淺談快充電站多類型應用方式

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著能源互聯網建設的加快推進，電動汽車等移動式負荷的滲透率將逐漸上升，同時快充電站也將趨于規模化運營。復雜的網絡結構和多主體調控方式大幅增加了電網的控制難度和失穩風險。通過調研國內外對快充電站并網影響因素及涉網性能的研究現狀，重點分析規模化快充電站運行對電網3個主要方面的挑戰；針對能源互聯網中“快充電站+儲能+其他元素"的新型快充電站應用方式，以充儲/光儲充一體化電站為范例，分析該領域現有的研究進展和工程經驗，并對比分析充儲/光儲充一體化電站與規模化含儲能快充電站的異同；*后，從應用前景和關鍵技術兩個層面出發，探討含儲能快充電站未來的發展路徑。

關鍵詞：儲能；快充電站；充儲一體化；電動汽車；控制技術

0前言

隨著城市運營車輛純電動化進程的不斷推進，中國電動汽車產業正在飛速發展。據統計，截至2019年年底，全國新能源汽車保有量已達381萬輛，占汽車總量的1.46%。與此同時，電動汽車配套基礎設施的建設也在加速發展。為解決電動汽車用戶的里程焦慮，提高電動汽車的續航能力，快充電站的規模化發展將成為必然趨勢。

以充電功率大、服務時間短的非車載直流充電技術為基礎的快充電站，在給電動汽車用戶帶來便捷體驗的同時，也可能引發區域配電網容量不足、電壓跌落和頻率降低等問題。此外，快充電站啟停瞬間功率的劇烈變化也給電網的實時平衡和穩定控制帶來巨大挑戰。在能源互聯網背景下，尋求快充電站的多元化應用形式，以保障規模化快充電站的友好接入，成為當前的研究熱點。儲能具有能量轉換存儲和功率快速控制的特性，在能源互聯網領域發揮關鍵樞紐作用。將儲能與快充電站進行有機融合，協調規模化快充電站穩定運行，是推進智慧車聯網服務體系建設、實現能源服務互動化和共享化的重要手段。

充儲/光儲充一體化電站示范項目是對“快充電站+儲能"應用模式的積極探索，近年發展速度迅猛。隨著快充電站示范工程的廣泛開展，其規模化運營的并網影響，以及衍生的多類型應用方式成為業界關注的焦點。本文旨在從若干角度出發，梳理國內外對快充電站涉網性能、影響因素及其多類型應用方式下控制策略的研究，探討推動含儲能快充電站發展的關鍵技術，以促進含儲能快充電站的規模化應用。

1快充電站對電網的影響因素

大量電動汽車等移動式電力負荷的接入，將改變原有的電網形態，使之形成隨機、不確定的網絡，用戶的無序充電行為又導致負荷峰谷差進一步擴大，使得配電變壓器過載風險加大。隨著電動車輛滲透率的逐步攀升，電網損耗和電壓偏差將顯著增大，區域配電網的調峰容量不足問題凸顯。

與此同時，采用高倍率、大電流的直流快充方式是快充電站區別于常規充電站對配電網產生巨大影響的另一個因素。圖1對比了不同類型充電站中電動汽車的接入方式。常規充電站中，電動汽車的車載充電機與交流充電樁連接，并以10~15A的小電流慢充方式對動力電池進行充電，全過程需5~8h。快充電站中，電動汽車的動力電池直接連接至直流充電機，并以150~400A的大電流方式進行充電，用時20min~2h即可完成70%~80%。

圖1不同充電方式下電動汽車接入電網示意

表1對比了2種充電方式的關鍵參數，可以看出，由于常規充電和快速充電在充電電壓、電流和時間上的巨大差異，使得快充負荷對電網的穩定性影響更為明顯。對于網架結構薄弱的地方配電網，快充負荷的接入將會使并網母線的電壓靜態穩定裕度大幅降低。同時，充電啟停階段的瞬時沖擊也會引起電網頻率波動超標的問題。

除此之外，充電機等電力電子設備由于整流方式不同，產生的直流側電壓紋波和注入電網側的諧波電流存在較大差異，對電網的電能質量具有一定影響。表2對比了當前市場3種主流充電機的基本組成和各自特點。

由表2可知，3種充電機均會向電網注入諧波電流，從而不同程度地降低電能質量，但由于整流電路電子元件的諧波抑制效果不同，致使網側電流總畸變率和市場化應用差異顯著。PWM整流充電機雖然具備性能優勢，但由于控制電路復雜，成本高昂，工程化推廣應用受到阻礙；工頻不可控整流充電機具有直流側電壓紋波小的特點，但在設備體積、網側電流諧波和變換效率等方面均居于劣勢，在公用電網中投運放緩；相比之下，高頻不可控整流充電機盡管諧波電流較大，然而由于成本優勢，在市場zhan有率方面仍占據地位，成為目前快充電站直流充電機的首xuan類型。

