電動汽車太陽能充電站系統(tǒng)設計

李松 楊洪 劉嘉琦 張浩

摘 要：提出一種現(xiàn)代化、功能完備的超級太陽能充電站系統(tǒng)方案。設計太陽能發(fā)電功率100KW，同時配備儲能、并網(wǎng)等功能。在太陽能充電站中配備多臺交、直流充電樁，為充電站擴容預留直流充電樁接口。

關鍵詞：太陽能充電站；電動汽車；交流母線；光伏發(fā)電

1.概述

為響應國家新能源號召政策，設計建設現(xiàn)代化、功能完備的超級太陽能充電站。該項目太陽能發(fā)電功率100kW，同時充電站還配備儲能、并網(wǎng)等功能。在太陽能充電站中配備多臺交、直流充電樁，為充電站擴容預留直流充電樁接口。該項目的建成定會帶來良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2.系統(tǒng)總體設計

整個系統(tǒng)基于交流母線的工作形式。光伏發(fā)電組件作為主要的能量來源，可直接提供給負載使用，或者為蓄電池儲能，同時還可并網(wǎng)為電網(wǎng)饋電。當光伏組件無法正常工作時，系統(tǒng)能源可由儲能電池或電網(wǎng)提供。還可依據(jù)電網(wǎng)波峰波谷狀態(tài)調(diào)整功率輸入輸出。此系統(tǒng)完全使用智能化管理模式，可以實現(xiàn)無人值守電站。

超級太陽能充電站由多個分系統(tǒng)組成，其整個分布構成圖可由下圖1所示：

太陽能充電站系統(tǒng)主要由光伏分系統(tǒng)、儲能分系統(tǒng)、功率變換與配電分系統(tǒng)、監(jiān)控管理分系統(tǒng)、充電分系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)運行流程圖如圖2所示：

2.1 系統(tǒng)運行模式

該太陽能充電站系統(tǒng)的運行流程分為以下3種模式，分別為：

（1）電動汽車充電模式

a.充電站內(nèi)有電動汽車充電狀態(tài)下，根據(jù)負荷功率大小，優(yōu)先利用太陽能光伏發(fā)電，向電動汽車提供電能供給；

b.若負荷功率較大，則協(xié)調(diào)儲能電池分系統(tǒng)，增大電能供給；

c.負荷功率缺口部分由電網(wǎng)提供。

（2）光伏陣列發(fā)電模式

a.充電站內(nèi)無電動汽車充電狀態(tài)下，根據(jù)儲能電池SOC荷電狀態(tài)，優(yōu)先利用太陽能光伏發(fā)電，向儲能電池儲能；

b.若儲能電池處于滿電狀態(tài)，則將光伏發(fā)電能量輸送給電網(wǎng)。

（3）儲能電池饋電模式

a.充電站內(nèi)無電動汽車充電狀態(tài)下，根據(jù)工業(yè)用電波峰波谷電時價差，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)儲能和向電網(wǎng)饋電的能量交互。

3.分系統(tǒng)設計

3.1光伏發(fā)電分系統(tǒng)

太陽能電池板作為充電站主要能量來源，在設計時應考慮經(jīng)緯度、光照強度等各種因素，設計光伏組件串聯(lián)數(shù)量為20塊。由于總功率要求為100KW，則需要20組光伏組串進行并聯(lián)，共需組件400塊。

本項目采用固定式安裝。固定式結構簡單，安全可靠，安裝調(diào)試及管理維護都很方便。同時為防止局部陰影遮蔽導致太陽電池成為系統(tǒng)負載出現(xiàn)“熱斑效應”，太陽電池并聯(lián)反向旁路二極管。

3.2儲能分系統(tǒng)

太陽能充電站每天主要使用負載為交流充電樁及一些常規(guī)交流負載，所以提供電壓為220VAC，每臺交流充電樁額定功率為7KW，每天額定工作8小時，鄭州最長連續(xù)陰雨天為2天，可估算蓄電池容量B。

其中A為安全系數(shù)，通常取1.1～1.4之間；QL為負載日平均消耗電量，即工作電流乘以日工作小時數(shù)；NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，T0為蓄電池充電溫度修正系數(shù)，DOD為蓄電池放電深度。

按目前充電站設計，平均每天有6個樁體工作，每天工作8小時，平均理論需要耗電74度電（42×8×220=74kWh），加上損耗、轉換效率等，約需要100度電，所以儲能電池組設計方案足以滿足充電站在太陽能電池板無法工作的孤島狀態(tài)下運行2天。

3.3功率變換與配電分系統(tǒng)

系統(tǒng)依據(jù)交流母線的工作情況，適時調(diào)整儲能變流器的工作狀態(tài)，完成光伏組件產(chǎn)生電能的存儲以及和外部電網(wǎng)的互動。功率變換設備在設計選擇時考慮發(fā)電站額定功率為100KW的原則，且每個功率變換設備都需要單獨運行，需滿足發(fā)電站額定功率的需要。

3.4充電分系統(tǒng)

目前根據(jù)充電站功率配置情況，考慮在充電站中配備交流充電樁和直流充電樁兩種規(guī)格。方案中均采用落地式柜體設計。

方案設計在充電站中建設10臺交流充電樁，設定平均每天充電樁使用率為60%，且每天工作8小時，充電機平均消耗功率為2.5kW，則每天消耗電能為2.5×8×6=120kWh，每臺交流充電樁消耗20 kWh，算上損耗約為130kWh。按照方案前面光伏組件仿真估計，額定功率100kW系統(tǒng)平均每天可發(fā)電340度，可滿足交流充電樁供電需求。

直流充電樁設計功率為70kW，假定每天工作5小時，每天耗電350度。光伏系統(tǒng)發(fā)電和儲能電池能夠提供電能供直流充電樁樁使用，若負荷功率較大，還可通過電網(wǎng)補充電能。

3.5監(jiān)控管理分系統(tǒng)

監(jiān)控管理平臺對充電站中每一分系統(tǒng)設備都能夠?qū)崟r監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、智能管理，還能通過后臺終端服務器進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，盈利結算等。該平臺設計時預留擴容接口，可選配數(shù)據(jù)服務器、多站通信等功能，如圖3所示。

4.設備布置方案

根據(jù)現(xiàn)場實地用地規(guī)劃，對設備放置和安裝做了如下設計。場地主要分為三個部分，太陽能陣列、功率設備室和電池存儲室。形式如下圖4所示。

太陽能電池陣列部分包括太陽能電池板，支撐鋼架，交流充電樁和直流充電樁。太陽能電池陣列分5組南北向排列，共400塊太陽能電池板，粗略估算需要長72m，寬11m的用地面積。交流充電樁和直流充電樁分列在太陽能電池板下。

根據(jù)仿真計算情況，陣列采用光伏車棚的鋪設方式，既可以利用車棚頂鋪設光伏組件發(fā)電，下方還可以作為充電站及停車位使用，具體鋪設形式采用圓弧設計，見下圖5：

布置規(guī)劃大致為以上方案，設備放置和安裝位置可按方案進行。在每個設備下面需挖線纜溝槽，以備鋪設線纜。同時還需鋪設專業(yè)地線和增加防雷設備，線纜的設計和鋪設根據(jù)行業(yè)要求，需要有專業(yè)資質(zhì)的專業(yè)人員進行設計、施工和驗收。

5.結束語

該項目是將電動汽車充電站與太陽能發(fā)電站有機結合，實現(xiàn)真正意義的綠色交通，具有很高的參考價值和示范作用。相信隨著新能源產(chǎn)業(yè)與電動汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，太陽能充電站的發(fā)展前景也更加美好。

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