浅谈公交光储充一体化充电站设计

孟新元18721502664

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：在以往电动汽车充电站的建设中，主要是以电网为*导。光储充一体化解决方案，将能够解决在有限

的土地资源里配电网的问题，通过能量存储和优化配置实现本地能源生产与用能负荷基本平衡，可根据需要

与公共电网灵活互动且相对独立运行，尽可能的使用新能源，缓解了充电桩用电对电网的冲击，在能耗方

面，直接使用储能电池给动力电池充电，提高了能源转换效率。

关键词：公交充电站；储能系统；光伏系统；充电可靠性；能源监控管理

1研究背景

“新基建”是服务于*家长远发展和“两个强国”建设战略需求，以技术、产业驱动，具备集约*效、经济适用、智能绿色、安全可靠特征的一系列现代化基础设施体系的总称。电动汽车充电服务设施是“新基建”中一大领域，加速推进城市公交、市政环卫等公共领域运输作业车辆新能源化，加快新能源汽车充电桩在北京建设布局，作为“十四五”产业动力新引擎、助力数字经济发展、构建智慧和谐社会具有重要意义。通过汽车充电网的智能*度，完全能够实现电网的削峰填谷，让电网更加的柔性化，其中*大的价值在于新能源汽车实现把夜晚低谷的弃风、弃光、弃水的电储存在汽车里带到*峰期使用，即解决了上游的新能源供应，又解决了下游的消纳。近年来，党*央、国务院*度重视新型基础设施的建设。以“新基建”为牵引，夯实经济社会*质量发展的“底座”“基石”，对于发动“十四五”产业动力新引擎、助力数字经济发展、构建智慧和谐社会具有重要意义。

2光储充一体化公交充电站建设的必要性

2.1现有充电站面临的问题

自2015年至2019年，北京地区共建成公交充电站130余座，总需求容量超过500MVA，年度总用电量已超3.2亿kWh。在项目建设过程中，暴露出3方面痛点问题，急需研究解决。一是公交充电负荷存在短时长、负荷大、频次多、峰谷显著等特点，对电网造成大电流冲击；二是新站选址建设中，局部电网难以支撑30%以上的站点用电需求；三是已建设投运公交充电站中，仍存在约25%的容量缺口，供需满足率较低，对新能源车的推广造成一定的掣肘。

2.2现有充电网络面临的挑战

公交充电站是城市重要的基础设施，其规划建设是否合理直接影响到城市交通体系的运行和电动公交产业的发展，大量电动汽车充电基础网络建设对既有配电网增加容量的迫切需求，充电负荷的不连续性，大规模无序充电对电网的冲击和影响也是未来需要解决的问题。

3光储充一体化公交充电站的总体设计

拟选用朝阳区东*路和大鲁店348路两处公交场站作为综合能源示范试点场站。此两处场站为满足充电运营需求，已建设投运260kWh/站的储能设备，缓解了部分供电压力，但仍存有缺口。目前在此储能充电站的基础上建设光伏系统和能量监控管理系统，实现并网自动化运行。并通过能量监控管理系统来实现对光伏、储能和充电设备的智能化管理，采集设备运行数据，进行光伏、储能能量的优化调度，实现削峰填谷，经济用电的目标。系统整体设计方案示意如图1所示。

3.1光储充一体化系统架构

3.1.1智能配电柜

改造配电或储能系统的交流母线，具备光伏并网条件。

3.1.2微网监控调度单元

安装在智能配电柜中，通过以太网或CAN通信接口查询各部分的状态信息，控制光伏储能系各部分的运行；通过局域网与监控调度*心进行双向数据交换，接受*心的调度和管理。

图1光储充一体化整体设计方案示意图

3.1.3电池储能装置

包括电池及其管理系统（BMS）、DC/DC模块组和DC/AC变流器，电池及变流器容量由所在的光伏储能系统总体参数确定。由于当前BSC可采用DC/DC+DC/AC的双级结构，也可以采用DC/AC的单级结构；动力电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充电桩

在光伏储能系统中以特殊负荷的形式出现，在给电动汽车充电时，表现为负荷的特性；当需要利用电动汽车的储能容量参与运行时，也可以表现为电源的特性。充电桩通过CAN或以太网与MDU通信，同时还可以通过多种通信介质与电动汽车交换信息。

3.2光伏系统技术方案

分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成*流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。其工作原理为，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成*流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

