浅谈快充电站多类型应用方式

安科瑞 陈聪

摘要：随着能源互联网建设的加快推进，电动汽车等移动式负荷的渗透率将逐渐上升，同时快充电站也将趋于规模化运营。复杂的网络结构和多主体调控方式大幅增加了电网的控制难度和失稳风险。通过调研国内外对快充电站并网影响因素及涉网性能的研究现状，重点分析规模化快充电站运行对电网3个主要方面的挑战；针对能源互联网中“快充电站+储能+其他元素”的新型快充电站应用方式，以充储/光储充一体化电站为范例，分析该领域现有的研究进展和工程经验，并对比分析充储/光储充一体化电站与规模化含储能快充电站的异同；*后，从应用前景和关键技术两个层面出发，探讨含储能快充电站未来的发展路径。

关键词：储能；快充电站；充储一体化；电动汽车；控制技术

0前言

随着城市运营车辆纯电动化进程的不断推进，中国电动汽车产业正在飞速发展。据统计，截至2019年年底，全国新能源汽车保有量已达381万辆，占汽车总量的1.46%。与此同时，电动汽车配套基础设施的建设也在加速发展。为解决电动汽车用户的里程焦虑，提高电动汽车的续航能力，快充电站的规模化发展将成为必然趋势。

以充电功率大、服务时间短的非车载直流充电技术为基础的快充电站，在给电动汽车用户带来便捷体验的同时，也可能引发区域配电网容量不足、电压跌落和频率降低等问题。此外，快充电站启停瞬间功率的剧烈变化也给电网的实时平衡和稳定控制带来巨大挑战。在能源互联网背景下，寻求快充电站的多元化应用形式，以保障规模化快充电站的友好接入，成为当前的研究热点。储能具有能量转换存储和功率快速控制的特性，在能源互联网领域发挥关键枢纽作用。将储能与快充电站进行有机融合，协调规模化快充电站稳定运行，是推进智慧车联网服务体系建设、实现能源服务互动化和共享化的重要手段。

充储/光储充一体化电站示范项目是对“快充电站+储能”应用模式的积极探索，近年发展速度迅猛。随着快充电站示范工程的广泛开展，其规模化运营的并网影响，以及衍生的多类型应用方式成为业界关注的焦点。本文旨在从若干角度出发，梳理国内外对快充电站涉网性能、影响因素及其多类型应用方式下控制策略的研究，探讨推动含储能快充电站发展的关键技术，以促进含储能快充电站的规模化应用。

1快充电站对电网的影响因素

大量电动汽车等移动式电力负荷的接入，将改变原有的电网形态，使之形成随机、不确定的网络，用户的无序充电行为又导致负荷峰谷差进一步扩大，使得配电变压器过载风险加大。随着电动车辆渗透率的逐步攀升，电网损耗和电压偏差将显著增大，区域配电网的调峰容量不足问题凸显。

与此同时，采用高倍率、大电流的直流快充方式是快充电站区别于常规充电站对配电网产生巨大影响的另一个因素。图1对比了不同类型充电站中电动汽车的接入方式。常规充电站中，电动汽车的车载充电机与交流充电桩连接，并以10~15A的小电流慢充方式对动力电池进行充电，全过程需5~8h。快充电站中，电动汽车的动力电池直接连接至直流充电机，并以150~400A的大电流方式进行充电，用时20min~2h即可完成70%~80%。

图1不同充电方式下电动汽车接入电网示意

表1对比了2种充电方式的关键参数，可以看出，由于常规充电和快速充电在充电电压、电流和时间上的巨大差异，使得快充负荷对电网的稳定性影响更为明显。对于网架结构薄弱的地方配电网，快充负荷的接入将会使并网母线的电压静态稳定裕度大幅降低。同时，充电启停阶段的瞬时冲击也会引起电网频率波动超标的问题。

除此之外，充电机等电力电子设备由于整流方式不同，产生的直流侧电压纹波和注入电网侧的谐波电流存在较大差异，对电网的电能质量具有一定影响。表2对比了当前市场3种主流充电机的基本组成和各自特点。

由表2可知，3种充电机均会向电网注入谐波电流，从而不同程度地降低电能质量，但由于整流电路电子元件的谐波抑制效果不同，致使网侧电流总畸变率和市场化应用差异显著。PWM整流充电机虽然具备性能优势，但由于控制电路复杂，成本高昂，工程化推广应用受到阻碍；工频不可控整流充电机具有直流侧电压纹波小的特点，但在设备体积、网侧电流谐波和变换效率等方面均居于劣势，在公用电网中投运放缓；相比之下，高频不可控整流充电机尽管谐波电流较大，然而由于成本优势，在占有率方面仍占据地位，成为目前快充电站直流充电机类型。

