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光伏汇流箱+充电桩:协同供电,安全高效

来源:浙江亿腾电气科技有限公司 发布时间:2025-07-19 17:26:00

在 “双碳” 目标推动下,光伏与新能源汽车的融合成为能源转型的重要方向 —— 光伏电站通过光伏发电产生清洁电力,充电桩为电动汽车提供能源补给,二者的协同不仅能降低对传统电网的依赖,更能实现 “绿电直供” 的低碳闭环。而光伏汇流箱作为光伏系统的 “电流枢纽”,与充电桩的智能化协同,正是实现这一闭环的核心纽带,其通过精准的能量分配、严格的安全防护与动态的负荷调控,让 “光伏电” 向 “车轮子” 的传输既高效又可靠。
一、协同供电的核心逻辑:从 “光伏电流” 到 “车轮动力” 的精准对接
光伏汇流箱与充电桩的协同,本质是通过汇流箱的电流聚合能力与充电桩的负荷响应特性,构建 “光伏发电 - 能量汇聚 - 智能分配 - 车辆充电” 的全链路体系。这一体系的核心在于解决三个关键问题:光伏电流的波动性与充电桩负荷的随机性之间的匹配、直流与交流电力的高效转换、以及分布式场景下的电网协同。
1. 能量流的双向协同:光伏为主,电网为辅
光伏汇流箱将分散的组串电流(如 24 组串 ×30A=720A)汇聚后,通过两种路径为充电桩供电:
  • 直接供电:当光伏发电量充足(如正午),汇流箱通过直流母线将电能直接输送至直流充电桩(无需逆变),能量转换效率可达 95% 以上;

  • 补充供电:当光伏电量不足(如阴天或夜晚),汇流箱与电网形成互补,通过逆变器将直流电逆变为交流电,与电网电力共同为交流充电桩供电,充电不中断。

这种协同模式在某商业园区的实践中,使充电桩的光伏供电占比达 60%-70%,每年减少电网电力消耗约 12 万度,相当于减少碳排放 96 吨。
2. 负荷匹配:汇流箱的 “动态电流分配”
充电桩的负荷具有波动性 —— 单枪直流充电桩功率可达 60kW-180kW(对应电流 100A-300A),多枪同时工作时总电流可能骤增至 1000A 以上。若直接接入光伏系统,可能导致组串过载或电压波动。
汇流箱通过 “智能负荷预测” 与 “动态电流分配” 解决这一问题:
  • 负荷预测:基于充电桩历史使用数据(如工作日 17-19 点为高峰),汇流箱提前与光伏组串通信,调整发电策略(如通过跟踪支架优化光照吸收);

  • 动态分配:当多台充电桩同时启动时,汇流箱通过内部母排的均流电路,将光伏电流按比例分配至各充电桩(如优先满足功率需求高的车辆),避免单组串过载。

某新能源汽车停车场的数据显示,采用该协同策略后,充电桩因光伏电流波动导致的停机次数从每月 5 次降至 0 次,充电成功率提升至 99.8%。
二、安全机制:双重防护体系的 “零风险” 保障
光伏与充电桩的协同涉及高压直流(光伏侧 1500VDC)与高压交流(充电桩侧 380VAC)的交叉,安全风险远高于单一系统。汇流箱与充电桩的协同安全机制需覆盖 “过流保护、防孤岛效应、绝缘监测、接地保护” 四大维度,构建全场景防护网。
1. 级联式过流保护:从组串到充电枪的 “分层防御”
  • 汇流箱层面:每组串接入端配备 100A 光伏专用熔断器(分断时间≤2ms),当某组串因组件短路导致电流骤升时,可快速切断故障回路,避免影响充电桩供电;

  • 直流母线层面:汇流箱与充电桩之间的主回路安装 2000A 快速断路器,当充电桩发生短路(如枪线磨损)时,1ms 内切断总电源,比传统空气开关快 10 倍;

