光伏直流智能充電樁有序充電策略及其應用探析

摘要：在當下能源轉型的大環(huán)境中，光伏 - 直流智能充電樁憑借其高效、環(huán)保的顯著特性，正逐步成為未來充電基礎設施建設的關鍵發(fā)展趨向。本文將深入研討光伏 - 直流智能充電樁的有序充電策略以及其應用成效。然而，大量光伏電能輸出和電動汽車充電需求在時間維度上的不契合，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行施加了較大壓力。為此，提出一種針對光伏直流智能充電樁的有序充電策略，在滿足充電需求的基礎上，削減外網(wǎng)供電量，可有效提升光伏的自我消納能力以及負荷滿足率。

關鍵詞：充電樁；有序充電策略；電動汽車；S2V；直流系統(tǒng)

一、引言

（一）雙碳目標引領下的能源變革
在雙碳目標的導向作用下，以風能和太陽能發(fā)電為代表的可再生能源將得到廣泛運用。建筑屋頂光伏在其中占據(jù)重要地位，預計到 2025 年，公共機構新建建筑屋頂光伏的覆蓋率將達到 50%，以建筑屋頂光伏系統(tǒng)為典型的分布式能源體系也會獲得大量應用。不過，大規(guī)模分布式光伏接入電網(wǎng)或許會對電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生不利影響，如何切實實現(xiàn)就地消納成為亟待攻克的難題。

（二）電動汽車發(fā)展引發(fā)的挑戰(zhàn)與契機
電動汽車發(fā)展勢頭迅猛，預計到 2030 年中國將擁有約 8000 萬輛電動汽車。龐大的充電需求會對區(qū)域電力系統(tǒng)造成巨大挑戰(zhàn)，并且私家電動汽車大約 90% 以上的時間停放在建筑內部或周邊停車場，其充電過程與建筑能源系統(tǒng)深度交融。因此，探究電動汽車與建筑光伏之間的互動模式，并挖掘其對建筑光伏的利用潛力，對于降低碳排放具有重要意義。

（三）現(xiàn)行充電模式及光伏電力存在的問題
自 2009 年利用太陽能為電動汽車充電（S2V）的概念被提出后，相關硬件、經(jīng)濟性和策略的研究成果陸續(xù)發(fā)表。但目前電動汽車的主要充電方式大多為恒功率充電，這導致了大量的瞬時尖峰負荷，給電網(wǎng)帶來了沉重的壓力。此外，光伏電力具有波動性、隨機性和間歇性等不穩(wěn)定特點，與電力需求側的負荷存在較大的不匹配情況。在實際的 S2V 場景中，往往需要從電網(wǎng)獲取電力為電動汽車充電，同時又有部分光伏電能無法得到有效消納。所以，設計一種全新的有序充電策略，使電動汽車充電需求與光伏發(fā)電特性相適配，對于綠色電能的消納至關重要。

二、光伏 - 直流智能充電樁的優(yōu)勢

（一）環(huán)保節(jié)能方面的優(yōu)勢
通過利用太陽能進行光伏發(fā)電，減少了對傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低了碳排放。與傳統(tǒng)的交流充電樁相比，直流充電樁的充電速度更快，能夠更高效地為電動汽車提供能量支持。

（二）穩(wěn)定可靠的特性
光伏系統(tǒng)能夠在白天為充電樁提供相對穩(wěn)定的電力供應，降低電網(wǎng)波動對充電過程的干擾。同時，智能充電樁配備了完善的保護功能，有力地確保了充電過程的安全可靠。

（三）成本效益的分析
盡管初期投資相對較高，但從長遠來看，光伏 - 直流智能充電樁能夠降低運營成本。借助太陽能發(fā)電，減少了電費支出，同時提高了充電設施的利用效率。

三、有序充電策略

（一）智能調度策略
通過充電樁與電網(wǎng)之間的通信連接，實現(xiàn)智能調度。依據(jù)電網(wǎng)負荷狀況、光伏發(fā)電量以及電動汽車的充電需求，科學合理地安排充電時間和功率，避免在高峰時段進行充電，以減輕電網(wǎng)的壓力。
例如，在電網(wǎng)負荷較低的時間段，如夜間或凌晨，提高充電樁的輸出功率，加快充電速度；而在電網(wǎng)負荷高峰時段，則降低充電功率或者暫停充電，從而實現(xiàn)電網(wǎng)供需的平衡。

