智慧光伏儲(chǔ)能充電樁能源管理策略

何國棟，方昌勇，洪凌，鄔榮敏，侯鵬，吳鼎

(1.浙江省白馬湖實(shí)驗(yàn)室有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；3.浙江省太陽能利用及節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121；4.浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

當(dāng)前，我國電動(dòng)汽車保有量連年增長，市場滲透率持續(xù)提升，但充電設(shè)施建設(shè)卻相對(duì)緩慢，2021年我國車樁比為2.7∶1，仍遠(yuǎn)低于《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015―2020）》規(guī)劃的1∶1的指標(biāo)[1]。究其原因，目前充電樁建設(shè)面臨種種困境：一方面，電力增容困難，尤以老舊居民區(qū)為例，當(dāng)接入大量充電樁負(fù)載后，電網(wǎng)負(fù)荷過重，配電容量不足以支撐；另一方面，傳統(tǒng)充電樁盈利模式單一，僅靠收取充電服務(wù)費(fèi)，在充電利用率不高的情況下盈利較難。

在此背景下，“光-儲(chǔ)-充”一體化設(shè)備/站點(diǎn)的出現(xiàn)則可有效解決電力增容困難、盈利差的問題。充電樁夜間利用電池儲(chǔ)能，日間利用儲(chǔ)能放電、光伏發(fā)電，能夠有效降低充電樁使用成本，同時(shí)能夠減少高峰時(shí)期對(duì)電力資源的占用，提高整體經(jīng)濟(jì)性。

由于“光-儲(chǔ)-充”一體化設(shè)備/站點(diǎn)形成了一個(gè)自洽的分布式微網(wǎng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)內(nèi)能源調(diào)度以及向網(wǎng)外聯(lián)絡(luò)的能源管理系統(tǒng)起到了非常重要的作用。針對(duì)“光-儲(chǔ)-充”一體化的能源管理策略，已有許多學(xué)者做出研究，其中以規(guī)劃配置過程中使用的遺傳、粒子群等優(yōu)化算法最為流行。文獻(xiàn)[2]通過非支配排序遺傳算法算法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[3]通過粒子群算法和混合整數(shù)線性規(guī)劃算法用于確定儲(chǔ)能控制策略并優(yōu)化光儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力。

然而，此類算法需要對(duì)光伏以及充電負(fù)荷做出預(yù)測以便于優(yōu)化計(jì)算，而實(shí)際情況是充電樁的使用行為具有隨機(jī)性往往難以預(yù)期；另一方面，此類算法需要較強(qiáng)的計(jì)算能力，對(duì)于使用如單片機(jī)類的嵌入式微處理器并不適用。本文針對(duì)該情況，提出了一種便于工程應(yīng)用的光儲(chǔ)充能源管理策略，以便運(yùn)行于計(jì)算資源較少的嵌入式系統(tǒng)中。

1 智慧光伏儲(chǔ)能充電樁架構(gòu)

智慧光伏儲(chǔ)能充電樁包含光伏板、儲(chǔ)能電池、充電系統(tǒng)以及能源管理系統(tǒng)，其電氣架構(gòu)如圖 1所示。

1.1 光伏板

光伏板放置于屋頂?shù)裙庹粘渥銋^(qū)域，如圖 2所示，通過DC/DC功率轉(zhuǎn)換模塊，連接直流母線以對(duì)負(fù)載供電。相較于傳統(tǒng)光伏發(fā)電需先逆變上網(wǎng)再用電的方式，該方案通過直流系統(tǒng)就地消納，減少了能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提升了能源轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了一種“源-荷-儲(chǔ)”一體化的微電網(wǎng)形態(tài)。

1.2 儲(chǔ)能電池

由于充電樁設(shè)備需要較大瞬時(shí)功率，且安裝場地往往用地緊張，這就對(duì)配套的儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了高功率與高能量密度的要求。

