光伏直流智能充电桩有序充电策略及其应用探析

摘要：在当下能源转型的大环境中，光伏 - 直流智能充电桩凭借其高效、环保的显著特性，正逐步成为未来充电基础设施建设的关键发展趋向。本文将深入研讨光伏 - 直流智能充电桩的有序充电策略以及其应用成效。然而，大量光伏电能输出和电动汽车充电需求在时间维度上的不契合，给电网的稳定运行施加了较大压力。为此，提出一种针对光伏直流智能充电桩的有序充电策略，在满足充电需求的基础上，削减外网供电量，可有效提升光伏的自我消纳能力以及负荷满足率。

关键词：充电桩；有序充电策略；电动汽车；S2V；直流系统

一、引言

（一）双碳目标引领下的能源变革
在双碳目标的导向作用下，以风能和太阳能发电为代表的可再生能源将得到广泛运用。建筑屋顶光伏在其中占据重要地位，预计到 2025 年，公共机构新建建筑屋顶光伏的覆盖率将达到 50%，以建筑屋顶光伏系统为典型的分布式能源体系也会获得大量应用。不过，大规模分布式光伏接入电网或许会对电网的安全运行产生不利影响，如何切实实现就地消纳成为亟待攻克的难题。

（二）电动汽车发展引发的挑战与契机
电动汽车发展势头迅猛，预计到 2030 年中国将拥有约 8000 万辆电动汽车。庞大的充电需求会对区域电力系统造成巨大挑战，并且私家电动汽车大约 90% 以上的时间停放在建筑内部或周边停车场，其充电过程与建筑能源系统深度交融。因此，探究电动汽车与建筑光伏之间的互动模式，并挖掘其对建筑光伏的利用潜力，对于降低碳排放具有重要意义。

（三）现行充电模式及光伏电力存在的问题
自 2009 年利用太阳能为电动汽车充电（S2V）的概念被提出后，相关硬件、经济性和策略的研究成果陆续发表。但目前电动汽车的主要充电方式大多为恒功率充电，这导致了大量的瞬时尖峰负荷，给电网带来了沉重的压力。此外，光伏电力具有波动性、随机性和间歇性等不稳定特点，与电力需求侧的负荷存在较大的不匹配情况。在实际的 S2V 场景中，往往需要从电网获取电力为电动汽车充电，同时又有部分光伏电能无法得到有效消纳。所以，设计一种全新的有序充电策略，使电动汽车充电需求与光伏发电特性相适配，对于绿色电能的消纳至关重要。

二、光伏 - 直流智能充电桩的优势

（一）环保节能方面的优势
通过利用太阳能进行光伏发电，减少了对传统化石能源的依赖，降低了碳排放。与传统的交流充电桩相比，直流充电桩的充电速度更快，能够更高效地为电动汽车提供能量支持。

（二）稳定可靠的特性
光伏系统能够在白天为充电桩提供相对稳定的电力供应，降低电网波动对充电过程的干扰。同时，智能充电桩配备了完善的保护功能，有力地确保了充电过程的安全可靠。

（三）成本效益的分析
尽管初期投资相对较高，但从长远来看，光伏 - 直流智能充电桩能够降低运营成本。借助太阳能发电，减少了电费支出，同时提高了充电设施的利用效率。

三、有序充电策略

（一）智能调度策略
通过充电桩与电网之间的通信连接，实现智能调度。依据电网负荷状况、光伏发电量以及电动汽车的充电需求，科学合理地安排充电时间和功率，避免在高峰时段进行充电，以减轻电网的压力。
例如，在电网负荷较低的时间段，如夜间或凌晨，提高充电桩的输出功率，加快充电速度；而在电网负荷高峰时段，则降低充电功率或者暂停充电，从而实现电网供需的平衡。

（二）功率控制策略
根据电动汽车的电池状态和充电需求，动态调整充电功率。当电池电量较低时，采用较大功率进行充电，以缩短充电时间；当电池电量接近充满时，降低充电功率，以保护电池的使用寿命。
此外，还可以借助智能控制算法，实现对多辆电动汽车的功率分配，确保每辆车都能够在合理的时间内完成充电。

（三）光伏发电优先利用策略
充分利用光伏系统所产生的发电量，优先为电动汽车进行充电。当光伏发电量大于充电需求时，可以将多余的电量进行存储或者回馈到电网；当光伏发电量不足时，再从电网获取电力。
这样一来，不仅可以提高光伏系统的利用率，还能够减少对电网的依赖程度，降低充电成本。

四、应用效果

（一）缓解电网压力
通过实施有序充电策略，光伏 - 直流智能充电桩能够在一定程度上缓解电网压力。避免在高峰时段充电，减少了电网负荷的峰值，提高了电网的稳定性和可靠性。

（二）提高充电效率
智能调度和功率控制策略能够根据电动汽车的实际需求，合理安排充电时间和功率，从而提高充电效率。同时，直流充电桩的快速充电特性也缩短了用户的充电时间，提升了用户的体验感。

