淺談光儲充系統在停車場中的設計與運用

安科瑞 陳聰

摘要：隨著電動汽車保有量的增長，停車場充電設施建設需求不斷擴大，充電設施新增需求將對現有電網造成一定的用電壓力。光儲充一體化系統技術在停車場中的運用，不僅通過光伏發電為充電設施提供清潔能源，而且通過儲能設備平抑光伏發電與用電負荷不匹配造成的沖擊，通過智能管理系統智能分配和調度能源，至優化能源利用效率，提高光儲充一體化停車場收益，緩解電網壓力，對能源轉型、減少碳排放和可持續發展帶來積極的影響。

關鍵詞：電動汽車 光儲充一體化 停車場 光伏發電

0引言

近年來，我國城市停車設施規模持續擴大，停車秩序不斷改善，產業化發展逐步深入，但仍存在供給能力短缺、治理水平不高、市場化進程滯后等問題[1]。為加快補齊城市停車供給短板，改善交通環境，推動高質量發展，停車場基礎設施建設還將進一步推動。電動汽車作為新能源汽車，具有清潔等特點，具有較大的實際發展意義和政策支持。中國在《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035）》提出，到2025年，新能源汽車銷量占比要在新車銷售總量中達到20%[2]。隨著政策的引導、資金的支持和技術的革新，傳統高耗能、高污染的燃油汽車正在逐漸被低能耗、*排放的電動汽車所替代[3]，電動汽車保有量將呈指數式增長，但電動汽車充電設施的建設遠不及電動汽車保有量上漲速度。《深圳市新能源汽車充換電設施管理辦法（征求意見稿）》擬規定：各類建筑物配建停車場（庫）及社會公共停車場小汽車停車位的充電樁配置比例不應低于30%，100%預留充電樁建設安裝條件[4]。停車充電樁將在未來一段時間迅速發展，但龐大的電動車充電需求可能會導致配電網運行指標越限，同時還可能引起系統峰值負荷超額等問題，進而對系統輸電和發電能力造成很大壓力，需要新興的能源供給方式注入，幫助緩解電網壓力，提高停車場電動汽車充電效率。光伏充電作為綠色能源之一，得到了國家政策的大力推動，在緩解電網壓力上具有較好的發展前景，但根據《2022中國電動汽車用戶充電行為白*書》指出，電動汽車用戶單日充電高峰集中在三個時段，分別為：早上5：00-7：00，下午12：00-16：00，夜間23：00-1：00。對比上年同期，下午時段充電占比降低，夜間和早上的充電占比提高[5]。電動汽車用戶具有較明顯的充電行為特征，需要具有儲能功能的新能源供電設備，傳統的并網光伏發電與停車場頂棚結合的光伏停車棚并不能很好的解決問題，因此，《白*書》提出建議：充電場站推進光儲充一體化，布局虛擬電廠業務。鼓勵充電運營商、負荷集成商等各類第三方市場主體，通過商業模式創新聚合電動汽車參與儲能服務，并在未來積極參與電力交易，響應電網削峰填谷，充分利用清潔能源，助推能源結構轉型[5]。可見，光儲充一體化在停車場的應用中有較大的發展潛力。

1光儲充一體化技術

1.1光儲充一體化技術概述

光儲充一體化技術是將光伏發電、儲能和充電設施集成在一起，形成一個整體系統以滿足能源供應和能源消費的需求。

光伏發電，依靠“光生伏打效應”將光伏板吸收的太陽能轉換為電能，輸出直流電通過逆變器輸送給電網。光伏發電技術已經得到了廣泛應用，具有無排放、可再生、模塊化布局和適應性強等優點

儲能技術是將電能在光伏發電時儲存起來，以便在需要時供應給充電設施或其他電力需求。由于電動汽車具有較明顯的充電行為特征，會導致光伏發電與用電負荷不匹配，對整體微電網造成一定的沖擊。儲能技術可以平抑光伏發電與用電負荷不匹配造成的沖擊，保證智能微網系統的平穩運行[6]，利用太陽能，提高整體系統的穩定性和持續性。充電設施是將儲存的電能轉化為電動車輛的充電能力。

1.2光儲充一體化技術的優點

光儲充一體技術的優點在各個領域得到了證實，在停車場的應用中，具有可持續性、獨立與可靠性、經濟性等優點。

1）可持續性。光儲充一體化系統使用光伏發電，利用太陽能作為可再生能源，實現*排放的電力供應。儲能系統將電能儲存起來供后續使用，使得系統能夠在無光照或低光照條件下繼續供電，提高能源利用效率。通過推廣光儲充一體化系統的應用，可以為改善環境質量、減少碳排放做出積極貢獻，實現可持續發展目標。

