淺談快充電站多類型應用方式——以充儲/光儲充一體化電站為例

摘要：隨著能源互聯網建設的加速，電動汽車等移動負荷的滲透率將不斷提升，同時，快充電站也將趨于大規模運營。這種復雜的網絡結構和多主體調控模式顯著增加了電網的控制難度和失穩風險。本文調研了國內外關于快充電站并網影響因素及其涉網性能的研究現狀，著重分析了規模化快充電站運行對電網的三大挑戰。針對“快充電站+儲能+其他元素"的新型應用模式，以充儲/光儲充一體化電站為例，探討了該領域的現有研究進展和工程經驗，并對比了充儲/光儲充一體化電站與規模化含儲能快充電站的異同。最后，從應用前景和關鍵技術兩個維度，探索了含儲能快充電站的未來發展路徑。

關鍵詞：儲能；快充電站；充儲一體化；電動汽車；控制技術

0 引言

隨著城市運營車輛純電動化進程的加速，中國電動汽車產業蓬勃發展。據統計，至2019年底，全國新能源汽車保有量已達381萬輛，占比汽車總量的1.46%。與此同時，電動汽車配套基礎設施建設亦在加速。為解決電動汽車用戶的續航焦慮，快充電站的規模化發展已成為必然趨勢。

基于高功率、短服務時間的非車載直流充電技術的快充電站，在提供便捷充電服務的同時，也可能導致區域配電網容量受限、電壓波動和頻率降低等問題。此外，快充電站啟停時的功率劇烈變化對電網的實時平衡和穩定控制構成嚴峻挑戰。在能源互聯網背景下，探索快充電站的多元化應用模式，確保規模化快充電站的友好接入，是當前研究的重點。儲能因其能量轉換存儲和功率快速控制的特性，在能源互聯網中扮演關鍵角色。將儲能與快充電站融合，協調其穩定運行，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途徑。

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，近年來發展迅速。隨著快充電站示范工程的廣泛實施，其規模化運營的并網影響及多樣化的應用方式成為業界關注的焦點。本文旨在從多個角度梳理國內外關于快充電站涉網性能、影響因素及其多樣化應用模式下的控制策略研究，探討推動含儲能快充電站發展的關鍵技術，以促進其規模化應用。

1 快充電站對電網的影響因素

大量電動汽車等移動電力負荷的接入，將改變電網原有的形態，使之呈現隨機性和不確定性。用戶的無序充電行為進一步加劇了負荷峰谷差，增加了配電變壓器過載的風險。隨著電動汽車滲透率的不斷提高，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日益突出。

同時，快充電站采用高倍率、大電流的直流快充方式，這是其區別于常規充電站對配電網產生顯著影響的另一重要因素。圖1展示了不同類型充電站中電動汽車的接入方式。在常規充電站中，電動汽車的車載充電機與交流充電樁連接，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詳細對比了兩種充電方式的關鍵參數，從中可以明顯看出，常規充電與快速充電在充電電壓、電流及時間上的顯著差異，導致快速充電負荷對電網穩定性的影響更為顯著。對于結構較為脆弱的地方配電網而言，快速充電負荷的接入會顯著降低并網母線的電壓靜態穩定裕度。此外，在充電啟停階段產生的瞬時沖擊還可能引發電網頻率波動超出正常范圍的問題。

除此之外，不同類型的充電機因整流方式的不同，在直流側電壓紋波和注入電網的諧波電流方面也存在較大差異，這對電網的電能質量造成了一定影響。表2則對當前市場上三種主流充電機的基本構成及其各自特點進行了對比。