（二）功率控制策略
根據(jù)電動汽車的電池狀態(tài)和充電需求，動態(tài)調整充電功率。當電池電量較低時，采用較大功率進行充電，以縮短充電時間；當電池電量接近充滿時，降低充電功率，以保護電池的使用壽命。
此外，還可以借助智能控制算法，實現(xiàn)對多輛電動汽車的功率分配，確保每輛車都能夠在合理的時間內完成充電。

（三）光伏發(fā)電優(yōu)先利用策略
充分利用光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的發(fā)電量，優(yōu)先為電動汽車進行充電。當光伏發(fā)電量大于充電需求時，可以將多余的電量進行存儲或者回饋到電網(wǎng)；當光伏發(fā)電量不足時，再從電網(wǎng)獲取電力。
這樣一來，不僅可以提高光伏系統(tǒng)的利用率，還能夠減少對電網(wǎng)的依賴程度，降低充電成本。

四、應用效果

（一）緩解電網(wǎng)壓力
通過實施有序充電策略，光伏 - 直流智能充電樁能夠在一定程度上緩解電網(wǎng)壓力。避免在高峰時段充電，減少了電網(wǎng)負荷的峰值，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（二）提高充電效率
智能調度和功率控制策略能夠根據(jù)電動汽車的實際需求，合理安排充電時間和功率，從而提高充電效率。同時，直流充電樁的快速充電特性也縮短了用戶的充電時間，提升了用戶的體驗感。

（三）促進可再生能源發(fā)展
光伏 - 直流智能充電樁的推廣應用，有助于推動可再生能源的發(fā)展。增加了太陽能等清潔能源在能源消費中的占比，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標做出了積極貢獻。

（四）降低運營成本
利用光伏發(fā)電以及有序充電策略，能夠降低充電樁的運營成本。減少電費支出，提高經(jīng)濟效益，同時也為充電樁運營商創(chuàng)造了更多的商業(yè)機會。

五、安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

（一）概述

AcrelCloud - 9000 安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術，對接入系統(tǒng)的電動自行車充電站以及各個充電樁進行不間斷的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)測充電樁的運行狀態(tài)，實現(xiàn)充電服務、支付管理、交易結算、資產(chǎn)管理、電能管理以及明細查詢等功能。同時，對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入 / 輸出過壓、欠壓、絕緣低等各類故障進行預警。充電樁支持以太網(wǎng)、4G 或 WIFI 等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶可通過微信、支付寶、云閃付掃碼充電。

（二）應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等采用充電樁模式的充電基礎設施設計。

4.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)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(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)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(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)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。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)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(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監(jiān)控

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

4.4.3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(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

4.4.4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(fā)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(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)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(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

4.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)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(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

4.4.7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(huán)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(shù)設置，同時可接收故障推送

4.4.8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。

4.5系統(tǒng)硬件配置

類型	型號	圖片	功能
安科瑞充電樁收費運營云平臺	AcrelCloud-9000		安科瑞響應節(jié)能環(huán)保、綠色出行的號召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟、智能運營管理的市場需求，提供電動汽車充電軟件解決方案，可以隨時隨地享受便捷安全的充電服務，微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、安全的充電服務。實現(xiàn)對動力電池快速、安全、合理的電量補給，能計時，計電度、計金額作為市民購電終端，同時為提高公共充電樁的效率和實用性。
互聯(lián)網(wǎng)版智能交流樁	AEV-AC007D		額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷 保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持刷卡，掃碼、免費充電可選配顯示屏
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC030D		額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠 程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC060S		額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC120S		額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費充電
10路電瓶車智能充電樁	ACX10A系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持刷卡、免費充電 ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電
2路智能插座	ACX2A系列		2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持刷卡充電
20路電瓶車智能充電樁	ACX20A系列		20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持刷卡，免費充電
落地式電瓶車智能充電樁	ACX10B系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告
絕緣監(jiān)測儀	AIM-D100-ES		AIM-D100-ES系列直流絕緣監(jiān)測儀可以應用在15~1500V的直流系統(tǒng)中，用于在線監(jiān)測直流不接地系統(tǒng)正負極對地絕緣電阻，當絕緣電阻低于設定值時，發(fā)出預警或報警信號。
絕緣監(jiān)測儀	AIM-D100-T		AIM-D100-T系列直流絕緣監(jiān)測儀可以應用在10~1000V的直流系統(tǒng)中，用于在線監(jiān)測直流不接地系統(tǒng)正負極對地絕緣電阻，當絕緣電阻低于設定值時，發(fā)出預警或報警信號。
智能邊緣計算網(wǎng)關	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
	擴展模塊ANet-485		M485模塊：4路光耦隔離RS485
	擴展模塊ANet-M4G		M4G模塊：支持4G全網(wǎng)通
導軌式單相電表	ADL200		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級 支持Modbus和645協(xié)議 證書：MID/CE認證
導軌式電能計量表	ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統(tǒng)計，總正反向無功電能統(tǒng)計；紅外通訊；電流規(guī)格：經(jīng)互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 證書：MID/CE認證
無線計量儀表	ADW300		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級（改造項目） 證書：CPA/CE認證
導軌式直流電表	DJSF1352-RN		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量，復費率電能統(tǒng)計，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級，1路485通訊，1路直流電能計量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認證
面板直流電表	PZ72L-DE		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級 證書：CE認證
電氣防火限流式保護器	ASCP200-63D		導軌式安裝，可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設。
開口式電流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列開口式電流互感器安裝方便，無須拆一次母線，亦可帶電操作，不影響客戶正常用電，可與繼電器保護、測量以及計量裝置配套使用。
霍爾傳感器	AHKC		霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。
智能剩余電流繼電器	ASJ		該系列繼電器可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式的剩余電流動作保護器，主要適用于交流50Hz，額定電壓為400V及以下的TT或TN系統(tǒng)配電線路，防止接地故障電流引起的設備和電氣火災事故，也可用于對人身觸電危險提供間接接觸保護。

