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京能集团北京高新技术创业投资有限公司 赵 亮

随着国家3060“碳达峰”“碳中和”的提出，能源战略已逐步向新能源行业转变，传统的能源行业已不能满足新时代环境下的要求，而随之兴起的光伏、风电、电动汽车、储能等绿色能源成为社会的翘楚，如何最大限度的充分利用各种绿色能源为我们服务，尽可能避免使用传统能源，达到逐步取代传统能源的目的成为我们研究的目的。

分布式综合能源有诸多优点：改善电网峰谷供电性能，提高供电可靠性和经济性；有效利用清洁能源，改善环境污染；充分利用可再生能源；发电就地随发随用，不再需要过长供电线路，减少线路损失及电量损失；将多种能源统一调度和分配，充分发挥能源最大化效益。因此，分布式新能源得到越来越多的关注，在整体发电量占比中也越来越重。

现阶段光伏、充电桩、储能、风电等新能源相关发电技术越来越成熟，工业链体系也逐步得到完善。光伏成本正在逐年降低（主观因素除外）；储能电池也在积极研发更新迭代中，正在向更安全更低廉的方向迅速发展；充电桩更是如雨后春笋，形态各异，不管是从硬件还是从运营平台都得到了很大提升，整个新能源行业都发生了质的变化。

下面以现有主流的新能源综合项目——光伏、储能、充电桩一体化系统（简称光储充系统）为研究内容，分别从不同角度分析了影响其能源效率的各个因素，阐述了光伏发电的原理，并根据模型参数分析了影响光伏发电量的因素，解析了储能在系统中的作用和优点，最终达到能源效率最大化，实现经济效率最优。

1 光伏发电系统特性

1.1 光生伏特效应

光生伏特效应是指半导体在受到光照射时，物体内电荷分布状态发生变化而产生电流和电动势的现象。具体工作原理如图1所示：如果光线照射在太阳能电池上，并且光在界面层被吸收，那么在界面层P-N结上形成新的空穴—电子对，空穴—电子对在P-N结电场作用下，空穴由N区向P区流动，电子则由P区向N区流动，形成电动势，在线路接通情况下形成电流，这就是光伏发电的基本工作原理。

图1 光伏发电原理图

1.2 光伏发电的建模

根据P-N结光生伏特效应可以将光伏发电等效成以下电路，如图2所示，图中把光照下的P-N结可以等效为一个理想二极管并联一个恒流源，Iph即为理想的光生伏特效应的电流值，由于实际在电路回路中，各个电气元件材料必定有一定的电阻率和内阻，制作工艺的客观因数也会导致一定的漏电，因此需要在等效电路中各串并联一个等效电阻。

图2 光伏等效电路图

根据电路图，光伏发电的电流方程为：Iph-IId-Ish=0

可进一步化为：

上式中：I为光伏电池输出电流，V为光伏电池输出电压，Iph为发生电流，I0为二极管饱和电流，Ish为流过二极管电流，q为电荷，Rsh为光伏电池并联电阻，Rs为光伏电池串联电阻，A为二极管特性因子，K为玻尔兹曼常数，T为光伏电池温度。

通过上式可以看出发电量与电池的温度、日照强度有直接关系，因此，光照辐射强度和温度的大小是影响的光伏发电量的决定性因素，但通过实际运行测试，光伏系统对太阳辐能量的利用效率只有10%左右，大部分的能量损耗表现在以下几个方面：太阳电池转化效率、整体线路损失、各个组件组合损失、逆变器损失、灰尘遮挡损失、蓄电池效率等。

2 储能系统

2.1 储能的作用

光储充系统中储能多为电化学储能为主，按照用途可分为发电侧储能、用户侧储能、电网侧储能。综合能源系统主要是以用户侧储能为主，主要是通过尖峰谷平电价差将市电在低价时存储，高价时释放，根据电价差额来获得利润。储能在存储时可以消纳电网上多余的绿电，比如风电、光伏等，充分利用新能源达到节约能源、减碳的目的；同时也可以很好的解决由于建造大型充电桩，而造成的变压器负荷不够问题；在峰谷电价差高的地区，还可以充分利用谷时电价来存储，获得利润最大化。目前根据实际运营情况，储能整体系统的转化率可以达到85%以上，包括了各种元器件之间的转换能源损耗和运行损耗，转化效率高，能源损耗低，是很好的能源解决方案，市场上有很好的推广度。