  • 充电桩层面:内置过载保护模块,当充电电流超过车辆电池承受能力(如电池老化导致接受电流下降),自动降低功率或停止充电。

某社区光伏车棚的测试显示,这种三级保护体系可使短路故障的响应时间控制在 5ms 内,远低于引发火灾的临界时间(50ms),实现 “故障无扩散”。
2. 防孤岛与电网协同:避免 “脱网冲击”
当电网突发停电时,若光伏汇流箱仍向充电桩供电,会形成 “孤岛效应”—— 充电桩负荷突然消失可能导致光伏电压骤升,损坏组件或汇流箱。协同系统通过两项技术解决:
  • 防孤岛检测:汇流箱内置电网电压监测模块,当检测到电网失压(如电压低于 200V),100ms 内切断与充电桩的连接,同时将光伏电流导入储能电池(若配备);

  • 平滑切换:电网恢复供电时,汇流箱先通过软启动电路向充电桩输送 50% 额定电流,3 秒内逐步恢复至满负荷,避免冲击电流损坏车辆电池。

某工业园区的实践验证,该机制使电网停电时的充电桩安全切换率达 100%,未发生一起设备损坏事件。
3. 绝缘监测与接地保护:直击 “触电风险”
光伏与充电桩的直流系统(如 1500VDC)若绝缘破损,可能导致箱体带电,危及操作人员安全。协同系统的防护措施包括:
  • 实时绝缘监测:汇流箱每 10ms 检测一次正、负与地之间的绝缘电阻,当电阻低于 500Ω/V(如 1500VDC 系统低于 750kΩ),立即切断输出并报警;

  • 双重接地设计:汇流箱外壳与充电桩柜体共用接地网(接地电阻≤4Ω),同时直流母线中点通过 10kΩ 电阻接地,当单点绝缘破损时,接地电流被限制在 150mA 以下(人体安全电流为 30mA),触及时无生命危险。

三、高效运行:从 “能量损耗” 到 “收益化” 的优化
光伏汇流箱与充电桩的协同,终要实现 “度电成本低、发电收益”。其高效性体现在能量转换、负荷调度、运维管理三个层面,通过技术创新将 “绿电” 的价值化。
1. 直流直供:减少 “转换损耗” 的 “短路路径”
传统模式中,光伏电力需经 “汇流箱→逆变器(直流变交流)→充电桩(交流变直流)” 两次转换,总效率约 75%-80%。而协同系统采用 “直流直供”:
  • 汇流箱的 1500VDC 母线直接连接直流充电桩的 DC/DC 模块,仅需一次转换(1500V→500V,适配电动汽车电池),效率提升至 92%-95%;

  • 对于交流充电桩,汇流箱通过 “智能逆变” 策略 —— 仅在光伏电量过剩时启动逆变器(优先满足直流桩),减少无效转换。

某物流园的数据显示,直流直供模式使每度电的转换损耗从 0.25 度降至 0.05 度,年节省电量约 5 万度,相当于多为 2000 辆电动车提供充电服务。
2. 动态负荷调度:让 “光伏电” 优先用在 “高价时”
充电桩的用电高峰常与光伏发电高峰重叠(如正午),但部分场景存在时间差(如傍晚充电高峰时光伏电量下降)。协同系统通过 “预测 - 存储 - 调度” 实现匹配:
  • 预测:基于天气预报与充电订单,提前 24 小时预测光伏发电量与充电需求;

  • 存储:正午光伏过剩时,汇流箱将多余电力存入储能电池(如 100kWh 电池组),避免弃光;

  • 调度:傍晚高峰时,优先使用储能电力(光伏转化的绿电),不足时再调用电网,使绿电使用率从 60% 提升至 85%。

这种调度在某商业区使充电桩的绿电占比提升 25%,每年减少电费支出约 3 万元(绿电成本 0.3 元 / 度,电网电 0.6 元 / 度)。
3. 智能运维:双系统的 “联动诊断”
光伏汇流箱与充电桩通过 4G 网络实现数据互通,构建 “故障联动诊断” 机制:
  • 当充电桩显示 “供电异常”,汇流箱自动上传同期电流、电压曲线,帮助定位是光伏侧(如组串故障)还是桩侧(如模块损坏)问题;