5.未來展望

伴隨電動汽車市場的持續(xù)拓展以及可再生能源技術的不斷前行，光伏 - 直流智能充電樁展現(xiàn)出廣闊的應用前景。在未來，我們有望見證以下發(fā)展態(tài)勢：

（1）技術創(chuàng)新層面

持續(xù)增進光伏系統(tǒng)的效能與穩(wěn)定性，優(yōu)化充電樁的智能控制算法，以提升充電速度與安全性。與此同時，積極探尋新型儲能技術，達成光伏發(fā)電的高效存儲與利用。例如，研發(fā)更高轉換效率的光伏材料，改進充電樁的功率模塊設計，使其能夠更快速、更穩(wěn)定地為電動汽車充電。在儲能技術方面，探索如新型電池技術、超級電容等的應用，以便更好地儲存光伏發(fā)電的多余能量，在需要時為充電樁供電，進一步提高能源的利用效率和穩(wěn)定性。

（2）政策支持維度

政府部門需增強對光伏 - 直流智能充電樁的政策扶持力度，涵蓋補貼、稅收優(yōu)惠等舉措，激勵企業(yè)與社會資本投身于充電基礎設施建設。政府可以制定專項補貼計劃，針對建設光伏 - 直流智能充電樁的企業(yè)或項目給予資金支持，降低其建設成本。在稅收方面，給予相關企業(yè)稅收減免或優(yōu)惠政策，提高企業(yè)的積極性。此外，還可以通過制定相關規(guī)劃和標準，引導市場有序發(fā)展，確保充電基礎設施的建設質量和布局合理性。

（3）互聯(lián)互通領域

達成充電樁與電動汽車、電網(wǎng)、能源管理系統(tǒng)等的相互連接與溝通，構建智能化的能源生態(tài)體系。借助大數(shù)據(jù)分析以及人工智能技術，優(yōu)化充電策略，提升能源利用效率。比如，通過車樁互聯(lián)技術，實現(xiàn)充電樁與電動汽車之間的信息交互，根據(jù)車輛的電池狀態(tài)、行駛里程等信息，為用戶提供個性化的充電建議。充電樁與電網(wǎng)的互聯(lián)互通可以實現(xiàn)智能調度，根據(jù)電網(wǎng)負荷情況動態(tài)調整充電功率，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。利用能源管理系統(tǒng)對光伏發(fā)電、儲能設備以及充電樁進行統(tǒng)一管理和調度，通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，預測能源需求和供應情況，優(yōu)化能源分配，提高整體能源利用效率。

綜上所述，光伏 - 直流智能充電樁的有序充電策略具備重大的現(xiàn)實意義與應用價值。經(jīng)由合理的規(guī)劃與管理，能夠充分彰顯其優(yōu)勢，為電動汽車用戶提供高效、便捷、環(huán)保的充電服務，同時也為能源轉型和可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

參考文獻：

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[2] 詹天津,謝玉榮國內分布式光伏發(fā)展形勢分析及思考

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版

審核編輯 黃宇