2.2 储能系统的构成

储能系统即可作为电源，也可以作为负载，在充电时候为一负载，在放电时候即可作为电源，在整个系统中还必须配备防逆流装置（一般有硬件防逆流和软件防逆流），以防用户侧返送入大电网。大型储能系统按照系统不同作用可分为三大主要系统，分别为EMS、PCS和BMS，BMS为电池管理系统，控制着最底层电池的各项详细参数，如：电芯温度、电芯电压、电芯电流、电池均衡、SOC、SOH、充放电等功能，BMS同时通过总线方式与PCS、EMS实现信息交互；大型储能系统的BMS又分为三级架构，分别为电芯管理单元（BMU）、电池簇管理单元（BCMU）、电池堆管理系统（BAMS）。PCS为储能变流器，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。EMS为能源管理系统，统一管理能源分配和充放电策略，已实现计划充放电、系统保护等功能，完成系统的安全稳定高效运行。

2.3 储能的节能效率

储能的节能效率主要是通过峰谷电价差来获取收益，为了是收益最大化，就必须尽量拉大峰谷电量，即在低谷用电时尽量多充电，在高峰用电时将电量全部耗尽，此时才能得到效率最大化[1]。由于多地高峰时间段为两个时间段，比如北京：高峰时段为10:00-15:00和18：00-21:00，为了扩大收益，可以进行两充两放，即除了在原来低谷时段23:00-7:00充电外，可以在平段15:00-18:00进行适当充电，在两个高峰时间段10:00-15:00和18:00-21:00来进行放电，根据实际消纳情况来找到充放电的最佳平衡点，实现整体效益对大化[2]。

3 充电桩特性及分析

电动汽车充电桩是以电动汽车客户为消费对象，及时为他们提供快速充电服务。作为系统内唯一负载，外加其具有独特的车流量不确定性和随机性，造成了整个能源系统充放电的不确定性和无规律性，受外界偶然因素影响较大，属于不可控负载[3]。其能源利用特性与充电桩所在位置、所在地电动汽车市场占有量、充电引流服务等有密切关系，主观因素影响较大。只能根据历史车辆记录来大致判断日用电消耗量，每个站点由于各自因数的不同，充电车辆数量也会有很大差别[4]。

4 能源管理系统分析

为了将光储充系统统一接入电网，需要将各个系统通过配线来统一管理和并网。一般光储充系统的并网系统主接线：光伏，储能，充电桩均接在同一电气母线上，通过变压器与市电进行连接，在变压器出口安装有防逆流装置防止逆流[5]。

根据对以上几种能源的分析，结合配网接线图，总体上来说：若想实现能源利用最大化，需将光伏发电量达到最大，储能充放电时段实现两充两放时最优，充电桩能够有最大用户量，整体效益才能最大。具体到每个系统来说：光伏系统需要充分考虑光照强度，以及各种客观因数（如灰尘、逆变器、线路损失等）；市电需考虑当地峰谷电价政策，以及辅助服务等政策；储能则应该考虑设备成本、根据具体项目现场消纳情况充分利用两充两放策略；充电桩则应该考虑社会整体电动车占比、地理位置、引流等因素，最大程度保证充电桩使用率[6]。

综上，从整体能源结构可以看出，电源侧为光伏和市电，负载为电动汽车充电桩，储能即为负载也为电源。从最大化提高能源利用效率和经济性的角度考虑，电源侧光伏系统需要充分考虑光照强度，以及各种客观因数（如灰尘、逆变器、线路损失等）；市电需考虑当地峰谷电价政策，以及辅助服务等政策；储能则应该考虑设备成本、根据具体项目现场消纳情况充分利用两充两放策略；充电桩则应该考虑社会整体电动车占比、地理位置、引流等因素，最大程度保证充电桩使用率。只有将各个方面发挥到最大化，才能使系统达到利润最大化，新能源得到充分利用。