摘要： 随着环境和能源问题的日益严峻，电动汽车和光伏能源发电应运而生。电动汽车具有节能环保的优势，可以避免传统燃油汽车环境污染严重、石油消耗量大的缺点 ，光伏能源发电则可有效缓解当前电力需求紧张的局面，实现能源战略的可持续发展。发展电动汽车必须建设与之配套的充电站，而光伏能源发电技术的可靠运用则离不开储能技术的发展，同时二者的发展还推动了各自产业链的发展，对国民工业有着重要意义。
关键词：换电站；光换储一体化；技术研究；应用；
储能技术的发展是高可靠性供电和新能源发电技术运用的必然趋势，它作为电网运行“采发输配用储”六大环节中的重要组成部分，受到各国能源、电力、交通等部门的高度重视。在配置大规模高效储能装置后，可以保证区域关键负荷的不间断供电，为电能质量要求高的国家重要部门和企业提供备用电源;其次，储能装置可以提高系统运行的稳定性，有效实现需求侧管理及电网负荷的“削峰填谷”，提升电力设备的利用率，降低旋转设备容量和供电成本;此外，储能技术的运用还可以解决发电与用电的时差矛盾，调节电能品质，消除光伏、风力等间歇式可再生能源发电直接并网时对电网冲击，进而促进可再生能源的发展。
近年来，国内外研究机构和学者对光换储一体化电站开展了大量的研究工作，研究领域主要涉及如图1所示的几个方面。光换储一体化电站的建设和运营是一个复杂的系统工程，国内外均处于探索阶段，它涉及到电力系统、电力电子学、信息通信、经济学、结构设计等多学科的问题，各学科也存在交叉之处。本文主要关注光换储一体化电站功率调节系统的能量变换和控制过程中存在的相关问题。
功率调节系统在光换储一体化电站中起着连接电网或负荷和储能载体的纽带作用，它集充放功能于一体，具有双向功率调节的作用。下面分别介绍其供电方式、拓扑结构和运行模式 。
1，供电方式
光换储一体化电站功率调节系统的的供电方式如图所示，分为交流母线供电、直流母线供电以及交直流母线混合供电三种。目前应用比较多的是交流供电方式，介绍了几种典型结构，并比较了几种构成方式的设备购置和运行费用，得出了交直流母线供电方式具有较好经济性的结论，但是文中未考虑不同母线构成中由于各变换器祸合带来的系统可靠性问题。
2，拓扑结构
高压大容量的PCS还没有成熟一致的主电路拓扑，用户需根据不同的运用场合和电池组特性进行优选。从电路结构来看，PCS主要有单级式、两级式和组合式3种。单级式拓扑中，电池组通过DC/AC变换器直接到达端口，一般会加升压型隔离变压器再与电网或负载相连，该型拓扑的优点是结构简单、能耗相对较低，适用于电网中分布式独立电源并网。其主要缺点是储能单元的容量选择缺乏灵活性，对电池组的端电压范围有一定要求。两级式拓扑中，DC/DC环节可以适应较宽的电池组端电压，端口处可不经过变压器直接与电网或负载相连，这种拓扑的主要优点是适应性强，所接电池组的配置可以更为灵活，缺点是多了一个DC/DC环节降低了系统转换效率，并且DC/DC环节和DC/AC环节之间还存在阻抗匹配(Impedance Matching, IM)的问题。 双向系统由两个单向拓扑组合而成，K1闭合K2断开时，系统通过AC/DC环节和DC/DC环节给电池组充电;K1断开K2闭合时，系统通过DC/AC环节向端口放电，该拓扑的优点是各环节硬件电路和控制相对简单，缺点是充放电切换较为麻烦，且电路利用率不高，因此很少使用。
各AC/DC环节和DC/DC环节也有多种拓扑可供选择，其中适用于单级式高压大容量PCS的常用拓扑主要有三相全桥和三相半桥拓扑，以及由其衍生出来的多电平拓扑和级联型拓扑。适用于两级式PCS的常用双向DC/DC拓扑又可分为隔离型和非隔离型隔离型拓扑主要有:正激式、反激式、推挽式和桥式等结构以及它们的组合，隔离变压器的引入可以实现电网与电池系统或分布式电源之间的电气隔离，不存在对地漏电流，安全性能好。非隔离型DC/DC拓扑主要有半桥型、全桥型和Buck-Boost级联型等三种拓扑结构，其结构简单、可靠性好、效率高，缺点是变压比不能太大，且需要考虑共模电流的消除问题。
3，运行模式
由双向拓扑组成的PCS具有丰富的运行模式。并网运行时，在电池充电阶段，电网为电池组和本地负荷提供电能，PCS在此期间工作于整流充电模式，根据不同的电池类型和荷电状态(State of Charge, SOC)，系统可以选用不同的充电方式。在电池放电阶段，可根据上层系统的要求工作于恒功率模式或者恒流模式。此外，只要参数设计合理，PCS还可以工作于APF和PFC模式，用于补偿本地负载的谐波电流和向电网提供无功支撑。孤岛运行时，PCS则根据系统要求工作于恒压定频模式。
4，主要科技创新
项目提出并建成了电动汽车智能光换储的一体化示范电站，实现电动汽车换电站与光伏储能电站的功能融合；探索光换储一体化电站的运行模式，全面提高光换储一体化电站的综合经济性，支撑电动汽车和智能电网的共同发展。项目通过研究光换储一体化电站的运行特性，提出广义能量/功率调度控制策略、多元综合管理策略，攻克了电动汽车电池换电站作为分布式储能单元接入电网的关键技术；通过研究分布式光伏系统与换电站结合的原则和策略，形成换电站光换储一体化系统关键技术系统方法。该项目于2014年启动，2017年初开始推广应用。
与本地的光伏组件生产企业进行合作，由光伏组件生产企业提供一定数量的光伏组件，利用现有换电站的顶棚、充电机、充电架、监控系统，进行部分技术改造将换电站改造成具有光伏储能、换电功能的光换储一体化站。既使闲置资产得到合理化利用，又解决了光伏组件再利用的问题，同时又可以为光伏组件企业提供光伏板展示、维修、储能、与电网互动功能试验等的服务。探索以资产投入进行利润分成的合作商业模式。在建设光换储功能的基础上，配置部分电池，使其具有储能功能，利用充电中的周转电池，建设储能功能、乘用车充电功能，开展相关充电机充电功率分配、充电功率可调度调节功能、参与电网调频功能等的研究示范项目。
5，应用情况
国网晋中供电公司在所属大学园换电站内通过开展“换电站光换储一体化系统关键技术研究与应用”，将电动汽车换电站与光伏储能相结合，可构建新型的光换储一体化电站，它具有占地面积小、功能多样化、运营成本优等诸多技术优势。随着光伏、风力等新能源发电技术的快速发展，分布式能源向电网的渗透率日益增高，多能源输入的配网系统己经成为一种趋势，将新能源输入光换储一体化换电站，可以有效地提高其运行的经济性能。正是由于光换储一体化电站功能的多样化，作为储能电池与电网接口的电力电子变换装置在其中占据着重要地位，合适的功率调节系统，能大幅提升光换储一体化换电站的运营效率和经济性能。
论文作者:曲军,张巍,李彦君
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/6
标签：电站论文; 拓扑论文; 电网论文; 系统论文; 光伏论文; 储能论文; 电池组论文; 《电力设备》2018年第12期论文;