任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設的加快推進，電動汽車等移動式負荷的滲透率將逐漸上升，同時快充電站也將趨于規(guī)?；\營。復雜的網(wǎng)絡結構和多主體調(diào)控方式大幅增加了電網(wǎng)的控制難度和失穩(wěn)風險。通過調(diào)研國內(nèi)外對快充電站并網(wǎng)影響因素及涉網(wǎng)性能的研究現(xiàn)狀，重點分析規(guī)模化快充電站運行對電網(wǎng)3個主要方面的挑戰(zhàn)；針對能源互聯(lián)網(wǎng)中“快充電站+儲能+其他元素"的新型快充電站應用方式，以充儲/光儲充一體化電站為范例，分析該領域現(xiàn)有的研究進展和工程經(jīng)驗，并對比分析充儲/光儲充一體化電站與規(guī)模化含儲能快充電站的異同；*后，從應用前景和關鍵技術兩個層面出發(fā)，探討含儲能快充電站未來的發(fā)展路徑。

關鍵詞：儲能；快充電站；充儲一體化；電動汽車；控制技術

0前言

隨著城市運營車輛純電動化進程的不斷推進，中國電動汽車產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截至2019年年底，全國新能源汽車保有量已達381萬輛，占汽車總量的1.46%。與此同時，電動汽車配套基礎設施的建設也在加速發(fā)展。為解決電動汽車用戶的里程焦慮，提高電動汽車的續(xù)航能力，快充電站的規(guī)?；l(fā)展將成為必然趨勢。

以充電功率大、服務時間短的非車載直流充電技術為基礎的快充電站，在給電動汽車用戶帶來便捷體驗的同時，也可能引發(fā)區(qū)域配電網(wǎng)容量不足、電壓跌落和頻率降低等問題。此外，快充電站啟停瞬間功率的劇烈變化也給電網(wǎng)的實時平衡和穩(wěn)定控制帶來巨大挑戰(zhàn)。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，尋求快充電站的多元化應用形式，以保障規(guī)?；斐潆娬镜挠押媒尤?，成為當前的研究熱點。儲能具有能量轉(zhuǎn)換存儲和功率快速控制的特性，在能源互聯(lián)網(wǎng)領域發(fā)揮關鍵樞紐作用。將儲能與快充電站進行有機融合，協(xié)調(diào)規(guī)模化快充電站穩(wěn)定運行，是推進智慧車聯(lián)網(wǎng)服務體系建設、實現(xiàn)能源服務互動化和共享化的重要手段。

充儲/光儲充一體化電站示范項目是對“快充電站+儲能"應用模式的積極探索，近年發(fā)展速度迅猛。隨著快充電站示范工程的廣泛開展，其規(guī)?；\營的并網(wǎng)影響，以及衍生的多類型應用方式成為業(yè)界關注的焦點。本文旨在從若干角度出發(fā)，梳理國內(nèi)外對快充電站涉網(wǎng)性能、影響因素及其多類型應用方式下控制策略的研究，探討推動含儲能快充電站發(fā)展的關鍵技術，以促進含儲能快充電站的規(guī)?；瘧?。

1快充電站對電網(wǎng)的影響因素

大量電動汽車等移動式電力負荷的接入，將改變原有的電網(wǎng)形態(tài)，使之形成隨機、不確定的網(wǎng)絡，用戶的無序充電行為又導致負荷峰谷差進一步擴大，使得配電變壓器過載風險加大。隨著電動車輛滲透率的逐步攀升，電網(wǎng)損耗和電壓偏差將顯著增大，區(qū)域配電網(wǎng)的調(diào)峰容量不足問題凸顯。

與此同時，采用高倍率、大電流的直流快充方式是快充電站區(qū)別于常規(guī)充電站對配電網(wǎng)產(chǎn)生巨大影響的另一個因素。圖1對比了不同類型充電站中電動汽車的接入方式。常規(guī)充電站中，電動汽車的車載充電機與交流充電樁連接，并以10~15A的小電流慢充方式對動力電池進行充電，全過程需5~8h。快充電站中，電動汽車的動力電池直接連接至直流充電機，并以150~400A的大電流方式進行充電，用時20min~2h即可完成70%~80%。

圖1不同充電方式下電動汽車接入電網(wǎng)示意

表1對比了2種充電方式的關鍵參數(shù)，可以看出，由于常規(guī)充電和快速充電在充電電壓、電流和時間上的巨大差異，使得快充負荷對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響更為明顯。對于網(wǎng)架結構薄弱的地方配電網(wǎng)，快充負荷的接入將會使并網(wǎng)母線的電壓靜態(tài)穩(wěn)定裕度大幅降低。同時，充電啟停階段的瞬時沖擊也會引起電網(wǎng)頻率波動超標的問題。