（三）促进可再生能源发展
光伏 - 直流智能充电桩的推广应用，有助于推动可再生能源的发展。增加了太阳能等清洁能源在能源消费中的占比，为实现可持续发展目标做出了积极贡献。

（四）降低运营成本
利用光伏发电以及有序充电策略，能够降低充电桩的运营成本。减少电费支出，提高经济效益，同时也为充电桩运营商创造了更多的商业机会。

五、安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展

（一）概述

AcrelCloud - 9000 安科瑞充电柱收费运营云平台系统借助物联网技术，对接入系统的电动自行车充电站以及各个充电桩进行不间断的数据采集和监控，实时监测充电桩的运行状态，实现充电服务、支付管理、交易结算、资产管理、电能管理以及明细查询等功能。同时，对充电机过温保护、漏电、充电机输入 / 输出过压、欠压、绝缘低等各类故障进行预警。充电桩支持以太网、4G 或 WIFI 等方式接入互联网，用户可通过微信、支付宝、云闪付扫码充电。

（二）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、园区等采用充电桩模式的充电基础设施设计。

4.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

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。

4.4安科瑞充电桩云平台系统功能

4.4.1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。

4.4.2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。

4.4.3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。

4.4.4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。

4.4.5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。

4.4.6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。

4.4.7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

4.4.8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。

4.5系统硬件配置

类型	型号	图片	功能
安科瑞充电桩收费运营云平台	AcrelCloud-9000		安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
互联网版智能交流桩	AEV-AC007D		额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
互联网版智能直流桩	AEV-DC030D		额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC060S		额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC120S		额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
10路电瓶车智能充电桩	ACX10A系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
2路智能插座	ACX2A系列		2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
20路电瓶车智能充电桩	ACX20A系列		20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
落地式电瓶车智能充电桩	ACX10B系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
绝缘监测仪	AIM-D100-ES		AIM-D100-ES系列直流绝缘监测仪可以应用在15~1500V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。
绝缘监测仪	AIM-D100-T		AIM-D100-T系列直流绝缘监测仪可以应用在10~1000V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。
智能边缘计算网关	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。
	扩展模块ANet-485		M485模块：4路光耦隔离RS485
	扩展模块ANet-M4G		M4G模块：支持4G全网通
导轨式单相电表	ADL200		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证
导轨式电能计量表	ADL400		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证
无线计量仪表	ADW300		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证
导轨式直流电表	DJSF1352-RN		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证
面板直流电表	PZ72L-DE		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证
电气防火限流式保护器	ASCP200-63D		导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。
开口式电流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。
霍尔传感器	AHKC		霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。
智能剩余电流继电器	ASJ		该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。

5.未来展望

伴随电动汽车市场的持续拓展以及可再生能源技术的不断前行，光伏 - 直流智能充电桩展现出广阔的应用前景。在未来，我们有望见证以下发展态势：

（1）技术创新层面

持续增进光伏系统的效能与稳定性，优化充电桩的智能控制算法，以提升充电速度与安全性。与此同时，积极探寻新型储能技术，达成光伏发电的高效存储与利用。例如，研发更高转换效率的光伏材料，改进充电桩的功率模块设计，使其能够更快速、更稳定地为电动汽车充电。在储能技术方面，探索如新型电池技术、超级电容等的应用，以便更好地储存光伏发电的多余能量，在需要时为充电桩供电，进一步提高能源的利用效率和稳定性。

（2）政策支持维度

政府部门需增强对光伏 - 直流智能充电桩的政策扶持力度，涵盖补贴、税收优惠等举措，激励企业与社会资本投身于充电基础设施建设。政府可以制定专项补贴计划，针对建设光伏 - 直流智能充电桩的企业或项目给予资金支持，降低其建设成本。在税收方面，给予相关企业税收减免或优惠政策，提高企业的积极性。此外，还可以通过制定相关规划和标准，引导市场有序发展，确保充电基础设施的建设质量和布局合理性。

（3）互联互通领域

达成充电桩与电动汽车、电网、能源管理系统等的相互连接与沟通，构建智能化的能源生态体系。借助大数据分析以及人工智能技术，优化充电策略，提升能源利用效率。比如，通过车桩互联技术，实现充电桩与电动汽车之间的信息交互，根据车辆的电池状态、行驶里程等信息，为用户提供个性化的充电建议。充电桩与电网的互联互通可以实现智能调度，根据电网负荷情况动态调整充电功率，保障电网的稳定运行。利用能源管理系统对光伏发电、储能设备以及充电桩进行统一管理和调度，通过大数据分析和人工智能算法，预测能源需求和供应情况，优化能源分配，提高整体能源利用效率。

综上所述，光伏 - 直流智能充电桩的有序充电策略具备重大的现实意义与应用价值。经由合理的规划与管理，能够充分彰显其优势，为电动汽车用户提供高效、便捷、环保的充电服务，同时也为能源转型和可持续发展贡献力量。

参考文献：

[1] 丁屹峰.光伏直流智能充电桩有序充电策略与应用效果

[2] 詹天津,谢玉荣国内分布式光伏发展形势分析及思考

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

审核编辑 黄宇