光储充一体化系统方案

1. 前言

光-储-充一体化系统是指运用微电网技术，将一定区域内分散的小型发电单元（分布式电源）、储能装置以及电动汽车充电桩组合起来，形成的发、配、用、管理，综合一体化系统。它可以与常规电网并网运行，也可以独立运行。微电网技术，被称为新能源技术的“最后一公里”，它不仅具备新能源发电无污染，可持续，绿色环保的优点，同时弥补了新能源发电不稳定，电能质量低以及需要昂贵输配电网配合的缺点，结合电动汽车充电功能，能够完美的解决新能源发电在发电端，用户端和电网端的需求矛盾。

随着新能源电动汽车在国内的快速发展，特别在近几年已呈现井喷之势，面对电动汽车车带来的用电冲击，更好的为各大运输企业提供完善的配套服务，已成为影响未来企业发展的重要问题。

充电站的车位，可以用来建造既具备美观又具有实际价值的车棚，为太阳能发电设备的安装提供了得天独厚的条件，配合电池储能系统对太阳能发电进行调节，辅以微电网控制系统对电网，光伏发电，充电桩和储能系统的统一管理，不仅能够实现新能源发电，充电桩给新能源汽车提供充电服务，并且可以利用储能进行削峰填谷进行创收，同时可以利用微电网系统实现更多的功能价值的实现。

 

 

2. 系统方案总体设计

2.1 项目概况

通过使用先进的微电网和储能技术，结合光伏新能源和新能源电动汽车的使用特点，根据客户需求，建设一座综合化，智能化的光-储-充一体化新能源系统，光伏组件安装于光伏车棚上，根据车棚的面积，初步拟建设光伏发电的装机容量约为100KWp，储能蓄电池的标称容量为129KWh，电动汽车充电桩是4个车位，安装2个直流快速充电桩120KW充电桩。 

2.2 系统方案总体设计

光储充一体化方案的系统原理图如下：

图1 光储充一体化方案的系统原理图

光储充一体化系统，包括四部分，光伏部分，储能部分，充电桩部分，能量管理部分。

其中光伏部分的能量转换部分、储能部分和能量管理部分放置于集装箱中，采用集装箱整体交付，可以提前在供应产家集成调试，以便于现场实施，具备施工快速，配线距离短、维护方便等多项优点，同时也契合快速布置，分批建设的思路。

2.3 系统方案工作原理

本项目为光储充一体化系统，系统采用直流母线和交流母线的系统方案。光储部分采用直流母线，光储-电网-充电桩采用交流母线。

光储充一体化系统的工作模式为：

光储充一体化系统的供能有三个：电网，光伏，储能。一体化系统将根据实际需求，确保供电安全稳定的基础上，优先使用光伏电能，其次是储能，最后是电网供电。

当电网可供电时

如果光伏可发电，光伏组件通过直流变换器转换为可控的最大功率直流电，首先给蓄电池充电，蓄电池充满后，再通过PCS转换为380V交流电并网运行，光伏发电实现自发自用，与电网共同为负荷供电。优先使用光伏电能，其次是储能，最后是电网供电。

当电网不可供电时

如果光伏可发电，光伏组件通过直流变换器转换为可控的最大功率直流电，再通过PCS转换为380V的交流电，给负荷供电。当光伏发电的功率大于负荷功率，多余的电能储存到蓄电池中。当光伏发电的功率不足时，蓄电池放电，蓄电池与光伏并入直流母线，通过PCS共同给负荷供电。

光伏、储能、电网按照上述逻辑进行供电，由能量管理系统（EMS）的控制实现，确保负荷的连续最优供电。

2.4 系统功能介绍

光储充一体化系统在满足充电的同时，还具备微电网的 5 大主要功能：

（1）光伏发电自发自用

微电网是动态发电系统，具备实时监控内部太阳能发电，微电网储电，负荷用电以及电网馈电/取电的能力。对光伏发电和负载的变化能实时监测并做出相应的动作。当光伏发电功率大于负荷用电功率时，会立刻将多余能量存入电池，而当光伏发电小于负荷，或没有光伏发电时，则能够将存储的电能释放出来供负载使用，从而让光伏发电最大限度的被本地负荷使用而不是馈入电网。即提高了光伏发电系统的自发自用率，又减轻了对电网的冲击。

