儲(chǔ)能與充電樁相結(jié)合的方案研究

梁建賓，王星，趙中良，李小萌

（中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司，河南鄭州450000；2.國網(wǎng)鄭州供電公司，河南鄭州，450000）

0 引言

2020年5月，199IT互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中國充電聯(lián)盟文章顯示，截止2020年5月公共充電基礎(chǔ)設(shè)施達(dá)到55.1萬臺(tái)，其中充電樁建設(shè)主要分布在廣東、江蘇、陜西等；依據(jù)國家汽車發(fā)展戰(zhàn)略，大力推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，為此海南省第一個(gè)提出2025年前后適時(shí)啟動(dòng)燃油汽車進(jìn)島管控計(jì)劃，充電汽車電力需求的發(fā)展也將帶動(dòng)電力需求邁進(jìn)新的階段。按照充電樁配電設(shè)計(jì)，設(shè)置充電站無功補(bǔ)償功率因數(shù)COSψ取值0.95，變電站最佳負(fù)載率取值0.8；充電機(jī)同時(shí)率取值0.5～0.8，充電樁容量與配電容量比例為（1.52～0.95）：1。

根據(jù)目前乘用車及貨運(yùn)車輛的電動(dòng)化率，各城市及郊區(qū)需建設(shè)大量充電樁設(shè)施滿足用電需求。以鄭州為例，2020年，鄭州市汽車保有量突破400萬量，按目前每年更新27萬輛計(jì)入，鄭州市需每年新增約1.2萬條樁，且汽車多分布在市區(qū)、縣域中心區(qū)域，因此1.2萬條充電樁按30KW接入計(jì)算約需求變電容量360MW，按變電站3×63 MVA約每年新增2座，考慮到逐年需新增容量，是否考慮通過一種新的技術(shù)方案解決變電站征地困難，解決變電站重過載問題，本文提出一種采用儲(chǔ)能與變電站結(jié)合的技術(shù)方案，從而減少征地、降低變電站負(fù)載，增強(qiáng)原有變電站使用率的一種新模式[1]。

1 充電樁發(fā)展中的問題

1.1 充電樁容量需求

充電樁布置目前分兩種方式，一種采用分散式布局，如一機(jī)兩槍，單槍可選直流30kW、60kW，交流7kW；另一種采用集中式充電堆，可選擇630kW、800kW等。根據(jù)目前城市建設(shè)，單處布置總?cè)萘考s630～7000KW不等，考慮大型充電樁布置，本文分析在大型充電樁布局時(shí)對(duì)變電站負(fù)載率的沖擊情況。按照80條槍40個(gè)樁布局，新增充電容量3200kW，需求配電容量按同時(shí)率0.5計(jì)入，約需求2105KW，若變電站周邊有4處大型充電樁，則新增容量為8.42MW，若3臺(tái)63MW變電站新增負(fù)載為4.46%，若兩臺(tái)時(shí)新增負(fù)載為6.7%。因此對(duì)于負(fù)載率80%左右的變電站，充電樁的沖擊負(fù)荷對(duì)變電站影響較大。

1.2 變電站增容難

對(duì)于變電站而言，主要存在三個(gè)主要問題，一變電站征地難，目前市區(qū)內(nèi)居民用電及商業(yè)用電比重越來多高，但城市內(nèi)變電站用地稀缺，且變電站征地考慮到周邊民事協(xié)調(diào)，選址后落地難度大；二變電站進(jìn)出線通道難，目前市區(qū)內(nèi)多為電纜通道，且現(xiàn)有道路兩側(cè)管線布局較密，有通道位置存在民房待拆除，協(xié)調(diào)難度大；三變電站建設(shè)成本費(fèi)用劇增，現(xiàn)有可利用多為地面綠地，若建設(shè)地下變電站其費(fèi)用相對(duì)地上呈幾何級(jí)上漲。因此考慮在不增加變電站布點(diǎn)的情況下通過儲(chǔ)能方式轉(zhuǎn)移新增容量及解決電力需求問題。

