淺談公交光儲充一體化充電站設計

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：在以往電動汽車充電站的建設中，主要是以電網為*導。光儲充一體化解決方案，將能夠解決在有限

的土地資源里配電網的問題，通過能量存儲和優化配置實現本地能源生產與用能負荷基本平衡，可根據需要

與公共電網靈活互動且相對獨立運行，盡可能的使用新能源，緩解了充電樁用電對電網的沖擊，在能耗方

面，直接使用儲能電池給動力電池充電，提高了能源轉換效率。

關鍵詞：公交充電站；儲能系統；光伏系統；充電可靠性；能源監控管理

1研究背景

“新基建"是服務于*家長遠發展和“兩個強國"建設戰略需求，以技術、產業驅動，具備集約*效、經濟適用、智能綠色、安全可靠特征的一系列現代化基礎設施體系的總稱。電動汽車充電服務設施是“新基建"中一大領域，加速推進城市公交、市政環衛等公共領域運輸作業車輛新能源化，加快新能源汽車充電樁在北京建設布局，作為“十四五"產業動力新引擎、助力數字經濟發展、構建智慧和諧社會具有重要意義。通過汽車充電網的智能*度，能夠實現電網的削峰填谷，讓電網更加的柔性化，其中*大的價值在于新能源汽車實現把夜晚低谷的棄風、棄光、棄水的電儲存在汽車里帶到*峰期使用，即解決了上游的新能源供應，又解決了下游的消納。近年來，黨*央、國務院*度重視新型基礎設施的建設。以“新基建"為牽引，夯實經濟社會*質量發展的“底座"“基石"，對于發動“十四五"產業動力新引擎、助力數字經濟發展、構建智慧和諧社會具有重要意義。

2光儲充一體化公交充電站建設的必要性

2.1現有充電站面臨的問題

自2015年至2019年，北京地區共建成公交充電站130余座，總需求容量超過500MVA，年度總用電量已超3.2億kWh。在項目建設過程中，暴露出3方面痛點問題，急需研究解決。一是公交充電負荷存在短時長、負荷大、頻次多、峰谷顯著等特點，對電網造成大電流沖擊；二是新站選址建設中，局部電網難以支撐30%以上的站點用電需求；三是已建設投運公交充電站中，仍存在約25%的容量缺口，供需滿足率較低，對新能源車的推廣造成一定的掣肘。

2.2現有充電網絡面臨的挑戰

公交充電站是城市重要的基礎設施，其規劃建設是否合理直接影響到城市交通體系的運行和電動公交產業的發展，大量電動汽車充電基礎網絡建設對既有配電網增加容量的迫切需求，充電負荷的不連續性，大規模無序充電對電網的沖擊和影響也是未來需要解決的問題。

3光儲充一體化公交充電站的總體設計

擬選用朝陽區東*路和大魯店348路兩處公交場站作為綜合能源示范試點場站。此兩處場站為滿足充電運營需求，已建設投運260kWh/站的儲能設備，緩解了部分供電壓力，但仍存有缺口。目前在此儲能充電站的基礎上建設光伏系統和能量監控管理系統，實現并網自動化運行。并通過能量監控管理系統來實現對光伏、儲能和充電設備的智能化管理，采集設備運行數據，進行光伏、儲能能量的優化調度，實現削峰填谷，經濟用電的目標。系統整體設計方案示意如圖1所示。

3.1光儲充一體化系統架構

3.1.1智能配電柜

改造配電或儲能系統的交流母線，具備光伏并網條件。

3.1.2微網監控調度單元

安裝在智能配電柜中，通過以太網或CAN通信接口查詢各部分的狀態信息，控制光伏儲能系各部分的運行；通過局域網與監控調度*心進行雙向數據交換，接受*心的調度和管理。

圖1光儲充一體化整體設計方案示意圖

3.1.3電池儲能裝置

包括電池及其管理系統（BMS）、DC/DC模塊組和DC/AC變流器，電池及變流器容量由所在的光伏儲能系統總體參數確定。由于當前BSC可采用DC/DC+DC/AC的雙級結構，也可以采用DC/AC的單級結構；動力電池可以采用先串后并的形式也可以采用先并后串的形式。

3.1.4充電樁

在光伏儲能系統中以特殊負荷的形式出現，在給電動汽車充電時，表現為負荷的特性；當需要利用電動汽車的儲能容量參與運行時，也可以表現為電源的特性。充電樁通過CAN或以太網與MDU通信，同時還可以通過多種通信介質與電動汽車交換信息。

3.2光伏系統技術方案

分布式光伏發電系統的基本設備包括光伏電池組件、光伏方陣支架、直流匯流箱、直流配電柜、并網逆變器、交流配電柜等設備，另外還有供電系統監控裝置和環境監測裝置。其運行模式是在有太陽輻射的條件下，光伏發電系統的太陽能電池組件陣列將太陽能轉換輸出的電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成*流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯接電網來調節。其工作原理為，在光照條件下，太陽電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統輸入電壓的要求。再通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉換而來的電能貯存起來。晚上，蓄電池組為逆變器提供輸入電，通過逆變器的作用，將直流電轉換成*流電，輸送到配電柜，由配電柜的切換作用進行供電。蓄電池組的放電情況由控制器進行控制，保證蓄電池的正常使用。光伏電站系統還應有限荷保護和防雷裝置，以保護系統設備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統設備的安全使用。