（2）电网削峰填谷，降低峰时电费

系统可根据物流园现有的用电峰、平、谷时段和电价灵活设置，在电价低谷时将能量储存入电池，在电价高峰时使用，降低企业的峰时电费支出，同时对有变压器容量限制的企业也可提供用电支持。

（3）停电应急备用

当电网停电时，系统可以脱离电网独立给负荷供电，系统可接入一定数量的应急负荷，这些负荷可在电网停电时通过储能设备供电，为用户提供必要应急的供电保障，应急通信和必要的基本用电，提高系统的能源安全性。

（4）新能源汽车充电优化

在新能源汽车集中充电时，通过储能系统自动平滑其带来的电力冲击，稳定充电场站整体电能质量。

（5）智能用电和计费管理

对新能源发电，储能，充电负载用电以及对电网的卖电和用电进行实时功率监控和统计分析，使用互联网，云计算等方法，让用户可通过网页和智能手机 APP 的方式，随时了解充电场站的整体能源使用情况。另外，创新性的将电动汽车车辆管理，充电管理和计费系统进行整合，使平台具备售电和服务功能。

 

3.系统方案详细设计

3.1 系统方案配置

整个系统由光伏发电部分，储能部分，充电桩组成。其中，光伏发电部分拟安装100KWp，储能的装机容量约为120KWh，充电桩预计4个车位，2个充电桩。

3.2 光伏发电系统

光伏发电部分，通过与车棚的结合，采用光伏车棚的新型节能环保车棚，既可以实现车棚的遮阳挡雨的功效，也可以安装光伏组件，实现新能源发电。

光伏车棚的效果图

光伏车棚具有1）造型美观。光伏板替代了传统车棚的膜结构钢顶，蓝色的光伏电板在阳光下熠熠生辉,增添了一道亮丽的风景。2）实用性强。不仅能防止车子被日晒雨淋，还可以提供源源不断的绿色电力供新能源汽车充电、企业用电等。3）节能环保。利用太阳能发电，无排放、无噪音、无污染，是绿色环保的清洁能源。4）成本较低。每平方米成本较低，包含钢结构、光伏系统等的全部工程，与普通膜结构车棚相比，每平方米虽然增加了成本，而所增加的成本，则可以通过售电或自用进行回收。5）长期收益。光伏车棚系统持续30年发电，收回成本后就可以享受光伏车棚所带来的纯收益了。

由于光伏车棚需要结合桩位来布置，所以不便做成很大的单个面积。实际工程中会根据桩位的布置情况，分为多个光伏车棚。

本项目的总装机容量约为100KWp，采用主流的晶硅组件，光伏组件输出的直流电直接接入直流双向变换器，50KW一个模块，可以提供多路MPPT，适用于光伏车棚的布置分散，朝向不一致的特点，确保发电量最大，收益最优。

实际光伏车棚的设计和光伏组件的排布等准确数据和图纸，待实际工程实施再具体确认。

3.3 储能系统

储能系统采用储能集装箱产品形态交付，可以提前在供应产家集成调试，以便于现场实施，具备施工快速，配线距离短、维护方便等多项优点，同时也契合快速布置，分批建设的思路。

集装箱式储能装置是为工商业储能、电网储能、以及数据机房等应用而开发的产品。储能装置作为储能系统中电网与电池之间的功率变换装置，能实现电网与电池组间的能量双向交换，用于电网的“削峰填谷”、调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性，并作为重要部门和重要设施的应急电源及备用电源等。本装置可用于新能源电站、电动汽车充换电站、城市储能电站和微网储能等场合，具有良好的应用前景。

本项目的储能系统装机容量为175KWh，400VAC并网/供电，与光伏发电部分采用直流母线的方式，与充电桩采用交流母线的系统方案。

储能系统和光伏系统中的电气变换部分集成于1个集装箱，该集装箱包含1台150KW的储能变流器（PCS），2套64.5KWh磷酸铁锂蓄电池，1台能量管理系统，1台15尺集装箱、消防系统、环控系统及其他配套等组成。