綜上所述，相較于常規充電站，快充電站中直流負荷的充電行為、充電方式和充電機類型發生了根本性變化，功率需求大、隨機性強、諧波含量高的快充負荷對電網容量、穩定裕度以及電能質量提出更大挑戰，成為當前快充電站對電網產生重大影響的主要因素。

現階段，受限于技術成熟度和電網容量規劃，快充電站的建設應用仍處于單站試驗階段。

但隨著技術的逐漸成熟和能源互聯網建設的持續推進，快充電站的規模化應用投產將成為必然趨勢，屆時快充電站的并網影響將被放大，鑒于此，規模化快充電站的涉網性能成為學者們熱議的話題。

表1常規充電與快速充電的主要參數對比

表2主流充電機的基本組成及其特點

2規模化快充電站的涉網性能

目前，國內外對規模化快充電站涉網性能的研究主要聚焦于以下幾個層面。

2.1電網容量

現有城市配電網在規劃建設時期并未充分考慮到快充電站的應用，規模化快充電站的建設運營給電網帶來新一輪負荷增長，使其容量不足問題更為突出，加劇了電網升級擴建壓力。研究表明，大量電動汽車充電使電網的負荷峰值迅速攀升。預計2030年，美國13個供電區域中將有10個區域須新增裝機以滿足電動汽車快充服務的電能需求。

2.2電能質量

規模化快充電站并網與電壓偏差、電壓波動和諧波污染等電能質量問題的關聯度受到國內外學者的密切關注。文獻指出，在電網結構薄弱的居民配電區域，由于電網容量有限，當充電負荷達到一定量值時，電纜線路重過載、節點電壓跌落等問題將集中爆發。此外，歸因于整流電路開關元件的非線性特性，充電機成為電網的諧波源之一。文獻剖析充電機拓撲結構，證明了充電機模型和數量與諧波電流含量的關系。研究表明，6脈沖和12脈沖的充電機結構均會導致高次諧波，且在功率*大時刻，諧波電流含量達到頂feng。同時，充電機數量也與諧波含量呈現正相關的關系。上述文獻針對抑制諧波電流的建議除了改進充電機結構之外，未提出其他有效的治理手段。但改進充電機往往伴隨著更大的資本投入，在當前的市場推廣中價值較低。

2.3運行穩定性

低慣量、弱支撐的新能源機組高比例滲透和傳統發電機組的占比減少，使得電力系統轉動慣量大幅降低，電網面臨電壓、頻率等關鍵運行指標調節能力不足的困境。為避免大規模快充負荷引發電壓或功角連環失穩事故，深入研究規模化快充電站并網對電力系統運行穩定性的影響，從而對潛在風險進行合理預判和有效評估顯得尤為必要。文獻針對電壓穩定薄弱區域，建立一種考慮電動汽車負荷特性和波動極限的靜態電壓穩定裕度的計算方法和評估方案。

3快充電站多類型應用模式研究現狀

現階段對快充電站多類型應用方式的探索主要以充儲/光儲充一體化電站為例。雖然現有落地示范工程多為單個快充電站項目，但其運行方式、控制策略等對規模化含儲能快充電站的研究和建設具有較高的借鑒價值。

3.1運行方式

充儲/光儲充一體化電站實現了多電源供電方式，可在并網與離網運行之間靈活切換。圖2為光儲充一體化電站的拓撲結構。由圖2可知，在并網模式下，光儲充電站由外部配電網和站內光伏電源共同供電，儲能系統跟蹤光伏出力以平抑功率波動，促進站內光伏電量消納；離網運行時，儲能系統作為主要電源，在能量管理系統的調節和控制下，建立統一的電壓和頻率參考值，以保障充電站的可靠供電和光伏電源的高效利用；除此之外，光儲充一體化電站還可實現分時段并/離網切換運行。光儲充電站根據電價水平決策并/離網定時切換動作，在高電價時段離網，低電價時段并網，以降低整體購電成本。當系統由離網切換至并網運行時，站內能量管理系統通過跟蹤離網電壓和頻率，帶動系統并入主網，從而實現并/離網的柔性切換。

圖2光儲充一體化電站拓撲結構

3.2控制策略

充儲/光儲充一體化電站利用能量管理系統跟蹤電站運行功率，通過控制策略實時優化儲能系統出力，從而達到削峰填谷、平滑波動的功能定位。針對規模化快充電站并網中存在的諸多問題，充儲/光儲充一體化電站亦有相應控制策略研究。

在電網容量方面，文獻考慮重負荷水平下電網容量不足的問題，依托充儲電站與配電網的功率交換能力，提出一種面向削峰填谷服務的儲能系統充放電控制策略，但忽略了配電網中充儲電站分散布局的問題，缺乏多點充儲電站之間的能量互動和協調控制能力。

在電能質量方面，文獻分別從電動汽車快速充電時網側諧波電流含量、總畸變率以及電壓跌落幅度等多維度展開研究，并提出一種有效抑制諧波、補償無功電壓、平抑功率波動的儲能系統控制策略。然而上述文獻中儲能選型為飛輪儲能，但飛輪儲能制造成本高昂，難以在短時期內實現規模化應用。