除此之外，充電機等電力電子設備由于整流方式不同，產(chǎn)生的直流側(cè)電壓紋波和注入電網(wǎng)側(cè)的諧波電流存在較大差異，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量具有一定影響。表2對比了當前市場3種主流充電機的基本組成和各自特點。

由表2可知，3種充電機均會向電網(wǎng)注入諧波電流，從而不同程度地降低電能質(zhì)量，但由于整流電路電子元件的諧波抑制效果不同，致使網(wǎng)側(cè)電流總畸變率和市場化應用差異顯著。PWM整流充電機雖然具備性能優(yōu)勢，但由于控制電路復雜，成本高昂，工程化推廣應用受到阻礙；工頻不可控整流充電機具有直流側(cè)電壓紋波小的特點，但在設備體積、網(wǎng)側(cè)電流諧波和變換效率等方面均居于劣勢，在公用電網(wǎng)中投運放緩；相比之下，高頻不可控整流充電機盡管諧波電流較大，然而由于成本優(yōu)勢，在市場zhan有率方面仍占據(jù)地位，成為目前快充電站直流充電機的首xuan類型。

綜上所述，相較于常規(guī)充電站，快充電站中直流負荷的充電行為、充電方式和充電機類型發(fā)生了根本性變化，功率需求大、隨機性強、諧波含量高的快充負荷對電網(wǎng)容量、穩(wěn)定裕度以及電能質(zhì)量提出更大挑戰(zhàn)，成為當前快充電站對電網(wǎng)產(chǎn)生重大影響的主要因素。

現(xiàn)階段，受限于技術成熟度和電網(wǎng)容量規(guī)劃，快充電站的建設應用仍處于單站試驗階段。

但隨著技術的逐漸成熟和能源互聯(lián)網(wǎng)建設的持續(xù)推進，快充電站的規(guī)?；瘧猛懂a(chǎn)將成為必然趨勢，屆時快充電站的并網(wǎng)影響將被放大，鑒于此，規(guī)?；斐潆娬镜纳婢W(wǎng)性能成為學者們熱議的話題。

表1常規(guī)充電與快速充電的主要參數(shù)對比

表2主流充電機的基本組成及其特點

2規(guī)模化快充電站的涉網(wǎng)性能

目前，國內(nèi)外對規(guī)?；斐潆娬旧婢W(wǎng)性能的研究主要聚焦于以下幾個層面。

2.1電網(wǎng)容量

現(xiàn)有城市配電網(wǎng)在規(guī)劃建設時期并未充分考慮到快充電站的應用，規(guī)?；斐潆娬镜慕ㄔO運營給電網(wǎng)帶來新一輪負荷增長，使其容量不足問題更為突出，加劇了電網(wǎng)升級擴建壓力。研究表明，大量電動汽車充電使電網(wǎng)的負荷峰值迅速攀升。預計2030年，美國13個供電區(qū)域中將有10個區(qū)域須新增裝機以滿足電動汽車快充服務的電能需求。

2.2電能質(zhì)量

規(guī)?；斐潆娬静⒕W(wǎng)與電壓偏差、電壓波動和諧波污染等電能質(zhì)量問題的關聯(lián)度受到國內(nèi)外學者的密切關注。文獻指出，在電網(wǎng)結構薄弱的居民配電區(qū)域，由于電網(wǎng)容量有限，當充電負荷達到一定量值時，電纜線路重過載、節(jié)點電壓跌落等問題將集中爆發(fā)。此外，歸因于整流電路開關元件的非線性特性，充電機成為電網(wǎng)的諧波源之一。文獻剖析充電機拓撲結構，證明了充電機模型和數(shù)量與諧波電流含量的關系。研究表明，6脈沖和12脈沖的充電機結構均會導致高次諧波，且在功率*大時刻，諧波電流含量達到頂feng。同時，充電機數(shù)量也與諧波含量呈現(xiàn)正相關的關系。上述文獻針對抑制諧波電流的建議除了改進充電機結構之外，未提出其他有效的治理手段。但改進充電機往往伴隨著更大的資本投入，在當前的市場推廣中價值較低。

2.3運行穩(wěn)定性

低慣量、弱支撐的新能源機組高比例滲透和傳統(tǒng)發(fā)電機組的占比減少，使得電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量大幅降低，電網(wǎng)面臨電壓、頻率等關鍵運行指標調(diào)節(jié)能力不足的困境。為避免大規(guī)?？斐湄摵梢l(fā)電壓或功角連環(huán)失穩(wěn)事故，深入研究規(guī)?；斐潆娬静⒕W(wǎng)對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響，從而對潛在風險進行合理預判和有效評估顯得尤為必要。文獻針對電壓穩(wěn)定薄弱區(qū)域，建立一種考慮電動汽車負荷特性和波動極限的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度的計算方法和評估方案。