综上所述，相较于常规充电站，快充电站中直流负荷的充电行为、充电方式和充电机类型发生了根本性变化，功率需求大、随机性强、谐波含量高的快充负荷对电网容量、稳定裕度以及电能质量提出更大挑战，成为当前快充电站对电网产生重大影响的主要因素。

现阶段，受限于技术成熟度和电网容量规划，快充电站的建设应用仍处于单站试验阶段。

但随着技术的逐渐成熟和能源互联网建设的持续推进，快充电站的规模化应用投产将成为必然趋势，届时快充电站的并网影响将被放大，鉴于此，规模化快充电站的涉网性能成为学者们热议的话题。

表1常规充电与快速充电的主要参数对比

表2主流充电机的基本组成及其特点

2规模化快充电站的涉网性能

目前，国内外对规模化快充电站涉网性能的研究主要聚焦于以下几个层面。

2.1电网容量

现有城市配电网在规划建设时期并未充分考虑到快充电站的应用，规模化快充电站的建设运营给电网带来新一轮负荷增长，使其容量不足问题更为突出，加剧了电网升级扩建压力。研究表明，大量电动汽车充电使电网的负荷峰值迅速攀升。预计2030年，美国13个供电区域中将有10个区域须新增装机以满足电动汽车快充服务的电能需求。

2.2电能质量

规模化快充电站并网与电压偏差、电压波动和谐波污染等电能质量问题的关联度受到国内外学者的密切关注。文献指出，在电网结构薄弱的居民配电区域，由于电网容量有限，当充电负荷达到一定量值时，电缆线路重过载、节点电压跌落等问题将集中爆发。此外，归因于整流电路开关元件的非线性特性，充电机成为电网的谐波源之一。文献剖析充电机拓扑结构，证明了充电机模型和数量与谐波电流含量的关系。研究表明，6脉冲和12脉冲的充电机结构均会导致高次谐波，且在功率*大时刻，谐波电流含量达到*峰。同时，充电机数量也与谐波含量呈现正相关的关系。上述文献针对抑制谐波电流的建议除了改进充电机结构之外，未提出其他有效的治理手段。但改进充电机往往伴随着更大的资本投入，在当前的市场推广中价值较低。

2.3运行稳定性

低惯量、弱支撑的新能源机组高比例渗透和传统发电机组的占比减少，使得电力系统转动惯量大幅降低，电网面临电压、频率等关键运行指标调节能力不足的困境。为避免大规模快充负荷引发电压或功角连环失稳事故，深入研究规模化快充电站并网对电力系统运行稳定性的影响，从而对潜在风险进行合理预判和有效评估显得尤为必要。文献针对电压稳定薄弱区域，建立一种考虑电动汽车负荷特性和波动极限的静态电压稳定裕度的计算方法和评估方案。

3快充电站多类型应用模式研究现状

现阶段对快充电站多类型应用方式的探索主要以充储/光储充一体化电站为例。虽然现有落地示范工程多为单个快充电站项目，但其运行方式、控制策略等对规模化含储能快充电站的研究和建设具有较高的借鉴价值。

3.1运行方式

充储/光储充一体化电站实现了多电源供电方式，可在并网与离网运行之间灵活切换。图2为光储充一体化电站的拓扑结构。由图2可知，在并网模式下，光储充电站由外部配电网和站内光伏电源共同供电，储能系统跟踪光伏出力以平抑功率波动，促进站内光伏电量消纳；离网运行时，储能系统作为主要电源，在能量管理系统的调节和控制下，建立统一的电压和频率参考值，以保障充电站的可靠供电和光伏电源的高效利用；除此之外，光储充一体化电站还可实现分时段并/离网切换运行。光储充电站根据电价水平决策并/离网定时切换动作，在高电价时段离网，低电价时段并网，以降低整体购电成本。当系统由离网切换至并网运行时，站内能量管理系统通过跟踪离网电压和频率，带动系统并入主网，从而实现并/离网的柔性切换。

图2光储充一体化电站拓扑结构

3.2控制策略

充储/光储充一体化电站利用能量管理系统跟踪电站运行功率，通过控制策略实时优化储能系统出力，从而达到削峰填谷、平滑波动的功能定位。针对规模化快充电站并网中存在的诸多问题，充储/光储充一体化电站亦有相应控制策略研究。

在电网容量方面，文献考虑重负荷水平下电网容量不足的问题，依托充储电站与配电网的功率交换能力，提出一种面向削峰填谷服务的储能系统充放电控制策略，但忽略了配电网中充储电站分散布局的问题，缺乏多点充储电站之间的能量互动和协调控制能力。

在电能质量方面，文献分别从电动汽车快速充电时网侧谐波电流含量、总畸变率以及电压跌落幅度等多维度展开研究，并提出一种有效抑制谐波、补偿无功电压、平抑功率波动的储能系统控制策略。然而上述文献中储能选型为飞轮储能，但飞轮储能制造成本高昂，难以在短时期内实现规模化应用。