3.3.1 储能变流器

本项目的PCS采用150KW储能变流器

图2储能变流器的电路框图

 

相关技术参数如下：

3.3.2 蓄电池（磷酸铁锂）

本项目的蓄电池采用3.2V /120Ah磷酸铁锂电芯。先将电芯单体组成电池模块；然后再将模块组成电池柜。

（1）电芯技术参数

单体电池参数如下表：

（2）电池箱技术参数

电箱的设计是进行电池串联设计，根据电箱的尺寸和所选的电芯，电箱以2并12串的方式成组，串联后电箱为1P24S，电压为76.8V，具体参数如下所示：

（3）高压盒技术参数

电池簇的高压盒内针对接入的电池模组数量进行精心设计，拥有控制器件、保险丝和明 显的断电器件，拥有故障告警、故障保护、安全保护等功能，确保电池电气安全，同时拥有 急停功能和在检修时能逐级断开系统的功能。专用直流开关均考虑高海拔对开关断流和耐压 的影响。电池簇高压控制盒内配置总正接触器、总负接触器、预充回路、熔断器、塑壳断路 器等，所有接触器应能接受电池管理系统控制。

图3         高压盒

高压控制盒内置双路继电器、断路器、快速熔断器。在电池簇总正和总负回路各装备一个继电器，确保BMS 紧急切断指令下，充电时或放电时都可安全快速地切断电池簇的带电回路，保证电池簇安全；断路器在紧急情况下及后期维护时，可直接手动将断开，起到开关回路的作用，拥有较好简便性和安全性；快速熔断器可确保电池簇回路发生短路或大电流时快速切断地回路，保证电池簇安全。

（4）电池柜技术参数

电池柜由多个电池模组和1个高压盒组成。

电池簇的高压盒内针对接入的电池模组数量进行精心设计，拥有控制器件、保险丝和明显的断电器件，拥有故障告警、故障保护、安全保护等功能，确保电池电气安全，同时拥有急停功能和在检修时能逐级断开系统的功能。专用直流开关均考虑高海拔对开关断流和耐压的影响。

图4  电池柜示意图

电池柜参数

序号	名称	规格	备注
1	组合方式	1P24S7S
2	标称容量	120Ah@0.5C,25℃
3	标称电压	537.6V
4	工作电压范围	470.4~571.2V
5	最大持续充电倍率	1C@25℃	120A
6	最大持续放电倍率	1C@25℃	120A
7	重量	~800kg
8	能量	~64.5kWh
9	绝缘标准	电池箱绝缘电阻≥500MΩ(1000VDC)	参考GB36276-2018
10	耐压标准	2830VDC，无击穿现象，漏电流＜20mA
11	单体最大充电电压	3.65V	任一只电芯
12	单体最小放电电压	2.5V	任一只电芯
13	放电过流保护电流	150A@5S
14	充电高温保护	45℃	电池模组内电池温度
15	放电高温保护	50℃
16	充电低温保护	0℃
17	放电低温保护	-20℃
18	电池架尺寸	1086mm(W)*662mm(D)*2283.5mm(H)	±5mm，不含接插件

 

3.3.3 直流变换器（DC-DC）

本项目中，通过采用直流变换器（DC-DC）来实现光伏组件到直流母线的直流变换，实现最大功率的跟踪。选用直流变换器，采用模块化机型。单模块额定功率为50kW。可根据实际需求，通过调整模块数量来获得需要的额定功率。直流变换器中模块输入独立分别接入光伏组件，输出并联1路输出。

图5         直流变换器原理示意图

相关技术参数如下：

模块数量	2
电气参数
额定功率	200kW
最大功率	220kW
光伏接入	支持
MPPT数量	4路
MPPT电压范围	450V~850V
最大工作电流	440A
系统参数
最高效率	0.99
电压精度	0.01
电流精度	0.01
支持电池	多种
防护等级	IP21
满载海拔	3000m
相对湿度	95%无凝露
BMS接口	具备
用户界面	触摸屏
通信	RS485/CAN/Ethernet
保护参数
输入断路器	具备
输出断路器	具备
隔离方式	非隔离
冷却方式	风冷
其他
接线方式	下进下出
重量(Kg)	360+26*4
尺寸(mm)	600*725*2200