2）獨立與可靠性。光儲充一體化系統通過儲能設備的引入，實現光伏發電的能源存儲和調度，解決了太陽能發電的間歇性和不可控性的問題。儲能設備可以在光伏發電過剩時儲存電能，在需求高峰時釋放電能，實現能源供需平衡，使得光儲充一體化系統具有獨立性。因其具有獨立性的特點，降低了對傳統電力網絡的依賴，減輕電網負荷壓力和線路損耗，提高電網的穩定性和可靠性。另外，在災害或緊急情況下，系統可以提供可靠的電力供應，解決臨時緊急照明和通信等基本需求。

3）經濟性。光儲充一體化系統通過光伏發電與能源儲存調度，減少傳統電力供應的需求，降低能源采購成本和電費支出，為停車場提供經濟效益。甚至在光伏發電充足的情況下，可以將多余電量并入電網，獲得一定收益。

光儲充一體化技術的發展前景廣闊，該項技術的推廣和發展將對能源轉型、碳排放減少和可持續發展產生積極影響。

2停車場光儲充一體化系統設計

停車場光儲充一體化系統包含光伏系統、儲能系統、充電系統與智能管理系統，且并入大電網中。在系統微電網中，包含直流母線與交流母線，通過DC/AC逆變器相聯通。

圖1停車場光儲充一體化系統示意圖

2.1光伏系統

光伏發電系統分為集中式光伏發電系統與分布式光伏發電系統，在停車場中，應運用倡導就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用的分布式光伏發電系統，采用“自發自用，余電上網”的方式將光伏發電系統所發電量優先進行就地消納，剩余電量進行上網消納。

2.1.1光伏系統組成

光伏發電系統主要有光伏陣列與MPPT兩個部分構成。

1)光伏陣列

光伏陣列由光伏組件串并聯組成，光伏組件有單晶硅、多晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒等類型，其中單晶硅組件因技術成熟、效率高、使用壽命長而被廣泛應用于分布式光伏發電系統。光伏組件運用半導體的“光生伏特”效應，當光伏組件受到光照，物體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流，輸出直流電，作為光儲充一體化系統的能源供給部分。

2)MPPT

MPPT控制器的全稱“至大功率點跟蹤”（MaximumPowerPointTracking）太陽能控制器，是傳統太陽能充放電控制器的升級換代產品。MPPT控制器能夠實時偵測太陽能板的發電電壓，并追蹤高電壓電流值，使系統以至大功率輸出對蓄電池充電。應用于太陽能光伏系統中，協調太陽能電池板、蓄電池、負載的工作，是光伏系統的大腦。

圖2光伏系統示意圖

2.1.2光伏系統與停車場的結合

停車場與光伏系統具有較好的相容性，特別在停車樓屋頂與露天停車場，可以較好的運用。停車樓屋頂與普通屋頂一樣，擁有較大面積共光伏設備的建設。露天停車場由于受到陽光直曬，雨雪天氣等自然因素影響，安全性不如其他停車場。光伏系統可以和停車棚相結合，為露天停車場建造光伏車棚，有雙車位車棚與多車位車棚兩種類型，具有較強的靈活性，為停車場提供更好地安全性。

光伏功率主要由光伏板表面溫度、光照強度以及光伏板面積所影響，因此，在光伏設備的建設中，應充分考慮傾角與方位角，光伏組件傾角和朝向對系統發電量影響頗大。通常情況下，排除氣候條件，朝向正南方向、與地平表面形成傾角的平面與當地的緯度值相同，年平均接收到的太陽輻射能至多。

2.2儲能系統

儲能系統作為微電網中必不能少的一部分，具有提高可再生能源利用率、緩解可再生能源出力波動、降低對微電網運行穩定性的沖擊和對配電網負荷“削峰填谷”的作用。儲能系統主要由儲能變流器與儲能電池構成。

儲能變流器（PCS）是儲能系統與電網連接的功率接口設備，承擔控制電網與儲能單元間能量雙向流動的功能。

儲能電池作為存儲電能的單元，是儲能系統的主要構成。充電狀態下，蓄電池可將電能轉化為化學能存儲在電池中，放電狀態下又可將化學能轉化成電能釋放出。在光儲充一體化系統中，儲能電池可選用磷酸鐵鋰電池，該電池循環壽命長、穩定性和耐久性優良、能量密度高、安全性更高、更耐高溫，在對電池安全可靠性要求較高的電力行業有著不可替代的優勢。

