含光-儲(chǔ)電源的電動(dòng)自行車棚充電策略及經(jīng)濟(jì)性分析

阿旺多杰

（西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

電動(dòng)自行車因價(jià)格低廉、使用成本低、環(huán)保、出行效率高等優(yōu)點(diǎn)，成為了短途出行的重要交通工具，特別是在道路錯(cuò)綜復(fù)雜的市區(qū)內(nèi)，電動(dòng)自行車是出行的最優(yōu)選擇。因此，電動(dòng)自行車充電棚也應(yīng)運(yùn)而生，其選址一般在學(xué)校、公共場(chǎng)所、工廠以及小區(qū)等區(qū)域。

西藏地區(qū)日照量充足，樓層普遍較低，非常適合建設(shè)含光伏電源的電動(dòng)自行車充電棚。本文通過將光-儲(chǔ)系統(tǒng)引入到電動(dòng)自行車充電棚，對(duì)其控制方法和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)用戶、充電棚以及電網(wǎng)三者的效益最大化。

1 光-儲(chǔ)充電棚基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文所述光-儲(chǔ)充電棚由光伏板、蓄電池、內(nèi)置電源適配器（用于共享電動(dòng)自行車電池充電、未攜帶充電器用戶充電等）、逆變器等模塊組成[1-2]。

圖1 光-儲(chǔ)充電棚基本結(jié)構(gòu)

圖中，PPV為光伏電池組輸出功率，Pbat為儲(chǔ)能電池組組交換功率，PL為負(fù)荷吸收功率，Ps為經(jīng)逆變器交換的功率。當(dāng)光伏出力充足時(shí)，充電負(fù)荷所需功率全部由光伏電池組直接提供，并根據(jù)當(dāng)前出力的大小，決定多出部分并網(wǎng)或向儲(chǔ)能電池充電。當(dāng)光伏出力不足時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前購(gòu)電價(jià)格，決定儲(chǔ)能放電或購(gòu)電提供給充電負(fù)荷。具體工作模式如下：

模式1.當(dāng)PPV≈PL時(shí)，即光伏電池組輸出功率接近負(fù)荷功率時(shí)，優(yōu)先采用光伏電池組進(jìn)行充電。

模式2.當(dāng)PPV＜PL時(shí)，即光伏電池組輸出功率無(wú)法滿足負(fù)荷所需功率時(shí)，利用市電補(bǔ)償缺額功率。

模式3.當(dāng)PPV≥PL時(shí)，即光伏電池組輸出功率遠(yuǎn)大于負(fù)荷功率時(shí)，將多余電能并網(wǎng)或儲(chǔ)存到蓄電池組。

模式4.當(dāng)PPV=0且電價(jià)較高時(shí)，即光照量為零且電網(wǎng)處在用電高峰期時(shí)，充電棚所需功率由儲(chǔ)能電池組提供，不足部分由電網(wǎng)提供。

模式5.當(dāng)PPV=0且電價(jià)較低時(shí)，光照量為零且電網(wǎng)處在用電低谷期時(shí)，蓄電池組通過市電進(jìn)行充電，而充電棚所需功率，全由市電提供。

2 電源間的平滑切換控制

本文所述的充電棚供電電源由光伏電池、市電、儲(chǔ)能電池3個(gè)部分組成，3種電源的平滑切換是車棚效益最大化的關(guān)鍵所在。為此，需要設(shè)計(jì)光伏輸出檢測(cè)和儲(chǔ)能電池電量檢測(cè)電路，以實(shí)現(xiàn)充電控制器選擇不同的電源組合。

光伏電池的輸出可以通過檢測(cè)端電壓得到，如圖2所示，利用比較器檢測(cè)光伏輸出端和直流母線的壓差，并與參考電壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果作為控制器中斷信號(hào)。

圖2 光伏輸出檢測(cè)電路

儲(chǔ)能電池電量由采樣電阻的電流與時(shí)間的積分，加上當(dāng)前余量得到。如圖3所示，采樣的電阻Rx的壓差輸入至控制器ADC端口，控制器計(jì)算電量后與參考電量對(duì)比，并與參考電壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果作為控制器中斷信號(hào)。

圖3 儲(chǔ)能電池電量檢測(cè)

3 光-儲(chǔ)容量?jī)?yōu)化配置

3.1 目標(biāo)函數(shù)

要實(shí)現(xiàn)光-儲(chǔ)電動(dòng)自行車棚經(jīng)濟(jì)效益最佳，其核心在于圖4所示的能量流進(jìn)行合理分配[3-7]。本文將全年的支出費(fèi)用最低作為目標(biāo)函數(shù)，即

圖4 充電棚能量流

式中：C1為電費(fèi)支出成本；C2為投資成本；C3為并網(wǎng)收入。

目標(biāo)函數(shù)中，對(duì)于C1有

式中：P(i)為當(dāng)前購(gòu)電電價(jià)；Pbuy(i)為i時(shí)刻購(gòu)電量；Pbuy.Charge(i)為用于電池充電的每小時(shí)購(gòu)電量；Pbuy.Load(i)為用于提供負(fù)荷的每小時(shí)購(gòu)電量。