3.3.4 EMS能量管理系统

EMS能量管理系统的核心部件是EMS控制器，集成了不间断供电、电站数据通讯采集和运行控制、电站数据和运行状态可在本地显示屏显示、电站数据远程上传等功能；主要用于各种容量的储能电站、光储充一体化电站的应用场合。规格参数如下表：

 

3.4 充电系统

3.4.1 充电站概况

本充电桩终端产品。目前该项目选用2台120kW一体式双枪直流充电桩可满足4个车位同时充电。

3.4.2 一体式直流充电桩产品介绍

（1）一体式直流充电桩产品（图略）

 

（2）一体式直流充电桩产品特点

1.                      安装便捷：采用一体式设计，便于安装；

2.                      宽电压范围：输出电压范围DC200-750V；

3.                      人机交互界面：可显示提示信息，充电信息，充电金额、告警信息等，方便客户操作；

4.                      计量精度：采用1.0级，准确的计量充电电量；

5.                      多种支付方式：支持微信支付，IC卡支付等；

6.                      多模式充电方式：支持自动充满、按电量充电、按金额充电、按时间充电；

7.                      远程升级功能：支持远程启停、远程升级、远程设置费率的功能；

8.                      保护功能齐全：充电桩设备具有过流保护、漏电保护、雷击浪涌保护、过压保护、欠压保护、；

9.                      通讯方式多样：支持以太网、无线3G、无线4G通讯，上传充电信息以及故障信息。

10.                      机箱安全防护：设备支持360度防撞设计，当设备发生撞击倾斜30度时，自动断电；

11.                      模块化设计：功率模块采用模块化设计，即插即用支持扩容，散热风扇模块化，便于维护；

12.                      门禁开关设计：箱体柜门被打开时，系统告警提示，保证人身安全；

13.                      辅助电源切换：支持12V和24V屏幕切换；

14.                      高低压隔离设计：高压部分与低压部分进行了隔离，既起到安全保护又能方便维护。

15.                      节能设计：当设备处于待机状态时，模块待机功耗为0，降低整机待机功耗；

16.                      防尘设计：：“Z”字型防尘网设计，可有效的防止灰尘的进入；

17.                      防反灌设计：充电桩设备检测到电池反接时，自动保护；

18.                      急停保护设计：紧急情况下断开输入和输出，保护人身及设备安全；

19.                      高防护等级：设备防护等级IP54，满足户外使用要求；

20.                      接地设计：机箱外部设有专用接地位置，方便机箱二次接地；

21.                      三孔插座设计：机箱内部设计有三孔插座，升级维护取电方便；

22.                      双枪同充功能：支持双枪同时给一台车充电，实现大功率快充；

23.                      功率智能分配：单枪可满功率输出，双枪可功率均分同时输出；

（3）技术参数表

一体式直流充电桩产品技术参数表

（4）一体式直流充电桩使用说明

1）连接充电枪：按照显示屏界面提示，将充电插头接入到充电车辆的直流充电接口，选择触摸屏上面对应的充电枪（A枪或B枪）

2）充电方式的选择：1、手机扫码充电；2、刷卡启动充电；选择任意一种充电方式启动充电；

3）自动充电：选择充电方式后，充电机自动开始充电，待充电完成后显示屏显示相关信息付费结算；

5）充电结束：刷卡结算后，根据屏幕提示拔下充电枪，完成充电过程；

 

（5）一体式直流充电桩安装维护说明

（一）充电桩安装

1）直流充电桩桩体底部应固定安装在高于地面不小于200mm的基座上；

2）充电桩外壳应可靠接地；

3）充电桩内配备电源输入接线端子，输入接线应可靠连接；

4）安装基座图。

（二 ）充电桩维护

1）具有本地和远程参数设置功能。可通过管理卡、后台服务器设置相关信息；

2）通过费率配置卡或手持设备可设置各种可变动、可调设的参数，同时可以查看充电桩的充电记录及历史告警记录。