基于電池儲(chǔ)能的電動(dòng)汽車充電站的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

文_鄒婉佳 中國石油大學(xué)（北京）

1 電動(dòng)汽車充電站應(yīng)用模式概況

電動(dòng)汽車充電站應(yīng)用模式主要有三種，即停車場(chǎng)（或路邊）充電樁模式；公用充電站模式；電池更換站模式。我國電動(dòng)汽車剛起步，因此充電站的應(yīng)用模式不多。以上充電模式可以滿足我國該產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，但是無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋，尤其是客流集中的商業(yè)地段。

商業(yè)地段的人口流動(dòng)性大，有必要滿足商業(yè)地段人口的電動(dòng)汽車充電需求。對(duì)這些地段實(shí)現(xiàn)全覆蓋，才能更方便人們的出行，以及促進(jìn)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。而這就需要在充電站中，很好的運(yùn)用儲(chǔ)能電池以及先進(jìn)的相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保的同時(shí)，促進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展。

2 儲(chǔ)能充電站及其經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

2.1 儲(chǔ)能充電站

如何在充電站中運(yùn)用基于儲(chǔ)能充電站呢，下面以某公司儲(chǔ)能充電站為例，分析在城市中心商業(yè)地段儲(chǔ)能充電站的成功應(yīng)用。該公司的充電站建設(shè)在三期地下停車場(chǎng)B4和B3層，5個(gè)一拖一電動(dòng)汽車充電樁，13個(gè)一拖二充電站，32個(gè)地下停車車位被覆蓋。

該公司的電動(dòng)汽車大多在營業(yè)時(shí)間充電，即9時(shí)～21時(shí)。這種情況使得用電的負(fù)荷在高峰時(shí)刻不斷加劇，并且一起接入電網(wǎng)的電動(dòng)車很多，整個(gè)公司電網(wǎng)的運(yùn)行將受到大電流尖峰沖擊。好在針對(duì)工商業(yè)用電，首都出臺(tái)了峰谷電價(jià)政策，峰谷電價(jià)差的利用，不但可達(dá)成“移峰填谷”，還可使電費(fèi)極大下降。

2.1.1 某公司三期儲(chǔ)能充電站設(shè)計(jì)說明、改造方案

該公司將充電站機(jī)房建設(shè)在三期地下停車場(chǎng)B4層。充電站采用磷酸鐵鋰電池組， 250kW/600kWh的設(shè)計(jì)容量，設(shè)計(jì)的充電站可對(duì)公司內(nèi)的所有汽車充電需要加以滿足，覆蓋充電區(qū)域31個(gè)，充電點(diǎn)位設(shè)計(jì)了18個(gè)。充電站依據(jù)首都峰谷電價(jià)設(shè)計(jì)模式，達(dá)成填谷削峰。

2.1.2 運(yùn)行模式

（1）緩解尖峰模式

當(dāng)車輛一起充電等大電流沖擊突發(fā)時(shí)，大電流沖突可能會(huì)對(duì)國留電網(wǎng)產(chǎn)生極大影響。尖峰沖擊被充電站感應(yīng)到，充電站會(huì)馬上開始（平滑尖峰沖擊）響應(yīng)放電，保障不會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)。

（2）電力移峰填谷模式

關(guān)于放充電循環(huán)，充電站自動(dòng)每日完成2次，對(duì)谷時(shí)電價(jià)有效運(yùn)用，替代尖峰時(shí)和峰時(shí)的高電價(jià)用電。

于低谷負(fù)荷時(shí)間內(nèi)，通過用電側(cè)或發(fā)電側(cè)的調(diào)度，將一些尖峰負(fù)荷時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷安排進(jìn)去，使電網(wǎng)供電負(fù)擔(dān)減輕，負(fù)荷率提升，負(fù)荷峰谷差縮小，便是填谷削峰。依據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，充電站系統(tǒng)進(jìn)行放充電控制策略的制定，放電于用電高峰，充電于負(fù)荷低谷。提高發(fā)電能源、電網(wǎng)設(shè)備的利用率，使電網(wǎng)負(fù)荷率提升，及其最大負(fù)荷利用時(shí)長增加。

跟蹤時(shí)間為2018年6月1日凌晨12：01：00分至2日中午12：60：00分。通過其對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果顯示，電網(wǎng)的負(fù)荷在2日中午12：28：11時(shí)刻達(dá)到了110.07kW。依據(jù)調(diào)度的要求，電池充放電設(shè)備設(shè)置91.00kW目標(biāo)用電負(fù)荷功率，儲(chǔ)能電池的出力協(xié)調(diào)調(diào)度-17.86kW，最終得到92.21kW用電負(fù)荷實(shí)際功率。實(shí)際值和目標(biāo)值之間相差1.31%，起到了填谷削峰的功能。

（3）電力增容模式

在用電高峰（夏季白天）時(shí)，如果有以下情況出現(xiàn)，包括臨時(shí)檢修變壓器、一起充電等，充電站能夠發(fā)揮電力增容的功效。當(dāng)電網(wǎng)超負(fù)荷信號(hào)被充電站系統(tǒng)感應(yīng)到時(shí)，將自動(dòng)運(yùn)行，使負(fù)荷率降低。還能夠使負(fù)載能力提升的充電站系統(tǒng)，在用電高峰時(shí)可使負(fù)載增加。