2 儲(chǔ)能的應(yīng)用情況

儲(chǔ)能中電感和電容是常見且易于存放的儲(chǔ)能方式，其工作原理在于將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，然后在需要的時(shí)候?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成電能使用，常見的多為磷酸鐵鋰、三元鋰；其接入電壓等級(jí)有400V，10kV；因此將儲(chǔ)能與箱變或者開閉所10千伏結(jié)合起來，通過10千伏母線將儲(chǔ)能傳遞給終端用戶將起到10千伏等級(jí)消納作用。此文用到了儲(chǔ)能的能量時(shí)移及備用容量等功能[2]。

儲(chǔ)能的能量時(shí)移主要通過儲(chǔ)能的方式實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的削峰填谷，即在用電負(fù)荷低谷時(shí)段對(duì)電池充電，在用電負(fù)荷高峰時(shí)段將存儲(chǔ)的電量釋放。該方法不僅可以調(diào)節(jié)變電站的負(fù)載率問題，同時(shí)可以將棄風(fēng)棄光電量存儲(chǔ)后移至其他時(shí)段進(jìn)行并網(wǎng)。能量時(shí)移屬于典型的能量型應(yīng)用，其對(duì)充放電的時(shí)間沒有嚴(yán)格要求，對(duì)于充放電的功率要求相對(duì)寬松，但是因?yàn)橛秒娯?fù)荷及可再生能源的發(fā)電特性導(dǎo)致能力時(shí)移的應(yīng)用頻率相對(duì)較高。

儲(chǔ)能的備用容量功能是指在滿足預(yù)計(jì)負(fù)荷需求之外，針對(duì)突發(fā)情況時(shí)為保障電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行而預(yù)留的有功功率儲(chǔ)備，一般備用容量需要在系統(tǒng)正常電力供應(yīng)容量15-20%，且最小值應(yīng)等于系統(tǒng)中單擊裝機(jī)容量最大的機(jī)組容量。由于備用容量針對(duì)突發(fā)情況，一般年運(yùn)行頻率較低，如果采用電池單獨(dú)做備用容量服務(wù)，經(jīng)濟(jì)性無法保障，因此需將其與現(xiàn)有備用容量的成本進(jìn)行比較來確定實(shí)際的替代效應(yīng)。

3 儲(chǔ)能消納能力

儲(chǔ)能主要通過配置容量合理調(diào)節(jié)負(fù)荷增長需求，通過電網(wǎng)變電站將電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能設(shè)備中，待高峰時(shí)期，通過充放電進(jìn)行移峰填谷。本文主要通過建設(shè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其在高峰時(shí)段，可通過儲(chǔ)能與充電樁的布置直接降低變電站供給容量，從而解決用電高峰時(shí)段變電站負(fù)荷過高問題。其儲(chǔ)能按容量配比，一次充電或單天充電按飽和送出，其對(duì)應(yīng)的充電樁數(shù)量及可供周邊充電車輛如表1、表2所示。其中表1中給出當(dāng)儲(chǔ)能規(guī)模不同時(shí)，其容量與變電站規(guī)模的占比情況以及可配置充電樁的組數(shù)。表2給出不同規(guī)模儲(chǔ)能配置時(shí)可容納充電汽車規(guī)模、以及周邊的居民用戶數(shù)。從表2可知，當(dāng)配置儲(chǔ)能規(guī)模在25 Mwh時(shí)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足周邊居民充電汽車充電（全電動(dòng)），如汽車按50%電動(dòng)計(jì)入則在12 MWh時(shí)即可滿足需求。

表1 不同規(guī)模儲(chǔ)能容量可解決充電樁數(shù)量

表2 不同規(guī)模儲(chǔ)能容量滿足周邊充電車輛，周邊原配套居民數(shù)量

目前儲(chǔ)能設(shè)備容量不等，以2.8MW為例，其寬×深×高數(shù)據(jù)為13.7m×2.5m×2.9m，從形狀上，易于在變電站內(nèi)及周邊選址或安裝在合適的地下空間內(nèi)，路徑沿市政電力管線敷設(shè)。