在電力系統穩定運行方面，文獻提出了基于混合儲能的電動汽車充電站直流微網協調控制技術。該文將快充負荷和光伏電源引起的功率波動分解為高頻分量與中低頻分量，并分別利用飛輪儲能和電池儲能進行補償，以達到平抑直流母線電壓波動、提高電壓穩定裕度的目的。但上述研究僅面向光儲充直流微網系統，而未考慮在并網狀態下與配電網的互動能力。

4含儲能快充電站應用前景及關鍵技術展望

4.1應用前景展望

含儲能快充電站是能源互聯網時代新型基礎設施建設的發展產物，其應用模式為“儲能+快充電站+其他元素"。隨著5G通信技術的進步，信息物理系統的建設將更加完善，數據共享、資源共享和市場多邊交易也更加廣泛。在城市電網中，構建含儲能快充電站與數據站聯合運營系統，通過聚合分布式儲能容量向數據站供電；同時，分布式儲能的海量數據信息也可通過數據實現全網共享，從而形成可調度、可交易的虛擬儲能資源。針對廣域布局的含儲能快充電站，采用單點自治控制與廣域協調調度結合的調控策略，增強電力系統的靈活可控性和抵御擾動風險的能力。此外，將能源流和信息流融合，通過共享經濟實現配電容量、快充服務、儲能資源和電力大數據的高效率、高質量利用，使之貫穿電網-交通-儲能-數據等整條價值鏈，延伸電力電量供給服務價值，從而激發規模化含儲能快充電站潛在的經濟價值與社會價值。

此外，就快充電站而言，隨著無線充電技術的日益成熟，快充電站的充電方式將更加多元。電動汽車占比的上升以及用戶對便捷體驗要求的提高，將激發以無線充電和有線充電為基礎的混合新型快充電站誕生。電動汽車既可以通過無線充電位或無線充電軌道完成充電過程，又可以通過直流充電機進行有線快速充電。

雖然大量研究表明，儲能以其能量快速吞吐、功率靈活控制的特性使得快充電站對外呈現“柔性負荷"的特性，但由于相關技術成熟度不高，工程應用經驗不夠豐富，當前規模化含儲能快充電站仍處于研究階段。與此同時，能源互聯網中含儲能快充電站的商業模式和運營方式尚不明確，對含儲能快充電站與區域配電網之間的典型互動模式還有待深入研究。

4.2關鍵技術展望

當前對快充電站多類型應用系統的建模僅有以光儲充/充儲一體化電站為范例的單一電站模型，而規模化含儲能快充電站涉及多個電站單元的集成，加之未來快充電站中無線充電和有線充電方式的混合使用，使含儲能快充電站的結構更加龐大且復雜，多個單元之間的調度控制難度大幅上升，對儲能出力精度和通信網絡速度的要求更加嚴格。顯然，現有的充儲/光儲充一體化電站模型和基于生產自動化系統的信息網絡架構，難以滿足能源互聯網背景下的規模化含儲能快充電站的應用要求。如何描述含儲能快充電站的復雜網絡結構并建立相應的仿真模型，如何實現多點含儲能快充電站中儲能單元之間，以及儲能與上級網絡之間的快速通信和控制成為研究的重要命題。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺系統選型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

5.4.5統計分析

通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

5.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統硬件配置

6結束語

隨著高比例電力電子設備、新能源發電和電動汽車的大量接入，電網形態逐漸向復雜化、隨機化演變。快充電站作為能源互聯網的重要構成，其規模化運行將增加電網的控制難度和失穩風險。因此，尋求快充電站的多元化應用方式，使之形成可控制、可調度的“柔性負荷"具有重要意義。

本文首先從快充電站并網的影響因素及涉網性能的角度出發，研究其規模化應用給電網帶來的多方位挑戰，提出發展“快充電站+儲能"新型應用方式的迫切需求。然后，根據該領域現有的研究進展和工程經驗，探討充儲/光儲充一體化電站對規模化含儲能快充電站在研究和應用方面的指導意義，并對能源互聯網背景下二者的本質區別和影響差異進行分析。*后，針對含儲能快充電站的應用前景及關鍵技術，探討其未來發展

路徑，并得出以下結論。

廣域聚合控制技術和共享經濟的發展將催生虛擬儲能應用潮流，使含儲能快充電站在電網、交通、儲能、數據等領域延伸多條價值鏈；但目前由于相關技術儲備和工程經驗不足，規模化快充電站的落地應用仍需經歷漫長的理論研究和工程試驗之路。

此外，能源互聯網中含儲能快充電站的商業模式、運行方式及其與配電網的互動形式尚不明確；規模化含儲能快充電站的復雜網絡模型和多點分散布局的站內儲能系統的聚合控制策略仍有待深入研究。

參考文獻

[1]劉滌塵,彭思成,廖清芬,等.面向能源互聯網的未來綜合配電系統形態展望[J].電術

[2]全慧，李相俊，張楊，賈學翠，惠東，管敏淵.快充電站多類型應用方式的并網影響及控制技術綜述

[3]安科瑞企業微電網應用手冊2020.06版.

作者簡介

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。