▌電動汽車型
電動汽車充電樁分為交流電和直流電兩種。前者主要是交流電源充電輸入端與交流電網(wǎng)連接，輸出端依靠插頭與電動汽車連接，以3kW、5kW、7kW小功率為主，不僅體積小且具有較強的適用性，安裝相對簡單，但充電速度緩慢，通常用于居民小區(qū)與商場。
而后者的功率以60kW、120kW為主，能滿足各種電池的各種充電方式，充電速度較快但需要配置較多設(shè)備，重量大且占地面積相對較大。
在追求碳中和目標的過程中，優(yōu)先開發(fā)當(dāng)?shù)氐目稍偕茉床⒔Y(jié)合儲能新技術(shù)是電動汽車充電站建設(shè)的大趨勢，太陽能為清潔能源，光伏組件的結(jié)構(gòu)安裝也較為簡單，在充電站儲能的基礎(chǔ)上，可使光伏輸出波動頻率得到緩解。
▌戶用型
此類型電站發(fā)電十分方便且靈活，具有自發(fā)自用的特點，被廣泛用于醫(yī)院、住宅區(qū)與學(xué)校。戶用型光儲充結(jié)構(gòu)（圖1）主要包括三類：
1）直流結(jié)構(gòu)：單母線結(jié)構(gòu)，采用單母線將變換器與各負荷單元分段接線，各單元之間的電壓相同；雙母線結(jié)構(gòu)，分為兩個電壓等級，其中一條回路中斷，另外一條作為備份母線便會繼續(xù)給設(shè)備正常供電；
2）交流結(jié)構(gòu)：交流母線主要是電網(wǎng)經(jīng)變壓器形成，轉(zhuǎn)換量較大，電能損耗也更大，因此效率較低，成本較高。交流母線由光伏形成，經(jīng)變換器實現(xiàn)儲能，兩者都是經(jīng)獨立的dc-ac變換后接入電網(wǎng)；
3）交直流結(jié)構(gòu)：交直流混合節(jié)省了發(fā)電端與受電端之間的交直流變換的環(huán)節(jié)，將交流和直流連接后任然可以單獨進行控制。且用電效率和穩(wěn)定性更高，具有較多的應(yīng)用場景。
新能源光儲充一體化電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)
▌光伏電池出力
光伏電池是用硅片、無機鹽化合物、功能高分子材料、納米晶等材料制作而成，利用以上材料吸收太陽光能后，物體內(nèi)電荷分布狀態(tài)改變進而產(chǎn)生電動勢和電流，完成光能量向電能量的轉(zhuǎn)換，也就是通常所說的光伏效應(yīng)。
目前，光伏電池多為P-N結(jié)型，通過P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的緊密連接，兩種半導(dǎo)體的接觸面因載流子濃度不同而產(chǎn)生擴散運動，也就是載流子流，從而形成正負離子電場。
在理想狀態(tài)下，左側(cè)光生電流IL為恒流源，在光照的強度變大以后，電流會隨之增加。根據(jù)圖2可知，Ish為旁路電流，Rs為串聯(lián)電阻，I是光伏電池輸出電流，IP為PN結(jié)正向電流，U屬于端電壓，Rsh是旁路電阻。對光伏電池輸出影響的因素諸多。
▌負荷特性
負荷，指的是電力系統(tǒng)、發(fā)電廠瞬間所形成的工作負載，主要包括四類（見表1）：
光儲充一體化電站為電動汽車充電的過程中需對照明負荷加以考慮，若設(shè)置于居民區(qū)與商業(yè)住宅內(nèi)，也要對商用負荷、辦公類負荷以及生活清潔負荷等情況加以考慮。
需求相應(yīng)策略的選擇關(guān)鍵在于負荷響應(yīng)能力，需結(jié)合系統(tǒng)的運行需求對負荷進行調(diào)度，以達到負荷峰谷差縮減的目的。
▌儲能系統(tǒng)
儲能電池是光儲充一體化充電站必不可少的電能存儲部件，在光照充足時存儲電能，在光照不足和應(yīng)急狀態(tài)下可以為負載供電。