3.3現狀儲能系統技術方案

現有儲能設備為100kW/260kWh，接入單側低壓母線系統中。其主要應對存在少量的容量不足的充電站建設場景，當電網側配變容量不足，儲能系統進行功率補充，滿足充電樁同時工作。

儲能系統包括智能配電、儲能蓄電池組、BMS系統、儲能變流器和儲能監控系統。變流器選型根據儲能*大輸出功率進行選擇。

BMS完成電池組的充放電管理功能，動態監測電池組的電壓，電流，溫度，自動計算SOC（荷電狀態）。

監控主機收集電池儲能單元的運行數據進行備份，顯示電池儲能單元運行的各種信息和數據，供用戶查看和判斷系統運行狀態。

電池采用磷酸鐵鋰電池，電池管理系統提供過充、過放、過流、過溫、短路保護，提供充電過程中的電壓均衡功能，具備系統運行狀態和故障報警顯示，同時能采集所有電池組的信息，通過液晶屏進行參數設置和修改，根據電池狀態調整充放電控制。儲能變流器設備采用模塊化設計，每個模塊為50kW，二個模塊并聯組成100kW儲能變流器。設備拓撲采用三電平設計，相比較于兩電平拓撲，三電平拓撲能夠提*開關頻率、轉換效率和系統穩定性，降低輸出諧波、開關損耗和變流器體積。對于新建且大量電源容量缺失的公交場站背景下，電源容量的缺口大甚至可以達到總負荷的50%以上時，這種應用場景就對電池和環境管理方面有較*的要求，儲能設備電池也可采用鈦酸鋰電池，其具有*倍率、長壽命的特點，亦可滿足電動公交充電運營多次充放需求，大量減少車輛充電對電網側的需求。

3.4能源監控管理系統技術方案

整個系統的物理架構分為3層：應用層、網絡層、感知層。主站系統結構如圖2所示。

圖2能源監控主站系統結構圖

應用層主要是提供網絡任意端上應用程序之間的接口，實現對負荷數據分析等。

網絡層負責數據透明傳輸，可實現設備運行信息、設備運行控制命令的傳輸，一般包括接入層和核心層。

感知層負責識別、采集整個系統所有設備、傳感器的運行等數據，實現儲能系統、試驗平臺、配網信息、用電信息、無功補償、諧波治理等系統和設備的監視和控制。

4光儲充一體化充電站建設應用分析

4.1減少局部配電網接入壓力

充電站通過合理設置光儲系統，充分滿足充電需求，降低局部配電網接入壓力，一方面能夠滿足電動汽車充電的總需求，另一方面能夠適應電網發展能力，保證后期充電設施發展。

4.2提升電網整體可靠性

充電站配置光伏、儲能并網運行，可實現離網儲能供電，滿足特殊長時間的電力故障搶修要求，大大提*充電站系統整體供電可靠性水平。

4.3節能*效、清潔環保

通過建設光、儲、充微網能量管理系統，公交充電站能*大化使用清潔能源，踐行綠色出行、低碳用能新發展理念。

4.4推動智能電網的發展

清潔發展，優先利用新能源，改善能源結構，基于能源網互動優勢，靈活適應各類電源發電上網和用戶多樣化用電需求，實現按需生產和調度。

5系統概述

5.1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，總結國內外的研究和生產的*進經驗，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，*天候進行數據采集分析，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*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*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。

5.2技術標準

本方案遵循的*家標準有：

本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺*2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范*5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范*6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

DL/T634.5101遠動設備及系統*5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統*5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

DL/T1864-2018型微電網監控系統技術規范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

NB/T10148-2019微電網*1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網*2部分：微電網運行導則

5.3適用場合

系統可應用于城市、*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。

5.4型號說明

5.5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1典型微電網能量管理系統組網方式

6系統功能

6.1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：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、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、充電樁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2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、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

6.1.1光伏界面

圖3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。

6.1.2儲能界面

圖4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5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6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7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8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9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10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11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12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，并展示當前電芯的較大、較小電壓、溫度值及所對應的位置。

6.1.3風電界面

圖13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。

6.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

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

6.1.5視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

6.2發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

6.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

6.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

6.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

6.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

6.7電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）*供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*分百和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*分百和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視*功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視*功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：*電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、較大值、較小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

6.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

6.9曲線查詢

應可*曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

6.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

6.11網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可*線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動*界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

6.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

6.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

6.14故障錄波

應可以*系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提*電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

6.15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*定和隨意修改。

圖29事故追憶

7硬件及其配套產品

8結語

目前的充電站建設大多單獨在空地上建設，可在充電站頂棚建光伏，但這樣的建設并不能滿足充電站的需求。目前光儲充一體化更適用于商業園、工業園、商用住宅等范圍，在屋頂上建光伏，這樣規模的光伏建設產生的能量足夠滿足充電站的使用，同時可以利用峰谷電價，減少成本。

隨著光伏業的發展，建設成本將會進一步的降低；而儲能電池，可考慮電動汽車退役下來的動力電池梯次利用，節約成本的同時，更*效的利用能源，也使電動汽車動力電池的回收有了新的解決方向，而隨著充電樁規模化的生產，有助于進一步降低建設成本。

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