從表2中我們可以了解到，這三種充電機都會向電網注入諧波電流，從而不同程度地降低電能質量。然而，由于整流電路中電子元件的諧波抑制效果各不相同，導致網側電流的總畸變率以及市場化應用情況存在顯著差異。PWM整流充電機雖然在性能上具有優勢，但因其控制電路復雜且成本高昂，因此在工程化推廣應用上受到了阻礙；工頻不可控整流充電機雖然具有直流側電壓紋波小的優點，但在設備體積、網側電流諧波含量以及變換效率等方面均處于劣勢，因此在公用電網中的投運速度有所放緩；相比之下，高頻不可控整流充電機盡管諧波電流較大，但憑借其成本優勢，成為當前快充電站直流充電機的類型。

綜上所述，與常規充電站相比，快充電站中的直流負荷在充電行為、充電方式以及充電機類型上均發生了根本性變化。快充負荷具有功率需求大、隨機性強以及諧波含量高等特點，這些特點對電網容量、穩定裕度以及電能質量都提出了更大的挑戰，成為當前快充電站對電網產生重大影響的主要因素。

目前，由于技術成熟度和電網容量規劃的限制，快充電站的建設應用仍處于單個站點試驗階段。然而，隨著技術的不斷進步和能源互聯網建設的持續深入，快充電站的規模化應用投產將成為大勢所趨。屆時，快充電站的并網影響將更加顯著，因此，規模化快充電站的涉網性能也成為了學術界和業界熱議的焦點話題。

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研究

當前，國內外學者對規模化快充電站涉網性能的研究主要集中在以下幾個關鍵層面。

2.1 電網容量挑戰

在現有城市配電網的規劃與設計階段，快充電站的應用并未被充分考慮。因此，規模化快充電站的建設與運營給電網帶來了新的負荷增長壓力，使得電網容量不足的問題更加凸顯，加劇了電網升級與擴建的緊迫性。研究顯示，大量電動汽車的充電行為會迅速推高電網的負荷峰值。預計到2030年，美國將有10個供電區域需要新增裝機容量，以滿足電動汽車快充服務所需的電能。

2.2 電能質量影響

規模化快充電站并網與電能質量之間的關系，特別是與電壓偏差、電壓波動以及諧波污染等問題，受到了國內外學者的廣泛關注。有文獻指出，在電網結構相對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水平時，會出現電纜線路重載、節點電壓下降等問題。此外，由于整流電路開關元件的非線性特性，充電機成為電網諧波的重要來源之一。通過深入分析充電機的拓撲結構，文獻證實了充電機模型和數量與諧波電流含量之間的關聯。研究表明，6脈沖和12脈沖的充電機結構均會產生高次諧波，且在功率最大時，諧波電流含量達到峰值。同時，充電機的數量也與諧波含量呈正相關關系。盡管有文獻提出了改進充電機結構以抑制諧波電流的建議，但這種方法往往伴隨著較高的成本投入，在當前市場推廣中并不具備優勢。

2.3 運行穩定性評估

隨著新能源機組的高比例滲透和傳統發電機組的占比下降，電力系統的轉動慣量顯著降低，導致電網在電壓、頻率等關鍵運行指標上的調節能力不足。為避免大規模快充負荷引發電壓或功角失穩事故，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，對潛在風險進行合理預判和有效評估顯得尤為重要。有文獻針對電壓穩定薄弱區域，提出了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

目前，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。盡管現有的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重要的參考價值。

3.1 運行方式多樣化

充儲/光儲充一體化電站實現了多電源供電的靈活性，能夠在并網與離網運行之間自由切換。圖2展示了光儲充一體化電站的拓撲結構。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滑功率波動，促進光伏電量的高效利用；在離網運行時，儲能系統作為主要電源，在能量管理系統的調節下，建立統一的電壓和頻率參考值，確保充電站的可靠供電和光伏電源的高效利用。此外，光儲充一體化電站還能根據電價水平實現分時段并/離網切換運行，以降低整體購電成本。

3.2 控制策略優化

充儲/光儲充一體化電站利用能量管理系統實時跟蹤電站運行功率，并通過控制策略優化儲能系統的出力，以實現削峰填谷和平滑波動的功能。針對規模化快充電站并網中存在的問題，充儲/光儲充一體化電站也有相應的控制策略研究。