3.3现状储能系统技术方案

现有储能设备为100kW/260kWh，接入单侧低压母线系统中。其主要应对存在少量的容量不足的充电站建设场景，当电网侧配变容量不足，储能系统进行功率补充，满足充电桩同时工作。

储能系统包括智能配电、储能蓄电池组、BMS系统、储能变流器和储能监控系统。变流器选型根据储能*大输出功率进行选择。

BMS完成电池组的充放电管理功能，动态监测电池组的电压，电流，温度，自动计算SOC（荷电状态）。

监控主机收集电池储能单元的运行数据进行备份，显示电池储能单元运行的各种信息和数据，供用户查看和判断系统运行状态。

电池采用磷酸铁锂电池，电池管理系统提供过充、过放、过流、过温、短路保护，提供充电过程中的电压均衡功能，具备系统运行状态和故障报警显示，同时能采集所有电池组的信息，通过液晶屏进行参数设置和修改，根据电池状态调整充放电控制。储能变流器设备采用模块化设计，每个模块为50kW，二个模块并联组成100kW储能变流器。设备拓扑采用三电平设计，相比较于两电平拓扑，三电平拓扑能够提*开关频率、转换效率和系统稳定性，降低输出谐波、开关损耗和变流器体积。对于新建且大量电源容量缺失的公交场站背景下，电源容量的缺口大甚至可以达到总负荷的50%以上时，这种应用场景就对电池和环境管理方面有较*的要求，储能设备电池也可采用钛酸锂电池，其具有*倍率、长寿命的特点，亦可满足电动公交充电运营多次充放需求，大量减少车辆充电对电网侧的需求。

3.4能源监控管理系统技术方案

整个系统的物理架构分为3层：应用层、网络层、感知层。主站系统结构如图2所示。

图2能源监控主站系统结构图

应用层主要是提供网络任意端上应用程序之间的接口，实现对负荷数据分析等。

网络层负责数据透明传输，可实现设备运行信息、设备运行控制命令的传输，一般包括接入层和核心层。

感知层负责识别、采集整个系统所有设备、传感器的运行等数据，实现储能系统、试验平台、配网信息、用电信息、无功补偿、谐波治理等系统和设备的监视和控制。

4光储充一体化充电站建设应用分析

4.1减少局部配电网接入压力

充电站通过合理设置光储系统，充分满足充电需求，降低局部配电网接入压力，一方面能够满足电动汽车充电的总需求，另一方面能够适应电网发展能力，保证后期充电设施发展。

4.2提升电网整体可靠性

充电站配置光伏、储能并网运行，可实现离网储能供电，满足特殊长时间的电力故障抢修要求，大大提*充电站系统整体供电可靠性水平。

4.3节能*效、清洁环保

通过建设光、储、充微网能量管理系统，公交充电站能*大化使用清洁能源，践行绿色出行、低碳用能新发展理念。

4.4推动智能电网的发展

清洁发展，优先利用新能源，改善能源结构，基于能源网互动优势，灵活适应各类电源发电上网和用户多样化用电需求，实现按需生产和调度。

5系统概述

5.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的*进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，*天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统*安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，提升可再生能源应用，提*电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提*电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统*物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.2技术标准

本方案遵循的*家标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台*2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范*5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范*6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统*5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统*5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网*1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网*2部分：微电网运行导则

5.3适用场合

系统可应用于城市、*速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.4型号说明

5.5系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

6系统功能

6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

6.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的较大、较小电压、温度值及所对应的位置。

6.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

6.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

6.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

6.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

6.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

6.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

6.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

6.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）*供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*分百和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视*功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视*功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：*电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、较大值、较小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

6.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

6.9曲线查询

应可*曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

6.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

6.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可*线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动*界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

6.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

6.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

6.14故障录波

应可以*系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提*电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

6.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户*定和随意修改。

图29事故追忆

7硬件及其配套产品

8结语

目前的充电站建设大多单独在空地上建设，可在充电站顶棚建光伏，但这样的建设并不能完全满足充电站的需求。目前光储充一体化更适用于商业园、工业园、商用住宅等范围，在屋顶上建光伏，这样规模的光伏建设产生的能量足够满足充电站的使用，同时可以利用峰谷电价，减少成本。

随着光伏业的发展，建设成本将会进一步的降低；而储能电池，可考虑电动汽车退役下来的动力电池梯次利用，节约成本的同时，更*效的利用能源，也使电动汽车动力电池的回收有了新的解决方向，而随着充电桩规模化的生产，有助于进一步降低建设成本。