电动汽车太阳能充电站系统设计

李松 杨洪 刘嘉琦 张浩

摘 要：提出一种现代化、功能完备的超级太阳能充电站系统方案。设计太阳能发电功率100KW，同时配备储能、并网等功能。在太阳能充电站中配备多台交、直流充电桩，为充电站扩容预留直流充电桩接口。

关键词：太阳能充电站；电动汽车；交流母线；光伏发电

1.概述

为响应国家新能源号召政策，设计建设现代化、功能完备的超级太阳能充电站。该项目太阳能发电功率100kW，同时充电站还配备储能、并网等功能。在太阳能充电站中配备多台交、直流充电桩，为充电站扩容预留直流充电桩接口。该项目的建成定会带来良好的社会效益和经济效益。

2.系统总体设计

整个系统基于交流母线的工作形式。光伏发电组件作为主要的能量来源，可直接提供给负载使用，或者为蓄电池储能，同时还可并网为电网馈电。当光伏组件无法正常工作时，系统能源可由儲能电池或电网提供。还可依据电网波峰波谷状态调整功率输入输出。此系统完全使用智能化管理模式，可以实现无人值守电站。

超级太阳能充电站由多个分系统组成，其整个分布构成图可由下图1所示：

太阳能充电站系统主要由光伏分系统、储能分系统、功率变换与配电分系统、监控管理分系统、充电分系统等部分组成。系统运行流程图如图2所示：

2.1 系统运行模式

该太阳能充电站系统的运行流程分为以下3种模式，分别为：

（1）电动汽车充电模式

a.充电站内有电动汽车充电状态下，根据负荷功率大小，优先利用太阳能光伏发电，向电动汽车提供电能供给；

b.若负荷功率较大，则协调储能电池分系统，增大电能供给；

c.负荷功率缺口部分由电网提供。

（2）光伏阵列发电模式

a.充电站内无电动汽车充电状态下，根据储能电池SOC荷电状态，优先利用太阳能光伏发电，向储能电池储能；

b.若储能电池处于满电状态，则将光伏发电能量输送给电网。

（3）储能电池馈电模式

a.充电站内无电动汽车充电状态下，根据工业用电波峰波谷电时价差，实现储能系统储能和向电网馈电的能量交互。

3.分系统设计

3.1光伏发电分系统

太阳能电池板作为充电站主要能量来源，在设计时应考虑经纬度、光照强度等各种因素，设计光伏组件串联数量为20块。由于总功率要求为100KW，则需要20组光伏组串进行并联，共需组件400块。

本项目采用固定式安装。固定式结构简单，安全可靠，安装调试及管理维护都很方便。同时为防止局部阴影遮蔽导致太阳电池成为系统负载出现“热斑效应”，太阳电池并联反向旁路二极管。

3.2储能分系统

太阳能充电站每天主要使用负载为交流充电桩及一些常规交流负载，所以提供电压为220VAC，每台交流充电桩额定功率为7KW，每天额定工作8小时，郑州最长连续阴雨天为2天，可估算蓄电池容量B。

其中A为安全系数，通常取1.1～1.4之间；QL为负载日平均消耗电量，即工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数，T0为蓄电池充电温度修正系数，DOD为蓄电池放电深度。

按目前充电站设计，平均每天有6个桩体工作，每天工作8小时，平均理论需要耗电74度电（42×8×220=74kWh），加上损耗、转换效率等，约需要100度电，所以储能电池组设计方案足以满足充电站在太阳能电池板无法工作的孤岛状态下运行2天。

3.3功率变换与配电分系统

系统依据交流母线的工作情况，适时调整储能变流器的工作状态，完成光伏组件产生电能的存储以及和外部电网的互动。功率变换设备在设计选择时考虑发电站额定功率为100KW的原则，且每个功率变换设备都需要单独运行，需满足发电站额定功率的需要。

3.4充电分系统

目前根据充电站功率配置情况，考虑在充电站中配备交流充电桩和直流充电桩两种规格。方案中均采用落地式柜体设计。

方案设计在充电站中建设10台交流充电桩，设定平均每天充电桩使用率为60%，且每天工作8小时，充电机平均消耗功率为2.5kW，则每天消耗电能为2.5×8×6=120kWh，每台交流充电桩消耗20 kWh，算上损耗约为130kWh。按照方案前面光伏组件仿真估计，额定功率100kW系统平均每天可发电340度，可满足交流充电桩供电需求。

直流充电桩设计功率为70kW，假定每天工作5小时，每天耗电350度。光伏系统发电和储能电池能够提供电能供直流充电桩桩使用，若负荷功率较大，还可通过电网补充电能。

3.5监控管理分系统

监控管理平台对充电站中每一分系统设备都能够实时监控、数据采集、智能管理，还能通过后台终端服务器进行数据统计，盈利结算等。该平台设计时预留扩容接口，可选配数据服务器、多站通信等功能，如图3所示。

4.设备布置方案

根据现场实地用地规划，对设备放置和安装做了如下设计。场地主要分为三个部分，太阳能阵列、功率设备室和电池存储室。形式如下图4所示。

太阳能电池阵列部分包括太阳能电池板，支撑钢架，交流充电桩和直流充电桩。太阳能电池阵列分5组南北向排列，共400块太阳能电池板，粗略估算需要长72m，宽11m的用地面积。交流充电桩和直流充电桩分列在太阳能电池板下。

根据仿真计算情况，阵列采用光伏车棚的铺设方式，既可以利用车棚顶铺设光伏组件发电，下方还可以作为充电站及停车位使用，具体铺设形式采用圆弧设计，见下图5：

布置规划大致为以上方案，设备放置和安装位置可按方案进行。在每个设备下面需挖线缆沟槽，以备铺设线缆。同时还需铺设专业地线和增加防雷设备，线缆的设计和铺设根据行业要求，需要有专业资质的专业人员进行设计、施工和验收。

5.结束语

该项目是将电动汽车充电站与太阳能发电站有机结合，实现真正意义的绿色交通，具有很高的参考价值和示范作用。相信随着新能源产业与电动汽车产业的不断发展，太阳能充电站的发展前景也更加美好。

参考文献：

[1] 董密.太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究：[D]. 长沙：中南大学，2007

[2] 周德佳.太阳能光伏发电技术现状及其发展[J]，电气应用. 2007

[3] BennerJP，KazmerskiL.Photovoltaicsgaininggreatervisibility. SPeetrum，IEEE.1999，36（9）：34-42

[4] 余蜜.光伏发电并网与并联关键技术研究：[D].武汉：华中科技大学，2009

[5] 韩珏.太阳能电池阵列模拟器的研究和设计[D].杭州：浙江大学，2006.

[6] 张谦，韩维健，俞集辉.电动汽车充电站仿真模型及其对电网谐波影响[J].电工技术学报，2012，27（2）： 159-164

[7] 宋焕东.电动汽车智能充换电服务网络建设探讨[J].科技创新导报，2012，11（5）： 21-23

[8] 张志伟，顾丹珍.电动汽车智能充电策略研究[J].中国电力，2013，46（6）： 91-95