双碳目标下光储充一体化充电站综合能源服务建设模式分析

安科瑞 程瑜  187 0211 2087

摘 要：本文以“双碳”目标为基础，从电站电池管理能源管理能力管理对策等方面的关键要点，分析了光储充一体化充电站设计和综合能源服务建设模式。通过对这些方面的深入探讨，揭示了综合能源服务在实现可持续发展、促进能源转型过程中的重要性。作为一种多能源互补、一体化的服务模式，综合能源服务能够为电动汽车充电站的未来发展提供强有力的支撑，全面满足用户对清洁、智能、可靠能源的需求。

关键词：双碳；光储充；一体化充电站；能源服务；建设模式

0引言

我国对清洁能源和可持续发展的需求随着“双碳”目标的提出而不断增加。在此背景下，作为新能源基础设施代表的光储充一体化充电站，为发展一体化能源服务建设模式提供了强有力的支撑。针对光储充一体化充电站如何实现综合能源服务，从电池管理、能量管理、能力管理对策等方面进行分析。旨在通过这些分析，为中国能源转型提供有益的参考，为“双碳”目标提供有益的借鉴。

1 基于“双碳”目标的光储充一体化充电站概述

"双碳"目标是指到2030年碳排放达到峰值，2060年实现碳中和，中国在应对气候变化和促进绿色能源发展方面提出的重要目标[1]。在此背景下，光储充一体化充电站成为推广普及新能源汽车的重点基础设施之一。该充电站集太阳能光伏发电、储能系统、电动汽车充电功能于一体，旨在实现清洁生产、高效储能、低碳传输的能源一体化解决方案。一是以太阳能光伏发电为主要能源来源，直接将太阳光通过光电转换技术转化为电能，实现电力生产的零排放。这不仅有助于减缓对传统化石能源的依赖，而且对于满足“双碳”目标要求的排放量的削减也大有裨益。其次，储能系统对这个充电站起着举足轻重的作用。储能系统可以通过高效的储能和释放，弥补太阳能发电时断时续、不稳定的特点，保证充电站在没有阳光照射的情况下，仍能提供稳定可靠的电力保障。这种储能技术在提高能源利用效率的同时，也增强了充电站的可靠性和可持续性，电动汽车充电功能的充电站为新能源汽车提供了便利的充电服务。用户通过充电技术，可以在短时间内完成充电，在推动更多人使用清洁能源交通工具的同时，提高了电动车的使用便捷性。

2 光储充一体化充电站建设的基本原则

2.1 技术可行性

建设光储充一体化充电站，保证技术可行性是一原则。各种技术的成熟度、稳定性和可靠性，都在选择太阳能光伏发电、储能系统和电动车充电设备时进行评估。太阳能光伏技术需要在不同区域的光照条件下保持高效转化，储能系统需要具备高效的储能和释能能力，而电动汽车充电技术则要满足不同车型汽车的充电需求，因此,太阳能光伏技术在应用过程中充电站可在实际运行中通过确保各种技术的可行性,提供持续可靠的清洁能源服务。

2.2 可持续性

建设光储充一体化充电站，保证可持续性是另一项基本原则。可持续性涵盖了绿色的能源供应链、保护环境生态和可持续发展的社会经济。在施工过程中优先选用环保材料，减少施工作业时对环境的影响。此外，还应与当地社区合作，在充电站的建设和运营过程中，促进经济发展，确保工程社会效益和经济效益相统一,以实现可持续发展的目标。

3 基于“双碳”目标的光储充一体化充电站设计分析

3.1 电站电池选择分析

在光储充一体化充电站设计中，以“双碳”目标为基础，选择电站电池既是关键决策，也是保障系统高效运行、永续发展的根本。首先，考虑到电池的化学成分对于性能的影响，锂离子电池以其优异的高能量密度、长寿命和轻量化等特性，成为人们的首选电池。它的高能量密度意味着能够将更多的能量储存在相对较小的体积内，以满足高峰期对充电站的能量需求。长寿命特性则保证了电池在多次循环充放电、降低更换和维护频率、降低总体运行成本等方面，都能保持较高的性能水平。另外,轻量化设计可以帮助充电站整体减重，增加安装的灵活度与效率。