在电力系统稳定运行方面，文献提出了基于混合储能的电动汽车充电站直流微网协调控制技术。该文将快充负荷和光伏电源引起的功率波动分解为高频分量与中低频分量，并分别利用飞轮储能和电池储能进行补偿，以达到平抑直流母线电压波动、提高电压稳定裕度的目的。但上述研究仅面向光储充直流微网系统，而未考虑在并网状态下与配电网的互动能力。

4含储能快充电站应用前景及关键技术展望

4.1应用前景展望

含储能快充电站是能源互联网时代新型基础设施建设的发展产物，其应用模式为“储能+快充电站+其他元素”。随着5G通信技术的进步，信息物理系统的建设将更加完善，数据共享、资源共享和市场多边交易也更加广泛。在城市电网中，构建含储能快充电站与数据站联合运营系统，通过聚合分布式储能容量向数据站供电；同时，分布式储能的海量数据信息也可通过数据实现全网共享，从而形成可调度、可交易的虚拟储能资源。针对广域布局的含储能快充电站，采用单点自治控制与广域协调调度结合的调控策略，增强电力系统的灵活可控性和抵御扰动风险的能力。此外，将能源流和信息流融合，通过共享经济实现配电容量、快充服务、储能资源和电力大数据的高效率、高质量利用，使之贯穿电网-交通-储能-数据等整条价值链，延伸电力电量供给服务价值，从而激发规模化含储能快充电站潜在的经济价值与社会价值。

此外，就快充电站而言，随着无线充电技术的日益成熟，快充电站的充电方式将更加多元。电动汽车占比的上升以及用户对便捷体验要求的提高，将激发以无线充电和有线充电为基础的混合新型快充电站诞生。电动汽车既可以通过无线充电位或无线充电轨道完成充电过程，又可以通过直流充电机进行有线快速充电。

虽然大量研究表明，储能以其能量快速吞吐、功率灵活控制的特性使得快充电站对外呈现“柔性负荷”的特性，但由于相关技术成熟度不高，工程应用经验不够丰富，当前规模化含储能快充电站仍处于研究阶段。与此同时，能源互联网中含储能快充电站的商业模式和运营方式尚不明确，对含储能快充电站与区域配电网之间的典型互动模式还有待深入研究。

4.2关键技术展望

当前对快充电站多类型应用系统的建模仅有以光储充/充储一体化电站为范例的单一电站模型，而规模化含储能快充电站涉及多个电站单元的集成，加之未来快充电站中无线充电和有线充电方式的混合使用，使含储能快充电站的结构更加庞大且复杂，多个单元之间的调度控制难度大幅上升，对储能出力精度和通信网络速度的要求更加严格。显然，现有的充储/光储充一体化电站模型和基于生产自动化系统的信息网络架构，难以满足能源互联网背景下的规模化含储能快充电站的应用要求。如何描述含储能快充电站的复杂网络结构并建立相应的仿真模型，如何实现多点含储能快充电站中储能单元之间，以及储能与上级网络之间的快速通信和控制成为研究的重要命题。

5安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

5.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

5.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

5.4安科瑞充电桩云平台系统功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

5.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

5.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

5.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

5.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

5.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

5.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

5.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

5.5系统硬件配置

6结束语

随着高比例电力电子设备、新能源发电和电动汽车的大量接入，电网形态逐渐向复杂化、随机化演变。快充电站作为能源互联网的重要构成，其规模化运行将增加电网的控制难度和失稳风险。因此，寻求快充电站的多元化应用方式，使之形成可控制、可调度的“柔性负荷”具有重要意义。

本文首先从快充电站并网的影响因素及涉网性能的角度出发，研究其规模化应用给电网带来的多方位挑战，提出发展“快充电站+储能”新型应用方式的迫切需求。然后，根据该领域现有的研究进展和工程经验，探讨充储/光储充一体化电站对规模化含储能快充电站在研究和应用方面的指导意义，并对能源互联网背景下二者的本质区别和影响差异进行分析。*后，针对含储能快充电站的应用前景及关键技术，探讨其未来发展

路径，并得出以下结论。

广域聚合控制技术和共享经济的发展将催生虚拟储能应用潮流，使含储能快充电站在电网、交通、储能、数据等领域延伸多条价值链；但目前由于相关技术储备和工程经验不足，规模化快充电站的落地应用仍需经历漫长的理论研究和工程试验之路。

此外，能源互联网中含储能快充电站的商业模式、运行方式及其与配电网的互动形式尚不明确；规模化含储能快充电站的复杂网络模型和多点分散布局的站内储能系统的聚合控制策略仍有待深入研究。

参考文献

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