文_鄒婉佳 中國(guó)石油大學(xué)(北京)
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(guó)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(guó)該產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步,但是無(wú)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。
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(yíng)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(shuō)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(guó)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(kāi)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(wèn)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(wú)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(guò)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(wèn)題,保證用電正常和安全。
綜上可見(jiàn),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(lái)共同保障用電安全和電網(wǎng)的運(yùn)行。
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(wú)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(rùn)。但因?yàn)樵黾恿顺杀荆虼藘?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(rùn)值有很大提升。
隨著我國(guó)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。