其次，电站电池的循环使用寿命、充放电效率、安全性等也都是考量的决定性要素。电池在实际运行中需要经受多次充电和放电周期的考验，所以它的周期长短与系统的直接的关系。选择循环使用时间更长的电池类型，可以降低更换电池的频率，使整套系统的稳定性得到提高。

3.2 电池管理系统设计

电池管理系统在光储充一体化充电站中的设计尤为重要，它不仅直接影响着电池性能的利用，而且与整个系统的安全可靠性有着密切的关系。首先,系统要有对电池组件状态进行全面监测的能力，覆盖温度、电压、充放电速率等电池关键参数。该系统通过实时监控,在运行过程中捕捉电池的实时数据，对潜在故障或异常情况的及时发现有所帮助。当电池管理系统监测到电池温度升高或电压异常情况时，为了防止电池过过压等可能造成安全隐患的情况发生，该系统可以立即采取停止充电或放电等保护性措施。其次,电池管理系统需要采用均衡充电技术，以确保电池组内各单元的电荷水平保持一致。均衡充电技术可以实现电荷在电池组各单元间的均匀分布,防止由于某一单元充电过度而造成的电池不均匀损耗，从而达到平衡充电技术的目的。这对于提高整体能效和延长电池续航能力都有帮助。电池管理系统可以通过有效的均衡充电管理，确保电池组件的长期稳定运行，减缓电池的老化进程,从而使系统的可靠性和可持续性得到提高。

3.3 能量管理系统设计

能量管理系统的设计在协调太阳能光伏发电、储能系统与电动车充电功能之间的能量流动,以达到稳定的电力供应,是光储充一体化充电站的关键角色。首先,该系统需要了解目前光伏发电系统的能量输出情况,通过实时监测和分析太阳能光伏发电产能。该系统通过能量调度,灵活分配不同光照条件下的能量,确保太阳能发电在阳光充足的晴天也能得到限度的利用。二,能源管理系统设计的另一个重要方面是对储能系统的智能控制。储能系统在能量调度中起到储备和释放的作用,在太阳能不足或电动汽车需求激增的情况下,需要提供迅速可靠的能量支持。能量管理系统储能系统的充电放电过程进行智能控制,根据当前电网负荷及储能状态,确保在需要时能快速供能,使充电站保持稳定供电。综合来看,能源管理系统的设计既需要充分考虑光伏发电、储能系统与电动汽车充电的协同运转,又需要具有智能调度、控制等功能。光储充一体化充电站通过能量的合理分配和储能系统的智能控制运行,能够更好地适应不同用电条件,提高能效,实现能源供给的清洁稳定。

3.4 能力管理对策设计

在光储充一体化充电站的设计中,能力管理对策的设计是为了保证充电站在面临电站规模扩大、使用需求增大的情况下,依然可以做到永续经营。首先,系统需要具备适应未来能源需求动态变化的良好扩展性和灵活性。充电站采用电网互联技术,可与电网实现智能对接,实时调节能源供给,确保在高峰时段或突发事件发生时，为满足用户需求，灵活进行能源调配。其次，智能预测模型的建立是能力管理的关键对策。该系统通过对电动车的历史数据、天气预报以及使用方式等信息的分析,对未来的用电需求进行提前预测。这有助于该系统为适应气象条件的波动和电动汽车充电需求的不确定性，提前做好充电站运行计划，调整能源分配策略。能力管理对策通过准确预测、及时调整,使充电站在各种情况下都能保证系统运行平稳,提供高效可靠的服务。

4 综合能源服务建设模式分析

4.1 综合能源服务服务分析

作为一种以多能源互补与集成为核心的创新服务模式，综合能源服务致力于提供全方位的能源解决方案。这一服务模式涵盖了通过智能能源管理系统实现对这些能源的多种能源形式,包括太阳能、储能和电动汽车充电等。太阳能作为一种与储能系统相结合的清洁、可再生的能源形式，与电动汽车充电相结合,形成了一个高效的一体化能源服务系统。其核心目标是在不断升级的能源市场中，在降低、降低环境影响的同时，为用户提供高效、可靠、清洁的能源。这种服务模式的优点在于灵活、全面。综合能源服务可以通过多种能源形式的整合，灵活应对电力需求的波动。举例来说，在太阳能产能丰富的时期，该系统储能系统储存多余能量以备不时之需的同时，程度地利用太阳能发电。智能能源管理系统的存在可以实现智能调度这些能源，保证系统随时提供稳定电力。此外，这种服务模式的综合化，使用户可以方便地在一个平台上获得多种能源服务，使整体使用便捷性得到提升。

