安科瑞 陳聰

摘要：中國提出“雙碳"目標后，深度降碳減排和可再生能源的大規模開發成為我國能源行業發展的新方向。在汽車新能源革命中，光儲一體化充電技術作為關鍵要素備受關注。本文通過對新能源充電的國內外發展現狀進行調查研究，揭示在光儲一體化充電站建設中存在的技術難題。目前光儲一體化充電站存在安裝與適應性不靈活、消防系統不完善以及缺乏智能管理系統等問題。為應對這些挑戰，本文提出了一種創新的裝配式光儲+人工智能一體化充電站設計方案。該設計方案集成了車棚和光伏發電功能、人工智能管理系統、智慧消防系統于一體，采用裝配式模塊化設計，使充電站更加智能、靈活。這一設計不僅滿足了用戶充電需求，還注入了智能科技元素，為未來新能源充電基礎設施的建設提供了創新思路。

關鍵詞：新能源；光儲一體化充電站；雙碳

1光儲一體化充電站發展現狀

1.1國外發展現狀

順應世界發展形勢，歐美汽車大國均積極推進新能源汽車的發展，加大對新能源產業的投人和研發力度，在光伏充電站領域也取得了重大突破。在2013年，美國就設計制造出了EVARC電動車充電站，這是世界上全自動、可移動、不需要地基開挖、建設審批、并網和更新變壓器開關裝置的獨立光伏充電站，還配備EnvisionTrak跟蹤系統，能讓太陽能陣列隨著太陽輻射角度自動調整方向，從而使發電量提升18%~25%，并且該充電站的尺寸與車位尺寸相同，也不會額外占用空間!。EVARC電動充電站的出現對美國及其他的光伏充電站建設產生了深遠影響。

1.2國內發展現狀

中國積極響應綠色環保和節能減排的倡議，適應新發展形勢，光伏產業建設規模不斷擴大。近年來，我國光伏行業裝機容量逐年攀升，正處于快速發展階段。2018年，我國設計研究出了**座集“光伏、充電、儲能"于一體的智慧車棚，并在我國投入使用，該車棚集智慧能源、智慧交通、智慧信息技術于一體，實現削峰填谷充電，運用大數據分析存儲、人機交互、智能監控和診斷、智慧泊車、雙向傳輸、智能管理等功能，讓“光伏、充電、儲能"車棚更加智能化，*方位滿足人們的需求。該智慧車棚的投入運營，不僅是我國光伏產業創新能力的體現，而且是中國在世界光伏十一體化建設領域的嘗試。

1.3天津地區現狀

天津是中國光伏產業的發源地，具有良好的地理優勢，集聚了國內多家具有較高水平的光伏科研院所，研發能力和技術水平在全國處于地位。新能源產業已成為天津市的八大優勢產業之一，太陽能利用技術已十分成熟。2023年，天津市多個光伏充電站項目建設完成并投人使用，例如，9月份津薊高速溫泉城服務區光儲充一體化超級充電站正式投入運營，10月份天津地區規模大的集中式光儲充放檢一體化智慧超級充電站在濱海新區投人使用，這一個個項目成果的落地，為天津光伏產業發展帶來了新機遇。然而，由于天津各個區域發展不均衡，地區差異明顯，光儲一體化充電站建設尚未得到充分發展，仍需不斷探索。

2光儲一體化充電站技術難題

2.1安裝與適應性不靈活

目前，光伏充電站通常采用一次性安裝，位置一旦固定，將無法移動。由于充電站構件數量眾多且結構復雜，因此組件的安裝需要進行的測算和專業技術，這將涉及大量人力、物力和財力的消耗，導致施工效率降低，使日常維護和維修變得更為困難。大規模布置充電樁存在一定的地形適應性問題，地形和地勢的不規則性可能導致光伏組件的安裝受限，為工程選址帶來一定限制。現階段我國光儲一體化充電站的建設和推廣還存在一些瓶頸，只在少數示范點進行了建設，缺乏光伏與新能源汽車一體化的規范和標準，光儲一體化集成技術仍不夠完善，導致其工作效率降低。