3快充電站多類型應用模式研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段對快充電站多類型應用方式的探索主要以充儲/光儲充一體化電站為例。雖然現(xiàn)有落地示范工程多為單個快充電站項目，但其運行方式、控制策略等對規(guī)模化含儲能快充電站的研究和建設具有較高的借鑒價值。

3.1運行方式

充儲/光儲充一體化電站實現(xiàn)了多電源供電方式，可在并網(wǎng)與離網(wǎng)運行之間靈活切換。圖2為光儲充一體化電站的拓撲結構。由圖2可知，在并網(wǎng)模式下，光儲充電站由外部配電網(wǎng)和站內(nèi)光伏電源共同供電，儲能系統(tǒng)跟蹤光伏出力以平抑功率波動，促進站內(nèi)光伏電量消納；離網(wǎng)運行時，儲能系統(tǒng)作為主要電源，在能量管理系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制下，建立統(tǒng)一的電壓和頻率參考值，以保障充電站的可靠供電和光伏電源的高效利用；除此之外，光儲充一體化電站還可實現(xiàn)分時段并/離網(wǎng)切換運行。光儲充電站根據(jù)電價水平?jīng)Q策并/離網(wǎng)定時切換動作，在高電價時段離網(wǎng)，低電價時段并網(wǎng)，以降低整體購電成本。當系統(tǒng)由離網(wǎng)切換至并網(wǎng)運行時，站內(nèi)能量管理系統(tǒng)通過跟蹤離網(wǎng)電壓和頻率，帶動系統(tǒng)并入主網(wǎng)，從而實現(xiàn)并/離網(wǎng)的柔性切換。

圖2光儲充一體化電站拓撲結構

3.2控制策略

充儲/光儲充一體化電站利用能量管理系統(tǒng)跟蹤電站運行功率，通過控制策略實時優(yōu)化儲能系統(tǒng)出力，從而達到削峰填谷、平滑波動的功能定位。針對規(guī)?；斐潆娬静⒕W(wǎng)中存在的諸多問題，充儲/光儲充一體化電站亦有相應控制策略研究。

在電網(wǎng)容量方面，文獻考慮重負荷水平下電網(wǎng)容量不足的問題，依托充儲電站與配電網(wǎng)的功率交換能力，提出一種面向削峰填谷服務的儲能系統(tǒng)充放電控制策略，但忽略了配電網(wǎng)中充儲電站分散布局的問題，缺乏多點充儲電站之間的能量互動和協(xié)調(diào)控制能力。

在電能質(zhì)量方面，文獻分別從電動汽車快速充電時網(wǎng)側(cè)諧波電流含量、總畸變率以及電壓跌落幅度等多維度展開研究，并提出一種有效抑制諧波、補償無功電壓、平抑功率波動的儲能系統(tǒng)控制策略。然而上述文獻中儲能選型為飛輪儲能，但飛輪儲能制造成本高昂，難以在短時期內(nèi)實現(xiàn)規(guī)?；瘧谩?/p>

在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面，文獻提出了基于混合儲能的電動汽車充電站直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術。該文將快充負荷和光伏電源引起的功率波動分解為高頻分量與中低頻分量，并分別利用飛輪儲能和電池儲能進行補償，以達到平抑直流母線電壓波動、提高電壓穩(wěn)定裕度的目的。但上述研究僅面向光儲充直流微網(wǎng)系統(tǒng)，而未考慮在并網(wǎng)狀態(tài)下與配電網(wǎng)的互動能力。

4含儲能快充電站應用前景及關鍵技術展望

4.1應用前景展望

含儲能快充電站是能源互聯(lián)網(wǎng)時代新型基礎設施建設的發(fā)展產(chǎn)物，其應用模式為“儲能+快充電站+其他元素"。隨著5G通信技術的進步，信息物理系統(tǒng)的建設將更加完善，數(shù)據(jù)共享、資源共享和市場多邊交易也更加廣泛。在城市電網(wǎng)中，構建含儲能快充電站與數(shù)據(jù)站聯(lián)合運營系統(tǒng)，通過聚合分布式儲能容量向數(shù)據(jù)站供電；同時，分布式儲能的海量數(shù)據(jù)信息也可通過數(shù)據(jù)實現(xiàn)全網(wǎng)共享，從而形成可調(diào)度、可交易的虛擬儲能資源。針對廣域布局的含儲能快充電站，采用單點自治控制與廣域協(xié)調(diào)調(diào)度結合的調(diào)控策略，增強電力系統(tǒng)的靈活可控性和抵御擾動風險的能力。此外，將能源流和信息流融合，通過共享經(jīng)濟實現(xiàn)配電容量、快充服務、儲能資源和電力大數(shù)據(jù)的高效率、高質(zhì)量利用，使之貫穿電網(wǎng)-交通-儲能-數(shù)據(jù)等整條價值鏈，延伸電力電量供給服務價值，從而激發(fā)規(guī)?；瑑δ芸斐潆娬緷撛诘慕?jīng)濟價值與社會價值。