鋰離子電池是一種循環(huán)壽命長、效率高的高能量/高功率密度電池。磷酸鐵鋰電池又是其中一種熱穩(wěn)定性較好、安全可靠的電池。相比于其他電化學(xué)儲(chǔ)能方式，如鉛酸電池、釩液流電池，磷酸鐵鋰電池由于其優(yōu)越的充放電特性與安全性更適合作為“光-儲(chǔ)-充”一體化的儲(chǔ)能解決方案。

在本“光-儲(chǔ)-充”系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池直接掛載在直流母線上，支撐母線電壓，并通過掛載在母線上的功率變換器，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)、光伏以及電動(dòng)汽車之間的能量交換，如圖 1所示。

1.3 充電系統(tǒng)

傳統(tǒng)直流充電樁通常使用多個(gè)AC/DC充電功率模塊并聯(lián)從市電取電向車端供電，并由控制電路板實(shí)現(xiàn)充電控制、人機(jī)界面、計(jì)量、絕緣監(jiān)測及線路保護(hù)等功能。本充電系統(tǒng)除了采用傳統(tǒng)AC/DC充電模塊用于實(shí)現(xiàn)直流快充外，還可額外通過掛載在直流母線上的DC/DC充電模塊（圖 3）形成從光伏、儲(chǔ)能取電用于充電的備選路徑，可為充電樁運(yùn)營者在尖峰時(shí)段提供更經(jīng)濟(jì)的用電方式。

1.4 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)用于控制、平衡和優(yōu)化電網(wǎng)、儲(chǔ)能、充電樁之間的電能供應(yīng)和需求，如圖 4所示，可在峰谷用電和配網(wǎng)增容等方面帶來應(yīng)用價(jià)值。

能源管理系統(tǒng)硬件需具備一個(gè)本地控制器，可采用單片機(jī)、DSP、PLC等，如圖 5所示，控制本地功率變換器及實(shí)現(xiàn)輔助功能；另一方面，可通過遠(yuǎn)程通訊與云平臺(tái)相連，接受上級(jí)控制器指示。能源管理系統(tǒng)的本地通信采用RS485、CAN配合高壓電氣隔離方案，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力和通信的穩(wěn)定性。遠(yuǎn)程通信采用以太網(wǎng)/LTE通信接口可選方案，方便擴(kuò)展通信主機(jī)種類和數(shù)量。

2 能源管理策略

能源管理策略采取最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性原則制定。鑒于本能源管理系統(tǒng)使用單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)計(jì)算資源有限，對(duì)于遺傳算法、粒子群等對(duì)計(jì)算能力要求較高的算法難以實(shí)現(xiàn)，因此需要采用占用資源較少且易于編寫單片機(jī)代碼的能源管理策略。

2.1 能源流向分析

圖1中源載設(shè)備、功率模塊及默認(rèn)能流方向標(biāo)注如圖 6所示，其中圓圈代表功率轉(zhuǎn)換器。

圖1 智慧光伏儲(chǔ)能充電樁架構(gòu)

圖2 屋頂光伏板

圖3 智慧光伏儲(chǔ)能充電樁外形圖及內(nèi)部功率模塊

圖4 能源管理系統(tǒng)框架圖

圖5 能源管理系統(tǒng)控制板

圖6 功率模塊及能源流向定義

圖7 能源流向分配

根據(jù)系統(tǒng)功率平衡條件，可得式(1)―式(5)，且每個(gè)源載或轉(zhuǎn)換設(shè)備需滿足限制條件式(6)。

式(1)中左側(cè)為源，右側(cè)為載。Pa為市電輸入功率 ；Pb為光伏輸入功率；Pc為充電樁輸出功率；Pd為儲(chǔ)能輸出功率(放電為正)。式(2)―(6)中功率變換器1―4實(shí)時(shí)輸出功率按編號(hào)分別定義為P1―P4。

為追求最大經(jīng)濟(jì)性，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)為一天內(nèi)最大收益值（或最低成本）：

式中：pat、pct分別為當(dāng)前t時(shí)段實(shí)時(shí)峰谷電價(jià)與充電樁售電價(jià)格；Δt為當(dāng)前時(shí)段時(shí)長。