  • 汇流箱的组串级监测数据(如某组串电流持续偏低)可提前预警充电桩可能面临的供电不足,便于提前调度电网电力。

某运维团队反馈,联动诊断使故障排查时间从平均 4 小时缩短至 1 小时,每年减少因停机导致的充电收入损失约 2 万元。
四、典型应用场景:从 “理论” 到 “落地” 的实践案例
1. 工商业园区:光伏车棚的 “自发自用” 模式
某电子厂在停车场搭建 100kW 光伏车棚,配备 10 台 60kW 直流充电桩,通过 24 路汇流箱实现协同:
  • 汇流箱将 16 组光伏组串电流汇聚后,直接接入充电桩直流母线,正午时可满足 8 台桩同时满功率运行;

  • 安装 50kWh 储能电池,解决阴天充电需求,使电网电力占比从 50% 降至 20%;

  • 运行 1 年数据:累计发电 9 万度,充电服务 3000 车次,减少碳排放 72 吨,电费节省 4.5 万元。

2. 高速公路服务区:应急供电的 “双保险”
某高速服务区建设 500kW 光伏电站,配套 20 台快充桩,汇流箱与充电桩的协同重点在于 “应急供电”:
  • 电网故障时,汇流箱启动 “孤岛模式”,仅为 2 台桩提供 100kW 应急充电(满足车辆启动至下一站);

  • 汇流箱内置柴油发电机联动接口,停电超过 30 分钟时自动启动发电机,救援车辆供电。

该系统在一次电网检修中,成功为 15 辆滞留车辆提供应急充电,避免了交通拥堵升级。
五、经济性分析:3 年回本的 “绿电充电” 生意经
以一个 100kW 光伏 + 10 台直流充电桩的协同项目为例,其经济性测算如下:
1. 初期投入
  • 光伏组件与汇流箱:约 10 万元(含 24 路智能汇流箱 1 台);

  • 充电桩与电缆:约 50 万元(10 台 60kW 桩);

  • 储能电池(可选):10 万元(100kWh);

  • 总投入:70 万元(不含土地)。

2. 年收益
  • 充电收入:按日均服务 30 车次,每度电收费 1.5 元,年发电量 9 万度,收入 13.5 万元;

  • 电费节省:替代电网电 9 万度(电网价 0.6 元 / 度),节省 5.4 万元;

  • 补贴收益:部分地区绿电补贴 0.1 元 / 度,年获 0.9 万元;

  • 总收益:19.8 万元。

3. 投资回报
  • 年运维成本约 2 万元,净收益 17.8 万元;

  • 静态回收期:70÷17.8≈3.9 年,若含储能则延长至 4.5 年,远低于光伏电站的常规回收期(8-10 年)。

结语:重构 “阳光到车轮” 的能源链路
光伏汇流箱与充电桩的协同,打破了 “光伏只向电网供电”“充电桩只依赖电网” 的传统模式,构建了 “分布式发电 - 就近消纳 - 低碳出行” 的微能源网络。其核心价值不仅在于 “安全高效” 的技术实现,更在于重新定义了光伏电力的应用场景 —— 从 “远距离传输” 转向 “近距离服务”,让每一度绿电都能以低损耗、价值被利用。
随着电动汽车渗透率的提升与光伏成本的下降,这种协同模式将在社区、园区、高速服务区等场景快速普及。而汇流箱作为其中的 “能量调度中枢”,也将向 “更高电流容量(适配 182/210 组件)、更强储能协同、更深度车网互动(V2G)” 演进,终实现 “阳光充进电池,电池反哺电网” 的双向闭环,成为能源转型的关键支点。