（4）后備電源

為了保證在電網(wǎng)出現(xiàn)問題時(shí)，一些重要的關(guān)系工作的設(shè)備能繼續(xù)工作，分布式的UPS電源不可缺少，需要非常多的該種電源。但供電正常時(shí)，這些設(shè)備的大量的電源將無用武之地，不但會(huì)因電池的降解而影響環(huán)境，還會(huì)使大量的資源被浪費(fèi)掉。而本課題設(shè)計(jì)的充電站則可替代該種電源發(fā)揮作用。將一些重要的設(shè)備與電池，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)連接供電母線。當(dāng)系統(tǒng)供電停止時(shí)，能繼續(xù)提供點(diǎn)能，從而有效的解決上述問題，保證用電正常和安全。

綜上可見，充電站的運(yùn)行模式主要有4種，上述已經(jīng)一一進(jìn)行了分析。每種模式對(duì)應(yīng)不同的情況，以來共同保障用電安全和電網(wǎng)的運(yùn)行。

2.2 儲(chǔ)能充電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

2.2.1 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)

對(duì)儲(chǔ)能充電站，依據(jù)電池儲(chǔ)能容量、發(fā)電量、電價(jià)等相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)施經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。財(cái)務(wù)效益和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是主要分析內(nèi)容。圖1所示的是評(píng)估指標(biāo)。從圖1可知，評(píng)估指標(biāo)主要包括財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、平準(zhǔn)化電力成本、動(dòng)態(tài)投資回收期、年均發(fā)電量。

圖1 儲(chǔ)能充電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)

（1）年均發(fā)電量。對(duì)系統(tǒng)總運(yùn)行周期與發(fā)電單位在周期內(nèi)的總發(fā)電量的比值進(jìn)行評(píng)估。

式中：儲(chǔ)能充電站運(yùn)行周期即N，運(yùn)行期內(nèi)運(yùn)行期內(nèi)總發(fā)電量即E，年均發(fā)電量即。

（2）動(dòng)態(tài)投資回收期。投入的資金，充電站都收回花費(fèi)的時(shí)間。

（3）系統(tǒng)單位電量成本（平準(zhǔn)化電力成本）。本研究中，即儲(chǔ)能充電站全部折算為現(xiàn)值的壽命周期成本與年總發(fā)電量的比值。按下式計(jì)算：

式中，第n年的發(fā)電量即，其他費(fèi)用即，第n年運(yùn)行成本即，系統(tǒng)殘值即，初始投資即，系統(tǒng)運(yùn)行年限即n，折現(xiàn)率即z。

（4）財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值。指的是在全壽命周期內(nèi)，儲(chǔ)能充電站預(yù)期現(xiàn)金流入與后期流出的差額。

2.2.2 多種群遺傳算法

采用多種群遺傳算法（MPGA）對(duì)所建立的儲(chǔ)能電站的容量配置模型進(jìn)行求解。MPGA這一算法改進(jìn)自SGA（標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法）。在算法終止判據(jù)的選用方面，精英種群的引入和傳統(tǒng)遺傳代數(shù)判據(jù)相比，前者更合理。另外，在對(duì)電池容量等相關(guān)變量的最優(yōu)解進(jìn)行求解時(shí)，MPGA算法具有更好的全局搜索能力。

2.2.3 分析

某公司的充電站是1次置換次數(shù)，10年的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池壽命，20年的系統(tǒng)運(yùn)行壽命，1.9624元/kWh的服務(wù)及充電費(fèi)。選取其的典型日負(fù)荷，將充電站的評(píng)估目標(biāo)設(shè)定為“經(jīng)濟(jì)收益（全壽命周期）”，對(duì)最優(yōu)容量配置模型的求解采用多種群遺傳算法，同時(shí)分析財(cái)務(wù)以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性（全壽命周期）的評(píng)估。

經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分別如表1所示。其給出的是儲(chǔ)能電池有無配置的充電站系統(tǒng)的20年全壽命周期的年均發(fā)電量。

表1 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

和儲(chǔ)能電池未配置的系統(tǒng)比較，儲(chǔ)能電池配置后的年均發(fā)電量高出1786kWh。儲(chǔ)能電池未配置時(shí)，系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)最佳的收益，和儲(chǔ)能電池配置后的系統(tǒng)比較，具更少的發(fā)電量。

而關(guān)于資本動(dòng)態(tài)回收年限，儲(chǔ)能電池配置后，變?yōu)榱?年，原本是12年，表明儲(chǔ)能電池配置的系統(tǒng)具更大的年利潤。但因?yàn)樵黾恿顺杀?，因此?chǔ)能電池配置后，平準(zhǔn)化電力成本提高2.1元/kWh，但考慮到財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值，盡管每度電成本提升，但全壽命周期的利潤值有很大提升。

3 結(jié)語

隨著我國電動(dòng)汽車的進(jìn)步，今后使用電動(dòng)汽車的人將不斷增多，同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步提升電網(wǎng)的用電負(fù)荷。因此，有必要將儲(chǔ)能電池以及相關(guān)的技術(shù)運(yùn)用到電動(dòng)汽車充電站中，使在保證經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保，從而促進(jìn)電動(dòng)汽車充電站以及該產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。而本文在實(shí)際的項(xiàng)目中，提出了一種新的商業(yè)模式，即“充電站+儲(chǔ)能電站”，并且對(duì)該模式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)估，結(jié)果顯示社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益良好，值得推廣。