4.2 综合能源服务发展前景

一体化能源服务的发展前景更加广阔，而其将多能源形态的服务特性充分融合，则离不开“双碳”目标的推行。综合能源服务有望在未来迎来更广泛的应用，随着清洁能源技术的日益创新和成熟。这种服务模式不仅能为能源系统提供更高水平的整体智能化，还能为实现城市更智能的能源供应目标提供切实可行的解决方案。综合能源服务通过将太阳能、储能和电动汽车充电等多种能源形式紧密融合，可以更好地适应未来能源需求的多样性，形成更更灵活的能源体系。特别值得注意的是,综合能源服务将在电动汽车充电基础设施方面发挥关键作用，随着电动汽车的需求的不断增长。通过将电动汽车充电功能集成到综合能源服务中,不仅可以提升城市充电基础设施水平，还可以创造更加便利的充电环境,普及电动汽车。此举将进一步促进电动运输的发展,为绿色升级的城市运输体系提供强有力的支撑。

4.3 典型用户用能特点分析

一体化能源服务的用户群具有直接影响服务模式设计和推广策略的一系列典型特征。一是这部分用户对清洁能源的认同度普遍较高,对低碳、环保的生活方式积极追求。这体现在他们当初选择能源综合服务的初衷，就是希望通过清洁能源的使用,达到积极为环境做贡献的目的。二是典型用户往往拥有电动车，对电动车充电设施的便利性、可靠性要求更高。这使得一体化能源服务的设计需要在满足用户日常生活中对电动交通需求的情况下，充分考虑电动汽车充电的场景。另外，一体化能源服务的用户对智能管理能源的预期通常也比较高。他们希望通过科技手段,程度地提高能源利用效率,实现对能源的实时监控和优化调度。这就要求一体化的能源服务拥有智能能源管理系统，可以对用户的需求做出实时反应，对不同能源形态的变化做出响应。典型用户对服务的智能化和高度可控性需求明显，这将直接影响到技术创新和系统设计的一体化能源服务。

5安科瑞微电网能量管理系统

Acrel-2000MG微电网能量管理系统能够对微电网的源、网、荷、储能系统、充电负荷进行实时监控、诊断告警、全景分析、有序管理和高级控制，满足微电网运行监视全面化、安全分析智能化、调整控制前瞻化、全景分析动态化的需求，完成不同目标下光储充资源之间的灵活互动与经济优化运行，实现能源效益、经济效益和环境效益。