2.2消防系統不完善

目前，安裝在新能源汽車充電上的消防系統存在缺陷，未能充分預防和檢測火災。光儲一體化充電站涉及太陽能電池板、電池儲能系統以及充電設備，由于電氣設備和大量電能的儲存增加了火災的風險，因電池故障、過充、過放、電氣線路短路等問題引起的火災也時有發生。一些光儲一體化充電站的消防系統配置不足，僅包括煙霧探測器、滅火器等，在火災初期無法及時發現并控制火源，增加了火勢蔓延的可能性。電氣設備因老化、維護不當或故障而導致的漏電問題也隨處可見，特別是在潮濕的環境中，增加了火災發生的可能性。部分光儲一體化充電站還缺乏智能監控設備，不能對火源位置和火勢變化等信息進行實時監測和報警，降低了對火災的及時響應能力。

2.3缺乏智能管理系統

目前光儲一體化充電站的運營模式相對簡單，缺乏智能化管理系統，使光伏發電、能量存儲和高效充電之間的協調與管理面臨一系列挑戰。光伏發電能源直接來源于太陽光的照射，而地球表面上的太陽照射受制于天氣、環境、溫度等因素，天氣情況的隨機、多變，使得光伏發電工作缺乏連續性，降低光伏組件的出力,導致電量供不應求，影響汽車用戶的充電速度和體驗。在現有光伏發電系統中，太陽能電池板朝向固定，大多數僅通過人工調整光伏板傾角來提高發電效率，以保證太陽能發電系統的正常運行，但無法根據太陽輻射方向進行實時調整，從而影響光能轉化率。同時，目前的光伏充電站缺乏智能監控設備，無法實時監控和管理新能源汽車的充電情況，不能滿足人們的個性化需求。

3裝配式光儲+人工智能一體化充電站設計方案

3.1總體設想

裝配式光儲+人工智能一體化充電站是在現有光儲充一體化充電站基礎上發展而來的一種更加智能、靈活的新型充電站。通過創新地融合光伏充電和人工智能管理，旨在解決新能源汽車所面臨的技術難題。項目采用裝配式模塊化設計，以兩個車位并排連接組成一個小結構模塊，一個車位設置一個充電樁，以方便汽車充電，并將雨棚、發電、充電、儲能等功能融為一體，從而顯著提高空間利用率。

基于光生伏*效應原理，充電站的設計充分利用光伏板將太陽光轉化為電能，并進行儲存，為充電站提供主要電力。同時，電池儲能系統根據儲電量擇機吸收低價谷電，以作為電力的補充，吸收低價谷電有助于節省配電增容費用，彌補太陽能發電在陰天、夜間等環境不連續的端，有效減少充電站的負荷峰谷差，提高系統運行效率。車棚在光儲充一體化的基礎上還安裝了人工智能調度技術，根據用戶的需求和充電情況進行智能調度和優化，為電動汽車提供快速、高效、安全的充電服務。同時，改設計方案還具備遠程監控和管理功能，方便用戶隨時隨地進行操作和管理。

3.2場地位置和外觀

調查發現，天津地區的土地資源、電網資源以及自然資源的匹配度較低，在市內六區以及環城四區的電網負荷相對較大，雖然消納條件較好，但是開發空間受限。然而遠郊五區和濱海新區的土地資源相對寬裕，但面臨著資源擔負與支撐不足的難題，消納條件也相對較差，實際可開發量和技術可開發量之間存在差距。

考慮到人流量、周邊環境和學校日益增長的新能源汽車數量等因素，我們將該項目設置在某高校教學樓附近的停車場，以滿足學校新能源汽車的充電需求。該處遮擋物較少且較為空曠，能使光伏車棚大化地發揮作用，提高太陽能的利用率，同時車棚還有遮擋太陽直射，保護車輛免受雨雪天氣影響等作用，從而延長汽車使用壽命。根據我國《汽車庫建筑設計規范》（JGJ100一98）規定，設計一個汽車的停車位長為5.4m、寬為2.7m，每排放10輛車，共兩排，總長54m，能一次性滿足20輛小汽車同時停放和充電需求，并且每個小模塊左右分別設置兩根圓形支撐柱（在圖1中用小圓點表示），以保持光伏車棚結構的穩定性和安全性，如圖1所示。