2.3充電系統

充電系統是光儲充一體化系統中的輸出部分。電動汽車用戶根據其需求，對充電設備有快充與慢充兩種需求，因此充電設備也應根據其需求分為直流充電樁與交流充電樁。

直流充電樁運用光伏系統產生的直流電，直接作為充電樁電源，為電動汽車充電，可快速完成充電，滿足電動汽車用戶快充需求。交流充電樁運用電網或逆變器產生的交流電為電動汽車充電，低功率的交流電充電對電網沖擊較小，但充電時間較長，可滿足電動汽車用戶慢充需要。

2.4智能管理系統

智能管理系統是光儲充一體化停車場的調度與數據中心，是整個一體化系統的大腦。智能管理系統主要有充電控制功能，能源調度功能，數據監測功能。

充電控制功能由智能管理系統接受到用戶充電需求申請，根據其快充慢充需求，調動儲能系統提供直流電滿足快充需求，使用DC/AC逆變器將儲能系統放出電流轉換為交流電或采用大電網供電滿足慢充需求。

能源調度功能由智能管理系統根據合適的調度策略，進行能源的調度，達到效益的優化。在光伏發電量充足，充電需求不高時，將部分電能儲存到儲能系統，部分并入大電網獲得一定收益。在光伏發電量不足，充電需求較高時，采購大電網供電，對充電系統進行支持。另外，智能管理系統可根據當地分時電價，在電價高峰期放電，在電價低谷期充電，獲得受益，實現光儲充一體化停車場受益至大化。

數據監測功能通過儲能系統、光伏發電系統、充電系統、微電網狀態將實時數據回輸至智能管理系統，實現實時數據監控與共享，保證各系統運行穩定。另外，系統將收集大量充電行為與系統運行數據，可為調度策略深入研究提供數據支撐。

圖3智能管理系統示意圖

3發展與挑戰

3.1挑戰

光儲充一體化停車場仍然處于發展階段，需要進一步完善和發展，在未來還將面臨不少挑戰。

首先，停車場可用空間通常有限，如何合理利用有限的空間，實現光伏發電設施、儲能設施、充電設施的集成布置，是一個挑戰。不同時間、不同天氣、不同季節對光伏發電的功率輸出有較大影響，如何根據光照條件的變化，以及分時電價政策，以至大經濟效益為目標，通過智能管理系統和算法實時調整能量流分配與儲能系統的充放電策略，是一個挑戰。隨著電動汽車的增加，停車場的充電需求也會相應增加，如何較為準確預測未來充電需求，合理合理規劃充電設施的布置和功率規模是一個挑戰。另外，光儲充一體化系統的建設和運營成本是一個考慮因素，如何綜合考慮系統建設、運維和能源成本，實現光儲充一體化系統在停車場的運用成本至低化，是一個挑戰。

3.2發展方向

未來，要持續推進光伏發電、儲能和充電設施技術發展與創新，提高系統效率、可靠性和智能化水平。通過技術進步，形成光儲充一體化停車場體系，優化運營維護管理制度，提出更經濟性的能源調度策略，降低光儲充一體化系統成本，提高經濟可行性。另外，要加強光儲充一體化系統與電力市場的互動，探索參與電力市場交易和能源管理的機制，推動建立支持政策和市場機制，促進光儲充一體化系統的發展與推廣。

隨著技術進步，成本降低和政策支持的推動，光儲充一體化系統在停車場應用中將迎來更廣闊的發展前景。

4安科瑞微電網能量管理系統概述

4.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖3典型微電網能量管理系統組網方式

5充電站微電網能量管理系統主要功能

5.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖4系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

圖5光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖6儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖7儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖8儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖10儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖9儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖11儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖12儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖14儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖13儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖15風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖16充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

5.2典型硬件及其配套產品

6總結

光儲充一體化系統具有可持續性、可靠性和經濟性等特點，可以為改善環境質量、減少碳排放做出積極貢獻。通過智能化能源管理系統，實現系統效益至優化，在政策推動電動汽車迅猛發展的現狀下，為充電需求市場注入新的能源供給，緩解電網壓力，為停車場提供更高的受益。光儲充一體化停車場具有廣闊的發展前景，光儲充一體化系統技術在停車場中的運用將成為今后一個重要的研究方向。

參考文獻

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