5.1 主要功能

实时监测；

能耗分析；

智能预测；

协调控制；

经济调度；

需求响应。

5.2 系统特点

平滑功率输出，提升绿电使用率；

削峰填谷、谷电利用，提高经济性；

降低充电设备对局部电网的冲击；

降低站内配电变压器容量；

实现源荷匹配效能。

5.3 相关控制策略

序号	系统组成	运行模式	控制逻辑
1	市电+负荷+储能	峰谷套利	根据分时电价，设置晚上低价时段充电、白天高价时段放电，根据峰谷价差进行套利
2		需量控制	根据变压器的容量设定值，判断储能的充放电，使得变压器容量保持在设定容量值以下，降低需量电费
3		动态扩容	对于出现大功率的设备，且持续时间比较短时，可以通过控制储能放电进行补充该部分的功率需求，
4		需求响应	根据电网调度的需求，在电网出现用电高峰时进行放电、在电网出现用电低谷时进行充电；
5		平抑波动	根据负荷的用电功率变化，进行充放电的控制，如功率变化率大于某个设定值，进行放电，主要用于降低电网冲击
6		备用	当电网出现故障时，启动储能系统，对重要负荷进行供电，保证生产用电
7	市电+负荷+光伏	自发自用、余电上网	光伏发电优先供自己负荷使用，多余的电进行上网，不足的由市电补充
8		自发自用	主要针对光伏多发时，存在一个防逆流控制，调节光伏逆变器的功率输出，让变压器的输出功率接近为0
9	市电+负荷+光伏+储能	自发自用	通过设置PCC点的功率值，系统控制PCC点功率稳定在设置值。在这种状态下，系统处于自发自用的状态下，即： 1）当分布式电源输出功率大于负载功率时，不能完全被负载消耗时，增加负载或储能系统充电。 2）当分布式电源输出功率小于负载功率时，不够负载消耗时，减少负载（或者调节充电功率）或者储能系统对负载放电。
10		削峰填谷	1）根据用户用电规律，设置峰值和谷值，当电网功率大于峰值时，储能系统放电，以此来降低负荷高峰；当电网功率小于谷值时，储能系统充电，以此来填补负荷低谷，使发电、用电趋于平衡。 2)根据分布式电源发电规律，设置峰值和谷值，当电网功率大于峰值时，储能系统充电，以此来降低发电高峰；当电网功率小于谷值时，储能系统放电，以此来填补发电低谷，使发电、用电趋于平衡。
11		需量控制	在光伏系统出力的情况下，如果负荷功率仍然超过设置的需量功率，则控制储能系统出力，平抑超出需量部分的功率，增加系统的经济性。
12		动态扩容	对于出现高负荷时，优先利用光储系统对负荷进行供电，保证变压器不超载
13		需求响应	根据电网调度的需求，在电网出现用电高峰时进行放电或者充电桩降功率或停止充电、在电网出现用电低谷时进行充电或者充电充电；
14		有序充电	在变压器容量范围内进行充电，如果充电功率接近变压容量限值，优先控制光伏功率输出或储能进行放电，如果光储仍不满足充电需求，则进行降功率运行，直至切除部分充电桩（改变充电行为），对于充电桩的切除按照后充先切，先来后切的方式进行有序的充电。（有些是以充电时间与充电功率为控制变量，以充电费用或者峰谷差为目标）
15		经济优化调度	对发电用进行预测，结合分时电价，以用电成本为目标进行策略制定
16		平抑波动	根据负荷的用电功率变化，进行充放电的控制，如功率变化率大于某个设定值，进行放电，主要用于降低电网冲击
17		力调控制	跟踪关口功率因数，控制储能PCS连续调节无功功率输出
18		电池维护策略	定期对电池进行一次100%DOD深充深放循环；通过系统下发指令，更改BMS的充满和放空保护限值，以满足100%DOD充放，系统按照正常调度策略运行
19		热管理策略	基于电池的温度，控制多台空调的启停

削峰填谷：配合储能设备、低充高放

需量控制：能量储存、充放电功率跟踪

备用电源

柔性扩容：短期用电功率大于变压器容量时，储能快速放电，满足负载用能要求

5.4 核心功能

1）多种协议

支持多种规约协议，包括：Modbus TCP/RTU、DL/T645-07/97、IEC60870-5-101/103/104、MQTT、CDT、三方协议定制等。

2）多种通讯方式

支持多种通信方式：串口、网口、WIFI、4G。

3）通信管理

提供通信通道配置、通信参数设定、通信运行监视和管理等。提供规约调试的工具，可监视收发原码、报文解析、通道状态等。

4）智能策略

系统支持自定义控制策略，如削峰填谷、需量控制、动态扩容、后备电源、平抑波动、有序充电、逆功率保护等策略，保障用户的经济性与安全性。

5）全量监控

覆盖传统EMS盲区，可接入多种协议和不同厂家设备实现统一监制，实现环境、安防、消防、视频监控、电能质量、计量、继电保护等多系统和设备的全量接入。

5.5 系统功能

系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷情况，体现系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、告警信息、收益、环境等。

储能监控

系统综合数据：电参量数据、充放电量数据、节能减排数据；

运行模式：峰谷模式、计划曲线、需量控制等；

统计电量、收益等数据；

储能系统功率曲线、充放电量对比图，实时掌握储能系统的整体运行水平。

光伏监控

光伏系统总出力情况

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，识别低效发电电站；

发电收益统计(补贴收益、并网收益)

