風光儲式高速公路電動汽車充換電站方案設(shè)計

姚天亮 劉喬 黃巨龍

摘 要：隨著人類環(huán)保意識的提高和電池續(xù)航技術(shù)的進步，電動汽車成為將來遠距離出行的一種選擇。然而，我國充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不健全，尤其是高速公路充換電站的嚴重缺乏，嚴重阻礙了電動汽車的發(fā)展。因此，本文提出了一種利用風光儲技術(shù)的高速公路電動汽車充換電站，可解決電動汽車充電設(shè)施不健全的問題，同時還能促進可再生能源就近消納，大幅度降低風光發(fā)電的棄光率和棄風率。

關(guān)鍵詞：高速公路;風光儲;充換電站

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0174-02

0 引言

隨著能源短缺和環(huán)境污染的日益加劇，充分利用可再生能源進行發(fā)電、推廣電動汽車的使用已成為節(jié)能減排的重要手段。截止到2019年底，我國新能源發(fā)電累計裝機已達4.15億kW，占全國電源總裝機的21%，其中光伏發(fā)電裝機2.05億kW，占比10.2%，風力發(fā)電裝機2.1億kW，占比10.4%。我國新能源裝機量及發(fā)電量始終保持增長態(tài)勢，新能源發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比也在逐年提高。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年我國新能源發(fā)電量已經(jīng)達到6295億kW·h，占總發(fā)電量的8.6%。高速發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)已然成為我國能源結(jié)構(gòu)中不容忽視的一部分。然而，伴隨著新能源的高速發(fā)展，新能源限電問題成為新常態(tài)，破解就近消納的難題成為行業(yè)的長期出路。

隨著電動汽車的不斷普及，如何正確引導(dǎo)電動汽車進行合理充換電得到了越來越多的關(guān)注。加強電動洗車充換電行為的管理，不但能提高電網(wǎng)的可靠性，達到削峰填谷的目的，還能減少各類損耗和對基礎(chǔ)設(shè)備的投資[1]。

因此，如何通過創(chuàng)新供用電方式，利用電動汽車業(yè)務(wù)促進可再生能源就近消納，進而大幅度降低棄光率和棄風率成為焦點問題。研究一種既能促進電動汽車行業(yè)快速發(fā)展與全面推廣，又能就近消納可再生能源的充換電站，對于根治限電頑疾具有重要意義[2]。

針對引言所述問題，本文提出了一種利用風光儲的高速公路電動汽車充換電站，通過構(gòu)建風光儲充供用電系統(tǒng)提供充換電服務(wù)，并通過系統(tǒng)并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行實現(xiàn)充換電站可靠供電，解決可再生能源就近消納的問題。

1 風光儲式電動汽車充換電站

1.1技術(shù)分析

2019年，我國新能源汽車的年銷量突破120.6萬輛。但是，隨著電池續(xù)航技術(shù)的不斷進步，充電基礎(chǔ)設(shè)施成為電動汽車發(fā)展的主要瓶頸，特別是高速公路充換電站的嚴重缺乏，阻礙了電動汽車的廣泛普及。

首先，目前只有大城市公交樞紐和出租車集散地有小規(guī)模電動汽車充換電站，高速公路沿線缺乏大型公用電動汽車充換電站，導(dǎo)致電動汽車不能上高速公路長距離連續(xù)行駛。本文在參照高速公路上加油站和服務(wù)區(qū)建設(shè)模式，在高速公路沿線每隔一定距離建設(shè)大型電動汽車充換電站，提供快速充電和更換電池的服務(wù)，滿足電動汽車像加油站加油一樣持續(xù)行駛的需要，解決可再生能源就近消納的問題，還可兼作高速公路服務(wù)區(qū)。

其次，按照慣例，高速公路兩側(cè)風電場和光伏電站只有連接電網(wǎng)這一條電力送出消納通道，其升壓變電站只與電網(wǎng)連接。本文增加了風電場和光伏電站的電力送出消納通道，其升壓變電站還與電動汽車充換電站連接，可再生能源電站作為主供電源，電量余額上網(wǎng)，實現(xiàn)了可再生能源就近消納。

最后，常規(guī)充換電站需要從電網(wǎng)引接電力專線供電，但對于荒漠區(qū)高速公路電動汽車充換電站而言，因外接電源距離遠，造成投資巨大。本文的充換電站電源直接引自風電場和光伏電站升壓變電站，將升壓變電站連接電網(wǎng)的線路作為備用電源，只有電力不足時才從電網(wǎng)購買電力，既滿足了可靠供電要求，又節(jié)約了成本，有利于大型公用充換電站的商業(yè)化推廣。

另外，在充換電站內(nèi)配置大容量儲能裝置，提供一種大規(guī)模風-光-儲-充供用電系統(tǒng)，利用風-光-儲技術(shù)構(gòu)建，在可再生能源大發(fā)時實現(xiàn)電力的存儲，停發(fā)時釋放電力，通過“削峰填谷”為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰輔助服務(wù)，有利于增強區(qū)域電網(wǎng)接納可再生能源的能力，充換電站還能獲得調(diào)峰輔助服務(wù)補貼。