鉛酸蓄電池、鋰電池、鎳鎘電池、鈉硫電池是以稀硫酸為電解質(zhì)的化學(xué)儲能，通過電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的額相互轉(zhuǎn)換。
另外還有釋放壓縮空氣來驅(qū)動發(fā)電的機械儲能方式和超導(dǎo)體的線圈的電磁儲能方式。儲能電池應(yīng)具備充放電循環(huán)的特點，并具有環(huán)保和安全性。因鋰電池充放電效率與性價比較高，充電能力強、時間短，低溫放電性能好，所以多被用做光儲充一體化電站儲能電池。
蓄電池使用期間若有過度充放電的情況，其使用壽命也會受到影響，使其荷電狀態(tài)受到限制。
▌充電樁設(shè)備
汽車充電樁工作模式是由整流模塊將輸入主回路的三項交流電轉(zhuǎn)換為直流電，進入二次回路完成待機、充電、讀卡、啟停等指動作流程。而直流充電樁選擇的是DC/DC變流器，充電功率大、速度快，多見于充電站或大型商超停車場；
交流電電樁一般選擇DC/AC變流器，通過整流逆變模塊，能與后臺順暢通訊，完成電網(wǎng)與電池的雙向能量交換，充電功率小、速度慢，多見于居民小區(qū)停車場。電動汽車充電站發(fā)展前景廣闊，但同樣需對光伏供電比、充電樁利用率、最大上網(wǎng)電量、平均排隊時間等進行綜合考慮。
▌耦合技術(shù)
考慮光伏系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)技術(shù)特點，光儲充一體化電站適配形式主要選擇交流耦合與直流耦合等多種，進而與各場合需求相適應(yīng)。
其中，直流耦合技術(shù)就是在光伏組件將直流電輸出以后經(jīng)過匯流箱實現(xiàn)匯流，并利用PDS直流變流器與PCS儲能變流器連接。
而交流耦合技術(shù)則是由光伏組間輸出直流電后，借助逆變器向交流電轉(zhuǎn)換，儲能蓄電池在直流電輸出后經(jīng)PCS儲能變流器向交流電轉(zhuǎn)換，在兩者匯流后可為充電樁供電。
新能源光儲充一體化電站建設(shè)難點
▌配電網(wǎng)負載過重
若大規(guī)模電動汽車處于無序充電狀態(tài)，會嚴重影響電網(wǎng)經(jīng)濟性、電能質(zhì)量與安全穩(wěn)定運行等。
電站為電動汽車充電的過程中，電力負荷會隨之增加，使得峰谷值被擴大，所以配電廠要使用大量備用電來滿足用電峰。而對于網(wǎng)損，部分學(xué)者在驗證后指出，線路損耗最小的前提是滲透率為20%。
滲透率越高，線路損耗越大，二者之間存在正比例關(guān)系。線路損耗率公式是：
電站形成諧波會對變壓器與電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，而諧波電流還會使導(dǎo)線電阻增加，導(dǎo)致變電器的熱損隨之提高，直接影響了輸出電能的質(zhì)量。
▌充放電儲能協(xié)同調(diào)度缺乏合理性
大力發(fā)展光伏發(fā)電并與電網(wǎng)充電協(xié)調(diào)調(diào)度，或者加強充電站與光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)惡意提高對光伏能源的消納利用能力，有效降低碳排放量。但現(xiàn)實情況是，調(diào)整電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)并不容易，光伏能源分布地與充電站地域間的關(guān)聯(lián)及規(guī)律并不好把控。
隨著汽車充電站規(guī)模的日益增大，儲能負荷不斷增加，由于不同區(qū)域的光伏發(fā)電特性差異明顯，光伏充電站的容量配置等方面都需要進行優(yōu)化調(diào)度，以應(yīng)對分布式電荷的缺乏特性，協(xié)同性和互補性較強，但電網(wǎng)調(diào)度利用互補性的程度有限，直接影響了光伏發(fā)電的效率。