2.2 模型分析與簡化

由于該模型存在多個(gè)變量，需要采用多變量優(yōu)化求解方法，計(jì)算較為復(fù)雜，因此需要簡化模型。

經(jīng)分析總結(jié)，能源流向途經(jīng)及轉(zhuǎn)化效率如下表 1所示，轉(zhuǎn)換效率由路徑上各級(jí)功率轉(zhuǎn)換模塊平均工作效率乘積而得。顯而易見，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)越多，轉(zhuǎn)換效率越低。儲(chǔ)能側(cè)的轉(zhuǎn)換效率由于其經(jīng)過的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，相應(yīng)損耗較高。

表1 能源流動(dòng)路徑與效率

針對(duì)市電向車端供電，圖 7a，由于a―2―3―c路徑相比于a―1―c多一轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，效率偏低，因此應(yīng)優(yōu)先選擇a―1―c路徑。此要求等效于不應(yīng)有凈流量同時(shí)流過P2、P3線路。

在此情況下，按照光儲(chǔ)系統(tǒng)凈流量(Pb+Pd)大小情況，可分為：

1)光儲(chǔ)凈流入（圖 7b，(Pb+Pd)≤0）；

2)光儲(chǔ)凈流出（圖 7c，0＜(Pb+Pd)≤Pc）；

3)光儲(chǔ)凈流出上網(wǎng)或充電（圖 7d，(Pb+Pd)＞Pc）三種情形。

以計(jì)算2號(hào)雙向功率變換器實(shí)時(shí)輸出功率為例，這三類情形可歸納總結(jié)為：

通過式(8)可解決母線功率在2、3號(hào)變換器功率分配的問題，以便進(jìn)行下一步能源管理策略的優(yōu)化計(jì)算。

2.3 儲(chǔ)能管理策略

從最優(yōu)經(jīng)濟(jì)角度而言，需考慮以下因素：

1)光伏作為清潔可再生能源并無電價(jià)成本，應(yīng)最大程度利用；

2)由于峰谷差價(jià)較大，用電成本不同，通過儲(chǔ)能電池在谷電時(shí)間充電、尖峰時(shí)段放電，具有較高經(jīng)濟(jì)效益，可大幅降低充電樁使用成本。

根據(jù)上述兩條原則，為使光伏發(fā)電最大化利用，光伏功率變換器采用最大功率跟蹤MPPT控制形式，輸出功率由實(shí)時(shí)光伏日照條件決定，隨機(jī)不可控但可實(shí)時(shí)測量作為已知條件；而系統(tǒng)中電動(dòng)汽車側(cè)用電則根據(jù)車輛實(shí)時(shí)需求輸出功率Pc，同樣隨機(jī)不可控但可作為已知條件?？刂谱兞繛閮?chǔ)能充放電功率Pd或市電聯(lián)絡(luò)線功率Pa之一，即可求解系統(tǒng)實(shí)時(shí)功率狀態(tài)。

如表 2所示，對(duì)于儲(chǔ)能功率Pd控制可做出以下規(guī)劃：待機(jī)、最大功率快速充放電或按規(guī)劃慢速充放電。

表2 能源流動(dòng)控制參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最大化，儲(chǔ)能遵循一天兩峰兩充兩放利用的基本策略，并與系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備狀態(tài)解耦，僅根據(jù)峰谷時(shí)段作出相應(yīng)調(diào)整變化，即谷電充滿，峰電放電，并對(duì)充放電時(shí)長做出規(guī)劃調(diào)整。以夜間谷電時(shí)段為例，因其時(shí)長較長，采用慢速充電的方式相較于大功率快充的方式更能延長儲(chǔ)能電池壽命。據(jù)此，可設(shè)定儲(chǔ)能充放電功率為規(guī)劃充放電電量除以規(guī)劃充放電時(shí)長，即表 2中式(9)、式(10)所示，其中EΔSoC為規(guī)劃充放電量，Δt為規(guī)劃充放電時(shí)間。