對(duì)于C2有

式中：Ppv(i)為光伏電池在i時(shí)刻的輸出功率；S(i)為儲(chǔ)能電池在i時(shí)刻的荷電狀態(tài)；Pmax為儲(chǔ)能電池最大放電功率；Cpv.cap為單位kW光伏電池投資成本；Cbat.cap為單位kW電池投資成本；Cbat.power為單位kW變流器成本；LFn為年資金回收系數(shù)；d為折現(xiàn)率，本文取0.06；n為使用年限，本文取10。

對(duì)于C3有

式中：ρe(i)為光伏上網(wǎng)電價(jià)；PPV.export(i)為光伏電池在第i時(shí)刻并網(wǎng)功率。

3.2 約束條件

光-儲(chǔ)充電棚系統(tǒng)的約束條件主要有儲(chǔ)能充放電功率約束、儲(chǔ)能電量約束、放電次數(shù)約束。

3.2.1 儲(chǔ)能充放電功率約束

為了防止充放電功率過大，對(duì)儲(chǔ)能電池性能和壽命受到影響，需對(duì)每刻放電功率加以限制。設(shè)荷電狀態(tài)從0至滿電狀態(tài)需經(jīng)歷時(shí)間t，則有

故，儲(chǔ)能電池充電時(shí)

式中：Pbuy.Charge(i)為i時(shí)刻電網(wǎng)向儲(chǔ)能電池充電的功率；Pbuy.Charge(i)為i時(shí)刻光伏電池組向儲(chǔ)能電池充電的功率。

儲(chǔ)能電池放電時(shí)

式中：Pbat.load(i)為i時(shí)刻儲(chǔ)能電池向負(fù)荷放電的功率。

3.2.2 儲(chǔ)能電量約束

儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)應(yīng)該保持在一定的區(qū)間之內(nèi)，即

式中：S(i)為第i時(shí)刻荷電狀態(tài)。

由于荷電狀態(tài)具有連續(xù)性，當(dāng)前時(shí)刻的荷電狀態(tài)等于上一時(shí)刻荷電狀態(tài)與當(dāng)前時(shí)刻儲(chǔ)能電池充電或放電功率決定，即

此外，儲(chǔ)能電池在調(diào)度前應(yīng)有剩余電量，且24后電池電量應(yīng)恢復(fù)為原狀態(tài)，以避免影響到后一天的調(diào)度程序，故式中：n為調(diào)度初始時(shí)刻的荷電率。

3.2.3 充放電次數(shù)約束

充放電次數(shù)過于頻繁會(huì)造成儲(chǔ)能電池的壽命降低，以鋰電池為例，在其壽命周期內(nèi)可進(jìn)行4000次充放電循環(huán)。故將光-儲(chǔ)充電棚系統(tǒng)儲(chǔ)能放電次數(shù)限制在每天1次，即

3.2.4 功率平衡約束

光-儲(chǔ)充電棚系統(tǒng)分別在售電和購(gòu)電時(shí)功率應(yīng)保持平衡，即

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例采取的基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示，現(xiàn)根據(jù)表2拉薩地區(qū)的實(shí)時(shí)電價(jià)，拉薩地區(qū)枯水期典型日輻照量如圖5所示，某校園電動(dòng)自行車棚充電負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖6所示，進(jìn)行算例分析。

圖6 某校園電動(dòng)自行車棚充電負(fù)荷曲線

表1 算例參數(shù)

表2 西藏地區(qū)中部電網(wǎng)工商業(yè)用電實(shí)時(shí)電價(jià)

圖5 拉薩地區(qū)枯水期典型日輻照曲線

4.2 優(yōu)化結(jié)果

由于光伏出力的峰值和充電負(fù)荷峰值出現(xiàn)在不同時(shí)刻，而充電負(fù)荷增長(zhǎng)率又相對(duì)平穩(wěn)，故光-儲(chǔ)充電棚配置儲(chǔ)能容量的第一考慮要素是充電負(fù)荷的大小?？紤]充電棚的占地面積，并利用MATLAB的FMINCON函數(shù)對(duì)上述情況進(jìn)行分析，得出光伏配置容量180 kW，儲(chǔ)能電池配置容量為30 kWh。光-儲(chǔ)充電棚的年化支出如表3所示，配置光儲(chǔ)能后的電源出力與負(fù)荷曲線如圖所示。

表3 充電棚年化支出 萬(wàn)元

上述結(jié)論可看出，配置光-儲(chǔ)電源后，每年可以為充電棚運(yùn)營(yíng)節(jié)約14.93萬(wàn)元的開支。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過分析充電棚的能量流，并考慮使用年限、投資成本、占地面積等因素后，給出了最優(yōu)配置方案。由于充電棚的負(fù)荷大小與光伏電源出力分布不均，因此配備儲(chǔ)能可以在光伏出力較強(qiáng)時(shí)進(jìn)行充電，補(bǔ)償電價(jià)較高時(shí)段的充電負(fù)荷。然而，西藏地區(qū)電價(jià)波動(dòng)和價(jià)格都處于較低水平，故盡可能的增加光伏容量，配備一定的儲(chǔ)能，提高電能質(zhì)量，可以有效增加充電棚的收益。