辐照度/风力/环境温湿度监测

并网电能质量监测及分析

光伏预测

以海量发电和环境数据为根源，以高精度数值气象预报为基础，采用多维度同构异质BP、LSTM神经网络光功率预测方法。

时间分辨率：15min

超短期未来4h预测精度＞90%

短期未来72h预测精度＞80%

短期光伏功率预测

超短期光伏功率预测

数值天气预报管理

误差统计计算

实时数据管理

历史数据管理

光伏功率预测数据人机界面

风电监控

风力发电系统总出力情况

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，识别低效发电电站；

发电收益统计(补贴收益、并网收益)

风力/风速/气压/环境温湿度监测

并网电能质量监测及分析

充电桩系统

实时监测充电系统的充电电压、电流、功率及各充电桩运行状态；

统计各充电桩充电量、电费等；

针对异常信息进行故障告警；

根据用电负荷柔性调节充电功率。

电能质量

对整个系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。

5.6 设备选型

序号	名称	图片	型号	功能说明	使用场景
1	微机保护装置		AM6、AM5SE	110kv及以下电压等级线路、主变、电动机、电容器、母联等回路保护、测控装置	110kV、35kV、10kV
2	电能质量在线监测装置		APView500	集谐波分析/波形采样/电压闪变监测/电压不平衡度监测、电压暂降/暂升/短时中断等暂态监测、事件记录、测量控制等功能为一体，满足A级电能质量评估标准，能够满足110kv及以下供电系统电能质量监测的要求	110kV、35kV、10kV、0.4kV
3	防孤岛保护装置		AM5SE-IS	防止分布式电源并网发电系统非计划持续孤岛运行的继电保护措施，防止电网出现孤岛效应。装置具有低电压保护、过电压保护、高频保护、低频保护、逆功率保护、检同期、有压合闸等保护功能	110kV、35kV、10kV、0.4kV
4	多功能仪表		APM520	全电力参数测量、复费率电能计量、四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。 接口功能：带有RS485/MODBUS协议	并网柜、进线柜、母联柜以及重要回路
5	多功能仪表		AEM96	具有全电量测量，谐波畸变率、分时电能统计，开关量输入输出，模拟量输入输出。	主要用于电能计量和监测
6	电动汽车充电桩		AEV200-DC60S AEV200-DC80D AEV200-DC120S AEV200-DC160S	输出功率160/120/80/60kW直流充电桩，满足快速充电的需要。	充电桩运营和充电控制
7	输入输出模块		ARTU100-KJ8	可采集8路开关量信号，提供8路继电器输出	信号采集和控制输出
8	智能网关		ANet-2E4SM	边缘计算网关，嵌入式linux系统，网络通讯方式具有Socket方式，支持XML格式压缩上传，提供AES加密及MD5身份认证等安全需求，支持断点续传，支持Modbus、Modbus TCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、101、103、104协议	电能、环境等数据采集、转换和逻辑判断

6结语

光储充一体化充电站应用综合能源服务建设模式意义重大。清洁、高效、可靠的能源服务可以通过对电池、管理系统系统的全面优化来实现。未来,综合能源服务将随着清洁能源技术的不断创新而进一步成熟和普及,为中国提供可行的解决方案,以达到碳中和目标,促进新能源运输的普及。一体化的能源服务建设模式将成为为建设绿色智能社会提供坚实支撑的新能源基础设施的重要组成部分。

参考文献：

【1】刘浏,喻小宝,卢娜.基于“双碳”目标的光储充一体化充电站刍议综合能源服务建设模式分析[J].现代工业经济和信息化,2023,13(10):258-260.

【2】陈思远,陶莹.光储充检放一体化充电站在配电网中的应用研究[J].光源与照明,2023,(05):126-128.

【3】李建林,许璐,马凌怡.光储充一体化系统容量优化配置方法研究[J].电气应用,2022,41(09):71-77.

【4】陈奇豪,陈丽安,蔡维.光储充一体化充电站的建模与仿真[J].厦门理工学院学报,2020,28(05):33-39.

【5】杨跃晶，胡祥，李昌波.基于“双碳”目标的光储充一体化充电站刍议综合能源服务建设模式分析

【6】安科瑞微电网能量管理系统

审核编辑 黄宇