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摘要：根据不同的项目环境、电网电力供应情况，结合光伏发电的技术特点以及电动汽车充电桩的技术要求，设计了三种电动汽车充电桩的供电方式，以满足各种情况下的需求，同时评估其投资收益情况。
关键词：光伏发电、充电桩
1引言
光伏充电桩是集太阳能光伏并网发电、储能、电动汽车充电功能于一体的智能型可再生能源综合应用系统。
发展电动汽车被各个国家普遍确立为提高汽车产业竞争力、保障能源安全和转型低碳经济的重要途径。目前根据国家规划，全国各地大力兴建充电桩[1][2][3]。一方面充电桩尤其是快速充电桩需要较大的电网容量支持，在很多电网容量有限的地区无法快速建设充电桩；另一方面，大型光伏发电站特别是中西部光伏电站限电严重，补贴到位不及时，国家积极响应分布式光伏电站建设，鼓励自发自用、就近消纳。光伏充电桩技术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[4][5][6]。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。光伏充电桩系统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。
2方案设计原则
⑴ 因地制宜，科学规划
结合我国经济社会发展实际、新能源发展情况与电动车充电设施发展情况建设光伏充电桩系统，深入调研电动汽车充电桩供电项目的可行性、必要性及经济性，积极利用我国丰富的太阳能资源，为项目落地奠定坚实基础，为优化电动汽车充电设施的用能结构、保护生态环境、发展低碳经济以及实现可持续发展发挥积极作用。
⑵ 多能互补，高效利用
将分布式光伏发电、储能技术及高效用能技术相结合，通过智能电网及综合能量管理系统，加强能源高效利用技术研究开发，形成以光伏发电为主的高效一体化分布式能源系统，探索在电动汽车充电设施建设上进行可再生能源高效利用的各种技术手段，为可再生能源应用、充电桩供电科技创新探索新路径、新模式。
⑶ 技术先进，经济合理
集成分布式光伏发电及智能一体化电力能源控制技术，形成先进高效的能源技术体系；与公共电网建立双向互动关系，灵活参与电力市场交易，使新能源供电在一定的政策支持下具有经济合理性。把技术开发与推广应用放在本项目的突出位置，为光伏充电桩建设提供经济合理、技术先进的解决方案。
⑷ 典型示范，易于推广
以光伏充电桩示范项目建设为契机，因地制宜探索分布式光伏发电和储能技术的微电网技术应用，创新管理体制和商业模式；积极争取各类政策支持，形成具有中国特点且易于复制的典型模式，阶段性总结开发及应用成果，在示范的基础上逐步推广到其他光伏充电桩的项目中去。
3典型方案设计
根据不同的项目环境、电网电力供应情况，结合光伏发电的技术特点以及电动汽车充电桩的技术要求，设计了三种电动汽车充电桩的供电方式，以满足各种情况下的需求。
1、并网光伏充电桩系统
本方案是针对充电桩安装地区有电网接入条件，且电网容量满足充电桩供电需求，或电网扩容成本较低的情况，如规划中的商业区、公园或停车场等地区。
1.1 系统组成及工作原理
并网光伏充电桩系统主要由光伏发电单元、充电桩单元及智能控制单元等组成。
光伏发电单元吸收太阳光能后形成直流电能，通过逆变器转换成380V三相交流电能，给充电桩单元供电。当光伏所发电量不满足充电桩单元的供电需求时，充电桩单元会同时从电网中吸收电能。而当光伏所发电量有富余时，光伏发电单元将多余电量逆变上网，为电网反向提供电能。整个系统由监控单元中既定的控制策略进行监控，数据发送到远程服务器。
1.2 系统结构示意图
方案的结构示意图如图1所示。
图1 并网光伏充电桩系统示意图
1.3 技术特点
①在现有成熟的充电桩接入系统中简单加入光伏发电供电，电路系统结构简单，经济可靠；
②利用充电桩周边建筑物建设光伏发电系统，有效利用太阳能资源，使用清洁能源；
③光伏发电自发自用，余电上网，解决发电消纳问题；
④利用市电和光伏发电同时为充电桩供电，保证充电桩供电稳定性；
⑤光伏发电系统自带孤岛保护功能，保证系统供电安全；
⑥配备智能监控系统，根据充电桩运行特性，合理配置系统运行策略，最大保障光伏发电系统的出力。
1.4 设计要点
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。单个模块设计要点如下：
⑴根据项目所在地的太阳能辐射资源条件，采用可并网的光伏发电技术，为光伏充电桩系统进行综合设计。
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。
1.5 适用范围
本方案适用于有电网接入条件，且电网容量能满足充电桩用电需求，或电网扩容成本较低的地区，如规划中的商业区、公园等公共设施区、停车场、机场等。
2、智能微电网光伏充电桩系统
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，如已成熟运行的商业区、高速公路服务区、电动车换电站等地区。
2.1 系统组成及工作原理
智能交流微电网并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，它们共同组成380V的智能交流微电网系统。
光伏发电单元吸收太阳光能后形成直流电能，通过逆变器转换成380V三相交流电能，给充电桩单元供电。当汽车未充电时，所发电能将存储到储能系统中。当汽车充电时，光伏发电系统与储能系统共同为充电桩单元提供稳定的电能。储能系统可以在电网波谷时段从电网中获取电能进行存储，在电动车需要充电时，再出力提供稳定的电能。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆储能系统的存在降低了充电桩对电网的依赖程度，它即能保障光伏所发电能100%自发自用，同时在未来还能参与电网的削峰填谷工作，从中获取电价差价利润。整个系统组成智能微电网系统，当电网出现波动后，可自动切换成离网模式，持续为电动汽车提供充电服务。
2.2 系统结构示意图
方案的结构示意图如图2所示。
图2 智能交流微电网光伏充电桩系统示意图
2.3 技术特点
①加入储能系统，降低对电网接入的依赖程度，具有较广的地域适应性；
②利用充电桩周边建筑物建设光伏发电系统，有效利用太阳能资源，使用清洁能源；
③光伏发电完全自发自用，发挥最大的分布式光伏发电效益；
④利用储能系统和光伏发电同时为充电桩供电，保证充电桩供电稳定性；