3 算例

下面以安裝于華東地區(qū)某商業(yè)辦公園區(qū)內(nèi)的一臺(tái)智慧充電樁為例，結(jié)合上述分析做出規(guī)劃與計(jì)算：

3.1 光伏輸出功率假設(shè)

光伏輸出功率參照華東某地區(qū)某日晴朗天氣下光伏系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)[4]。

3.2 電動(dòng)汽車負(fù)荷

由于充電樁負(fù)荷隨機(jī)性較大，不易預(yù)測，尤其是單臺(tái)充電樁行為受地理位置、用戶習(xí)慣等種種因素影響，假設(shè)以多車次非通勤車輛滿功率60kW充電運(yùn)行為例。充電時(shí)間設(shè)定為9∶00―9∶30，12∶30―13∶30，19∶30―20∶00，分別代表早、中、晚充電高峰期需求[5]。

3.3 儲(chǔ)能使用

根據(jù)浙江省一般工商業(yè)分時(shí)電價(jià)[6]，制定儲(chǔ)能使用策略如表3所示。

表3 浙江省一般工商業(yè)分時(shí)電價(jià)

表4 峰谷使用電量

為充分利用峰谷差價(jià)，采取“一天兩充、兩放”策略，規(guī)劃充放電量如表 4所示。為防止深度充放電影響電池壽命，將電池充電量限定于10%與90%區(qū)間，同時(shí)可為電池過充/過放預(yù)留余地。由于午間11∶00―13∶00間谷時(shí)段較短，為避免短時(shí)間快速充放電，規(guī)劃該時(shí)段僅補(bǔ)電40%充電量，相應(yīng)地8∶00―11∶00間第一峰時(shí)段則用電40%充電量。

根據(jù)各時(shí)段用、充電量以及時(shí)段小時(shí)數(shù)，可由式(9)、式(10)推得儲(chǔ)能各時(shí)段功率如表 4所示，計(jì)算所用儲(chǔ)能滿充電量為51.2kW·h (即EΔSoC| ΔSoC=100%)。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上信息，系統(tǒng)輸出功率計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)，光伏峰值發(fā)電Pb達(dá)到20kW，儲(chǔ)能日內(nèi)實(shí)現(xiàn)低倍率兩充兩放Pd，最大放電倍率約為0.4C，發(fā)生于夜間19―21點(diǎn)尖峰時(shí)段。受大功率充電樁用電負(fù)荷Pc影響，市網(wǎng)供電Pa存在較大波動(dòng)，但由于光伏與儲(chǔ)能系統(tǒng)存在，整體市電用電需求最高值僅50kW就能滿足車端60kW峰值充電需求。

圖8 日內(nèi)系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出功率

從經(jīng)濟(jì)角度而言，光伏當(dāng)日發(fā)電量共計(jì)135kW·h，若按峰谷電價(jià)計(jì)算相應(yīng)節(jié)約的費(fèi)用，可得收益為99.8元；充電樁側(cè)若按峰谷電價(jià)基礎(chǔ)上向用戶額外收取0.5元/(kW·h)度服務(wù)費(fèi)，則當(dāng)日累計(jì)充電量120kW·h，收入161.6元，其中用電成本101.6元由用戶支付，服務(wù)費(fèi)即凈收入60元。光、充共可獲得凈收入159.8元。而通過儲(chǔ)能按照上述策略參與其中，則收益進(jìn)一步提高，增至204.5元，增收幅度28%。

4 結(jié)論

本文針對(duì)一種智慧光伏儲(chǔ)能充電樁提出了一種簡單易用的實(shí)時(shí)能源管理策略。通過分析電能流經(jīng)途徑，使用最高效率傳輸路徑，并充分利用峰谷差價(jià)合理規(guī)劃了光儲(chǔ)多能互補(bǔ)平臺(tái)下的儲(chǔ)能充電管理策略。經(jīng)過分析計(jì)算，該策略能充分發(fā)揮光伏、儲(chǔ)能的作用，降低充電樁使用成本，提高經(jīng)濟(jì)性。