此外，就快充電站而言，隨著無線充電技術的日益成熟，快充電站的充電方式將更加多元。電動汽車占比的上升以及用戶對便捷體驗要求的提高，將激發(fā)以無線充電和有線充電為基礎的混合新型快充電站誕生。電動汽車既可以通過無線充電位或無線充電軌道完成充電過程，又可以通過直流充電機進行有線快速充電。

雖然大量研究表明，儲能以其能量快速吞吐、功率靈活控制的特性使得快充電站對外呈現(xiàn)“柔性負荷"的特性，但由于相關技術成熟度不高，工程應用經(jīng)驗不夠豐富，當前規(guī)模化含儲能快充電站仍處于研究階段。與此同時，能源互聯(lián)網(wǎng)中含儲能快充電站的商業(yè)模式和運營方式尚不明確，對含儲能快充電站與區(qū)域配電網(wǎng)之間的典型互動模式還有待深入研究。

4.2關鍵技術展望

當前對快充電站多類型應用系統(tǒng)的建模僅有以光儲充/充儲一體化電站為范例的單一電站模型，而規(guī)模化含儲能快充電站涉及多個電站單元的集成，加之未來快充電站中無線充電和有線充電方式的混合使用，使含儲能快充電站的結構更加龐大且復雜，多個單元之間的調(diào)度控制難度大幅上升，對儲能出力精度和通信網(wǎng)絡速度的要求更加嚴格。顯然，現(xiàn)有的充儲/光儲充一體化電站模型和基于生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡架構，難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的規(guī)?；瑑δ芸斐潆娬镜膽靡?。如何描述含儲能快充電站的復雜網(wǎng)絡結構并建立相應的仿真模型，如何實現(xiàn)多點含儲能快充電站中儲能單元之間，以及儲能與上級網(wǎng)絡之間的快速通信和控制成為研究的重要命題。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結束語

隨著高比例電力電子設備、新能源發(fā)電和電動汽車的大量接入，電網(wǎng)形態(tài)逐漸向復雜化、隨機化演變?？斐潆娬咀鳛槟茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的重要構成，其規(guī)?；\行將增加電網(wǎng)的控制難度和失穩(wěn)風險。因此，尋求快充電站的多元化應用方式，使之形成可控制、可調(diào)度的“柔性負荷"具有重要意義。

本文首先從快充電站并網(wǎng)的影響因素及涉網(wǎng)性能的角度出發(fā)，研究其規(guī)模化應用給電網(wǎng)帶來的多方位挑戰(zhàn)，提出發(fā)展“快充電站+儲能"新型應用方式的迫切需求。然后，根據(jù)該領域現(xiàn)有的研究進展和工程經(jīng)驗，探討充儲/光儲充一體化電站對規(guī)?；瑑δ芸斐潆娬驹谘芯亢蛻梅矫娴闹笇б饬x，并對能源互聯(lián)網(wǎng)背景下二者的本質(zhì)區(qū)別和影響差異進行分析。*后，針對含儲能快充電站的應用前景及關鍵技術，探討其未來發(fā)展

路徑，并得出以下結論。

廣域聚合控制技術和共享經(jīng)濟的發(fā)展將催生虛擬儲能應用潮流，使含儲能快充電站在電網(wǎng)、交通、儲能、數(shù)據(jù)等領域延伸多條價值鏈；但目前由于相關技術儲備和工程經(jīng)驗不足，規(guī)?；斐潆娬镜穆涞貞萌孕杞?jīng)歷漫長的理論研究和工程試驗之路。

此外，能源互聯(lián)網(wǎng)中含儲能快充電站的商業(yè)模式、運行方式及其與配電網(wǎng)的互動形式尚不明確；規(guī)?；瑑δ芸斐潆娬镜膹碗s網(wǎng)絡模型和多點分散布局的站內(nèi)儲能系統(tǒng)的聚合控制策略仍有待深入研究。

參考文獻

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作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。