3.3模塊化主體結構設計率

裝配式光儲十人工智能一體化充電站的設計采用了的裝配式模塊化理念，使安拆變得輕松便捷。這種模塊化設計不僅可根據不同使用場景和需求進行靈活組合，還地提高了充電站的整體使用效率。用戶可根據具體需求定制充電站的配置，從而更好地滿足其個性化需求。

此外，采用裝配式構件還在維護和運輸階段展現出顯著的便利性。維修人員可以更輕松地對充電站進行維護，通過替換或升級單個模塊，實現快速而高效的維護服務。運輸方面，裝配式構件的輕量化設計降低了運輸難度，使得充電站的部署更為靈活和高效。

由于采用了裝配式模塊，光儲一體化充電站的選址也變得更加靈活多樣化。充電站可靈活地安置在各種場景，包括但不限于高速公路服務區、工業園區、露天停車場和景區停車場等相對空曠且遮擋物較少的地方。這為充電站的部署提供了更多的選擇，以更好地服務于不同地域和使用需求。

3.4光伏板傾角

天津地區的太陽照射時間通常集中在早上9點至下午3點，其中光照條件在中午12點至下午1點左右達到峰值。這一時段，太陽直射太陽能表面的角度大，約為垂直90°，是發電效率高的時刻。為了大程度吸收光能，我們將太陽能板的方陣朝向正南，確保太陽能板的表面大限度地接收陽光。太陽能板的發電量能夠達到大值的前提是，方陣的垂直面與正南方向的夾角為0°。一旦太陽能板朝東或朝西偏離正南30°，發電量就會相應減少10%~15%。因此，確保太陽能板的正確朝向至關重要，任何偏離方位角的調整都可能導致發電量減少。此外，我們還采用智能追光系統，使用雙軸追蹤支架連接光伏板，通過傳感器實時監測太陽位置、天氣狀況等因素，自動調整光伏板傾斜角度，以大限度地吸收太陽輻射，確保光伏系統持續高效運行。結合遙控技術或自動化系統，使用戶可以通過遠程控制或預設程序來調整光伏板傾斜角度，提高系統的靈活性。

3.5智慧消防系統

裝配式光儲+人工智能一體化充電站搭載智慧消防系統，通過紅外溫感和煙火視頻分析進行雙重監測。一旦充電過程中發生火情，系統即刻啟動報警機制，迅速通知消防部門進行撲救。同時，充電站內的智能滅火設備也會立即啟動，有力地遏制火勢的蔓延。

智慧消防系統在火災發生時能夠及時準確地捕捉信息，實現了對火災的早期預警，具備迅捷響應機制，從而在關鍵時刻迅速采取措施，有效地控制事態發展。這不僅意味著消防撲救能力的升級，也為充電站提供了*方位的安全保障。

3.6智能充儲管理系統

充電站通過人工智能系統，對充電過程的實時監控和智能管理，為用戶提供個性化服務；同時配備高效的儲能系統，將光伏板所產生的電量和廉價“谷電"存儲在蓄電裝置中，使新能源汽車充電使用時間不受限制。此外，系統能夠根據太陽輻射情況智能確定發電和儲存能量的時間，為車主提供更為穩定的充電服務。

4Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

5充電站微電網能量管理系統解決方案

5.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

5.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

6結束語

裝配式光儲+人工智能一體化充電站這一概念為光伏發電、能量存儲和電動汽車充電的有機整合提供了創新的途徑，為新時代的能源替代和低碳減排需求提供前瞻性解決方案。光儲一體化技術作為推動新能源產業發展的重要因素，通過提高能源利用效率、減少碳排放，推動電動汽車的普及等途徑，推動社會的發展。面對國際社會的廣泛關注和積極推動，我國應繼續加大對光儲一體化技術的研發力度，提升自主創新能力，促進光伏產業的發展，向新能源領域不斷邁進。同時，應出臺相關政策措施，加大對光儲一體化項目的扶持力度，推動其在環保、能源、交通等領域的廣泛應用，為建設美麗中國和促進全球可持續發展做出貢獻。

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