4 實(shí)施效果

（1）將儲(chǔ)能應(yīng)用于變電站終端的配電環(huán)節(jié)，從根本上解決新增容量需增加變電站容量問題，同時(shí)減少變電站征地等情況，使得土地資源有效利用，儲(chǔ)能的配合使用，提升變電站及場地的利用率，同時(shí)為充電樁的發(fā)展提供一種新的思路模式，本文中提出的基于儲(chǔ)能建設(shè)的充電樁布局將促進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)升級(jí)[3]。

（2）儲(chǔ)能技術(shù)不僅僅是一種電能容量存儲(chǔ)方式，它是解決電力供應(yīng)需求的一種方式，也是一種將能源供耗分散化，能量使用可存儲(chǔ)化的一種方案，將帶來產(chǎn)業(yè)發(fā)電、用電側(cè)的技術(shù)革新。

（3）充電樁及儲(chǔ)能的搭配建設(shè)將構(gòu)建新能源汽車行業(yè)發(fā)展新思路，通過充電樁～儲(chǔ)能的供電，形成以新能源汽車為戰(zhàn)略的能耗供給平臺(tái)，同時(shí)為后期數(shù)字化應(yīng)用、數(shù)據(jù)中心建設(shè)提供新的場景。

5 儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)及推廣性

（1）儲(chǔ)能主要通過于變電站側(cè)的10千伏母線接入，直接對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備供電，儲(chǔ)能設(shè)備出線端與充電樁設(shè)施相連，主要通過專線設(shè)備管理，智能化線路傳感技術(shù)，終端設(shè)備監(jiān)控及儲(chǔ)能側(cè)能源消耗自動(dòng)調(diào)節(jié)閑時(shí)電能儲(chǔ)備情況，有效控制變電站負(fù)載情況及線路運(yùn)行情況。具體模型見圖1。

圖1 儲(chǔ)能設(shè)備與10千伏配電設(shè)備接線示意圖

（2）儲(chǔ)能設(shè)備采用集裝箱式，從布局上可呈現(xiàn)一字型或L型排布，可有效利用變電站內(nèi)或變電站圍墻側(cè)土地資源，減少城市周邊劃片用地。

以某大工業(yè)1-10 kV分電價(jià)計(jì)算為準(zhǔn)，晚間低電價(jià)0.3335元/kWh時(shí)將電能通過儲(chǔ)能方式儲(chǔ)存起來，白天峰值時(shí)期1.0334元/kWh時(shí)段釋放出來，存在相對(duì)的0.6999元/kWh的電價(jià)差，或者白天平值時(shí)段充電，成本在0.638元/kWh,此時(shí)價(jià)值差在0.3955元/kWh,因此對(duì)于儲(chǔ)能設(shè)備每天有兩個(gè)時(shí)段可以充電，作為充電樁可以在任何時(shí)段通過儲(chǔ)能設(shè)備的出線端進(jìn)行充電。此種方案可從根本上解決變電站增容問題，充電樁的利潤問題。

6 目前面臨的問題

主要考慮儲(chǔ)能收益比問題，儲(chǔ)能建設(shè)時(shí)目前成本在3000元/kWh～4000元/kWh，儲(chǔ)能電腦按2次充放電計(jì)入，且完全理想狀態(tài)，其投資回收期為6年?？紤]其充放電、運(yùn)維成本、設(shè)備檢修更換等，儲(chǔ)能投資回收期在10年以上，因此目前可推廣效益較差。隨著電動(dòng)汽車的引入，目前充電樁的需求越來越多，其變電站容量直接限制充電樁的布局，同時(shí)儲(chǔ)能設(shè)施的不完善，導(dǎo)致越來越多的充電設(shè)施建設(shè)在城郊地帶，不便于居民生活。儲(chǔ)能與充電樁的結(jié)合將帶來儲(chǔ)能設(shè)施的建設(shè)，但變電站周邊是否預(yù)留有儲(chǔ)能用地空間未知，充電樁的強(qiáng)勁需求將帶來電網(wǎng)容量的急劇擴(kuò)增，需提前考慮。

7 結(jié)論

本文將充電樁與儲(chǔ)能的結(jié)合用于新能源領(lǐng)域，通過電動(dòng)汽車的發(fā)展，使得充電樁的需求與新能源汽車相一致，通過儲(chǔ)能的建設(shè)滿足充電樁容量需求，進(jìn)而提升配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型及供電的可靠性。