▌電網(wǎng)規(guī)劃挑戰(zhàn)嚴峻
電動汽車充電具有隨機性和集聚性，當(dāng)很多用戶集中夜間充電時，與基礎(chǔ)用電高峰疊加對電壓等級、電網(wǎng)容量等均是很大的考驗，電網(wǎng)負荷明顯加重，尤其是大功率直流樁充電時，可能產(chǎn)生諧波電流和沖擊電壓，會嚴重影響局域電網(wǎng)質(zhì)量和供電安全，當(dāng)前很多充電站將儲能電池作為可分散電源，并于電峰狀態(tài)下供電，以減輕對電網(wǎng)負荷的影響，但是效果并不明顯。
目前的充電站呈現(xiàn)散、多、亂的狀態(tài)，對電動汽車的充電時間與地點并沒有較好的引導(dǎo)和調(diào)節(jié)方案，對電網(wǎng)的擴容和服務(wù)工作帶來較大的挑戰(zhàn)，所以電路、繼電器與配電容等相關(guān)設(shè)備均要及時更新。
解決新能源光儲充一體化電站建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)
▌保證充電的有序性
電動汽車在電站充電的過程中會使峰谷差增加，在對此問題核決的過程中主要考慮兩個問題，即增加蓄電池的放電能力和有效調(diào)整電動汽車的充電時段，保證錯峰、有序進行。
如果選擇電池放電的方式，要想確保整個電網(wǎng)有功功率平衡，規(guī)避電網(wǎng)的波動，則要求電動汽車的供電與具體條件相滿足，即公式為：P total(t)=PEV(t)=P loss(t)+P fund(t)；
錯峰充電的一種方法是運行電網(wǎng)調(diào)控機制，當(dāng)用電高峰時電動汽車與電網(wǎng)連接也不會發(fā)生充電行為，待電峰值結(jié)束以后，電網(wǎng)會立即充電。
另一種方法便是制定相關(guān)制度嚴格管控電動汽車的充電行為。在對汽車充電負荷影響潮流程度方面，一般可利用蒙特卡洛對充電負荷進行模擬，并將DIgSILENT電網(wǎng)節(jié)點加入后，利用潮流公式對結(jié)果進行計算。
▌優(yōu)化設(shè)計濾波器
光伏發(fā)電網(wǎng)輸出的電流中含有大量諧波，嚴重影響電能質(zhì)量，并有大規(guī)模事故的風(fēng)險。諧波污染問題的解決方法主要包括兩種：
1）諧波源減少諧波含量；2）諧波濾除裝置的增設(shè)。以LCL濾波器的設(shè)計舉例分析，其優(yōu)勢表現(xiàn)為：LCL濾波器為三階系統(tǒng)，衰減速率較高，濾除諧波所需的電感量較小，同樣系統(tǒng)體積較小，內(nèi)加阻抗能避開諧振點，抑制諧振效果更明顯。
優(yōu)化濾波器設(shè)計時，需在與逆變器濾波滿足的基礎(chǔ)上盡可能減小電感數(shù)值。
▌充放電儲能協(xié)同調(diào)度
要想確保電站經(jīng)濟、安全且可靠，有必要對電動汽車的儲能與充放電功能進行科學(xué)運用。通常，借助微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)采集電動汽車的基本信息與運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，而后進行全局化調(diào)度，向V2G控制中心上傳決策信息，通過此技術(shù)即可對電動汽車的充電時間與充放電功率進行控制。
結(jié)語
新能源光儲充一體化電站是電動汽車能夠快速發(fā)展的重要前提和基礎(chǔ)保障，在其建設(shè)時要認真勘察周邊環(huán)境的影響，準確評估站點的充電負荷量，分配好蓄電池容量，使其能為區(qū)域電網(wǎng)用電峰提供補充和輔助，不管是電動汽車型或是戶用型，均需對電站關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展多加關(guān)注。