還有，傳統(tǒng)加油站和服務(wù)區(qū)屋頂未利用，本文的充換電站屋頂全部采用鋼結(jié)構(gòu)，充分利用屋頂布置屋頂式光伏，接入風光儲系統(tǒng)，體現(xiàn)了風光儲特色。

1.2工作原理

本文提出的電動汽車充換電站方案參照目前高速公路上的傳統(tǒng)加油站和服務(wù)區(qū)布置模式，在高速公路沿線每隔一定合理的距離建設(shè)大型公用電動汽車充換電站，具備充電和換電功能，滿足電動汽車快速充電和更換電池的需要。具體如下：

如圖1所示，充換電站采用風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)電網(wǎng)為充換電站提供電力，蓄電池儲能系統(tǒng)不僅可以作為儲能元件進行能量存儲，也可以作為電源為充換電站供電[3]。包括建造在高速公路兩旁的風電場和光伏電站，在高速公路沿線每隔一定合理的距離建造大型公用電動汽車充換電站，該充換電站內(nèi)設(shè)置有充電區(qū)、換電區(qū)及充換電站配電室;充電區(qū)內(nèi)布置充電樁，可為電動汽車進行充電;換電區(qū)可進行電動汽車電池更換;充換電站配電室為充電樁和換電區(qū)的蓄電池進行供電。風電場和光伏電站分別配有風電升壓站和光伏升壓站，充換電站配電室的電源分別通過風電電源線、光伏電源線和風電升壓站和光伏升壓站進行連接。同時風電升壓站和光伏升壓站的風電并網(wǎng)線路和光伏并網(wǎng)線路與電網(wǎng)連接。既為充換電站內(nèi)充電樁和換電設(shè)施提供可靠電力，又實現(xiàn)了可再生能源就地消納。

電動汽車充電會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響。在充電模式下，用戶對電動汽車的使用是個體行為，因此電動汽車的充電行為是很難進行總體調(diào)控的，只能通過用戶自發(fā)地改變行為來達到削峰填谷的目的。一般地，電網(wǎng)公司可以制定不同的電價政策或出臺一些獎勵措施來激勵用戶改變充電習慣，從而達到優(yōu)化負荷曲線形態(tài)的目的。而換電方式一般通過換電站進行，具有一定的規(guī)模效益，便于統(tǒng)一管理，電網(wǎng)公司可進行統(tǒng)籌安排。換電站可以通過調(diào)節(jié)電池的起始充電時間來達到優(yōu)化負荷曲線的目的。

電動汽車充換電站運行方式可分為并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行兩種模式[4]。

在并網(wǎng)運行模式下，在風力發(fā)電機正常運行發(fā)電并有陽光照射時，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)可同時為充電站及站用負荷供電，同時為蓄電池組儲能，將多余電力送入電網(wǎng)。

在孤網(wǎng)運行模式下，在風力發(fā)電機正常運行發(fā)電并有陽光照射時，光伏發(fā)電系統(tǒng)和風力發(fā)電系統(tǒng)其同為充電站及站用負荷供電，同時為蓄電池組儲能。

根據(jù)風速情況、光照情況、蓄電池組的SOC狀態(tài)，確定風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池組和電網(wǎng)為充電設(shè)施及站用負荷供電的方式靈活，具體模式如表1所示。

在電動汽車充換電站配置大容量儲能裝置，可再生能源大發(fā)時實現(xiàn)電力的存儲，停發(fā)時釋放電力，通過“削峰填谷”解決可再生能源發(fā)電受限問題，還能為充換電站獲得調(diào)峰輔助服務(wù)補貼。充換電站建有屋頂，屋頂上安裝頂式光伏發(fā)電裝置，該光伏發(fā)電裝置接入充換電站配電室。充換電站內(nèi)設(shè)有服務(wù)區(qū)，該服務(wù)區(qū)內(nèi)有超市和餐廳，為旅客提供便民服務(wù)。

2結(jié)論

隨著人們低碳出行意識的提高和電池續(xù)航技術(shù)的進步，電動汽車成為將來遠距離出行的一種選擇。然而，我國充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不健全，尤其是高速公路充換電站的嚴重缺乏，阻礙了電動汽車的發(fā)展。因此，本文提出了一種利用風光儲技術(shù)的高速公路電動汽車充換電站。通過在荒漠區(qū)高速公路沿線建設(shè)風電場和光伏電站以及電動汽車充換電站，充換電站屋頂布置屋頂式光伏，并且配置大容量儲能裝置，通過構(gòu)建大規(guī)模風-光-儲-充供用電系統(tǒng)結(jié)合系統(tǒng)并網(wǎng)運行和孤網(wǎng)運行，實現(xiàn)充換電站可靠供電和可再生能源就近消納，大幅度降低風光發(fā)電的棄光率和棄風率。

參考文獻

[1] 許雯榕.考慮電動汽車充電特性的負荷優(yōu)化管理及激勵措施研究[D].北京：華北電力大學，2015.

[2] 李瀟瀟，趙子青，李悅悅，等.高速公路光儲式換電站的分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（7）：165.

[3] 姚天亮，劉喬，李志偉，等.一種利用風光儲技術(shù)的高速公路電動汽車充換電站[P].中國專利：CN209719292U，2019-12-03.

[4] 武國良，張明江，于海洋，等.風光儲式電動汽車充電站運行模式研究[J].供用電，2017（4）：24-28.