在電網容量方面，有文獻考慮了在重負荷水平下電網容量不足的問題，提出了一種面向削峰填谷服務的儲能系統充放電控制策略。然而，該策略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，有文獻從電動汽車快速充電時的網側諧波電流含量、總畸變率以及電壓跌落幅度等多個維度進行了研究，并提出了一種有效抑制諧波、補償無功電壓和平抑功率波動的儲能系統控制策略。但需要注意的是，該策略中選用的飛輪儲能制造成本高昂，難以在短期內實現規模化應用。

在電力系統穩定運行方面，有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。該技術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和提高電壓穩定裕度的目的。但上述研究僅針對光儲充直流微網系統，并未考慮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重要產物，其應用模式融合了“儲能+快充電站+其他元素"。隨著5G通信技術的進步和信息物理系統的完善，數據共享、資源共享以及市場多邊交易將更加廣泛。在城市電網中，構建含儲能快充電站與數據站聯合運營的系統，通過聚合分布式儲能容量向數據站供電，同時實現分布式儲能數據的全網共享，形成可調度、可交易的虛擬儲能資源。對于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相結合的調控策略，增強電力系統的靈活性和抵御擾動的能力。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利用，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的價值，從而激發規模化含儲能快充電站的潛在經濟價值和社會價值。

同時，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化。電動汽車占比的上升以及用戶對便捷體驗要求的提高，將推動以無線充電和有線充電為基礎的混合新型快充電站的發展。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，也可以通過直流充電機進行有線快速充電。

盡管大量研究表明，儲能以其能量快速吞吐和功率靈活控制的特性使快充電站呈現“柔性負荷"的特性，但由于相關技術尚不成熟且工程應用經驗有限，當前規模化含儲能快充電站仍處于研究階段。此外，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朗，對含儲能快充電站與區域配電網之間的典型互動模式還需進一步深入研究。

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主要基于以光儲充/充儲一體化電站為范例的單一電站模型。然而，規模化含儲能快充電站涉及多個電站單元的集成，并且未來快充電站中無線充電和有線充電方式將混合使用，這使得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顯著增加，對儲能出力精度和通信網絡速度的要求也更加嚴格。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已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。因此，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，以及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，成為當前研究的重要課題。

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

隨著大量高比例電力電子設備、新能源發電裝置及電動汽車接入電網，電網的結構逐漸趨向復雜化和隨機化。快速充電站作為能源互聯網的關鍵組成部分，其大規模運行將加劇電網的控制難度，并提升系統失穩的風險。因此，探索快速充電站的多樣化應用策略，將其轉化為可管理和可調度的“柔性負荷"，顯得尤為重要。

本文首先聚焦于快速充電站并網的影響因素及其涉網性能，分析大規模應用對電網帶來的多重挑戰，進而提出發展“快速充電站+儲能"新型應用模式的迫切需求。隨后，基于當前的研究進展和工程實踐，本文探討了充儲/光儲充一體化電站對大規模含儲能快速充電站在研究和應用方面的啟示，同時分析了在能源互聯網背景下，這兩種模式的本質區別及影響差異。

最后，針對含儲能快速充電站的應用前景及核心技術，本文探討了其未來的發展路徑，并得出以下結論：

隨著廣域聚合控制技術和共享經濟的興起，虛擬儲能應用將成為趨勢，推動含儲能快速充電站在電網、交通、儲能、數據等多個領域構建多元化的價值鏈。然而，由于當前相關技術和工程經驗的不足，大規模快速充電站的落地實施仍需經歷長期的理論探索與工程實踐。

此外，能源互聯網中，含儲能快速充電站的商業模式、運行策略及其與配電網的互動模式尚未清晰；對于大規模含儲能快速充電站的復雜網絡模型和多點分散布局的儲能系統聚合控制策略，仍需進一步深入研究。

參考文獻

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