⑤储能系统在电网电价低谷时存储电能，并以较高的充电电价出售。开创了储能系统的盈利模式；
⑥智能切换并离网状态(并网与孤岛状态)，既可以并网运行，也可以孤网运行，实现无缝切换，且多种运行模式相互自动或手动方式切换；
⑦配备能源管理系统，具备能源管理和策略调度的功能。
2.4 设计要点
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。单个模块设计要点如下：
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。
2.5 适用范围
本方案有较广阔的应用范围，尤其适用于有电网接入条件，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，如已成熟运行的商业区、高速公路服务区。此外，本方案非常适合用在电动车换电站上，能够不用配备储能系统，直接将光伏系统所发电能存储在更换电池组上。
3、离网光伏充电桩系统
本方案是针对充电桩安装地区没有电网接入条件，或电网接入成本较高的情况，如高速公路、国道和省道沿岸等地区。此方案可以和离网的铁塔通信基站结合，共同发挥离网的作用。
3.1 系统组成及工作原理
离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。
光伏发电单元吸收太阳光能后形成直流电能，通过光伏充电控制器，将电能传输到直流母线供负载使用或通过储能系统存储起来。当电动汽车来充电时，光伏发电系统和储能系统放电为充电桩单元提供稳定的电能。整个系统构成智能离网的直流微电网系统，持续为电动汽车提供充电服务。
3.2 系统结构示意图
方案的结构示意图如图3所示。
图3 离网光伏充电桩系统示意图
3.3 技术特点
①离网直流系统，系统控制更加简单，电能利用更加高效；
②利用充电桩周边建筑物建设光伏发电系统，有效利用太阳能资源，使用清洁能源；
③光伏发电完全自发自用、直发直用，提供电能转换效率；
④利用储能系统为充电桩供电，保证充电桩供电稳定性；
⑤完全独立于电网运行，系统运行更加稳定；
⑥配备能源管理系统，具备能源管理和策略调度的功能。
3.4 设计要点
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。单个模块设计要点如下：
⑴采用光伏发电技术、储能技术，搭建一个离网的直流微电网系统，为光伏充电桩系统持续供电，消除对电网的冲击和依赖。
⑵利用周边建筑屋顶、汽车棚顶、道路护坡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、汽车棚顶或道路护坡占用面积1000㎡，共安装150kWp的光伏组件。
⑶系统共建设2个直流快速充电桩(60kW)，直流快速充电桩通过光伏发电系统和电网供电，系统通过离网逆变器提供部分交流电能供其它负载使用。
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720kWh的储能系统。
⑸整个系统采用离网运行模式，根据充电桩的运行状态，实施调整用电负荷和供电平衡，保障微电网的稳定安全运行。
3.5 适用范围
本方案由于造价成本较高，仅适用于没有电网接入条件，或电网接入成本较高的的区域，如较为偏远的高速公路、国道和省道沿岸等地区。只有在充电桩布局和电动汽车保有量达到一定的阶段，或储能成本降低到一定条件后，才有建设的经济性。
结论
目前我国电动汽车及充电设施建设处在快速发展阶段，大规模的充电设施建设需要电网的大力支持，本文针对不同的电网情况设计了相应的光伏充电桩典型方案，来保障充电设施建设过程中的供电问题。在有电网接入条件，且电网容量满足充电桩供电需求，或电网扩容成本较低的地区，采用并网光伏充电桩系统；在有电网接入条件，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，采用智能微电网光伏充电桩系统；在没有电网接入条件，或电网接入成本较高的地区，采用离网光伏充电桩系统。
同时，采用快速充电和慢速充电相结合，满足不同用户的充电需求。另外，结合光伏发电、储能技术，最大程度的平抑充电系统对电网的负荷扰动。同时可利用储能系统在夜间用电低谷充电储能，在白天用电高峰对车辆进行充电。这样对整个电力负荷还能起到“削峰填谷”的作用。
参考文献
[1]中华人民共和国国家发展改革委员会.《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》 (发改能源[2015]1454号).http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201511/t20151117_758762.html.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.《住房城乡建设部关于加强城市电动汽车充电设施规划建设工作的通知》(建规[2015]199号). http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201601/t20160115_226326.html.
[3]中华人民共和国科学技术部.《关于“十三五”新能源汽车充电基础设施奖励政策及加强新能源汽车推广应用的通知》(财建[2016]7号).http://www.most.gov.cn/tztg/201601/t20160120_123772.htm Ahmed Y S, Ganesh K V. Plug-in vehicles and renewable energy sources for cost and emission reductions[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(4): 1229-1238.
[4]峁美琴, 孙树娟, 苏建徽. 包含电动汽车的风/光/储微电网经济性分析[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(14): 30-35.
[5]李远松.应用于电动汽车换电站的光伏发电接入系统研究[D].湖南大学,2013.
论文作者:易金印,花磊,范忠瑶
论文发表刊物:《电力设备》2016年第19期
论文发表时间:2016/12/9
标签：电网论文; 光伏论文; 系统论文; 储能论文; 单元论文; 电能论文; 技术论文; 《电力设备》2016年第19期论文;