含光-储电源的电动自行车棚充电策略及经济性分析
时间：2023-02-22 23:50:04 来源：千叶帆 本文已影响人
阿旺多杰
（西藏职业技术学院，西藏 拉萨 850000）
电动自行车因价格低廉、使用成本低、环保、出行效率高等优点，成为了短途出行的重要交通工具，特别是在道路错综复杂的市区内，电动自行车是出行的最优选择。因此，电动自行车充电棚也应运而生，其选址一般在学校、公共场所、工厂以及小区等区域。
西藏地区日照量充足，楼层普遍较低，非常适合建设含光伏电源的电动自行车充电棚。本文通过将光-储系统引入到电动自行车充电棚，对其控制方法和经济性进行分析，实现用户、充电棚以及电网三者的效益最大化。
如图1所示，本文所述光-储充电棚由光伏板、蓄电池、内置电源适配器（用于共享电动自行车电池充电、未携带充电器用户充电等）、逆变器等模块组成[1-2]。
图1 光-储充电棚基本结构
图中，PPV为光伏电池组输出功率，Pbat为储能电池组组交换功率，PL为负荷吸收功率，Ps为经逆变器交换的功率。当光伏出力充足时，充电负荷所需功率全部由光伏电池组直接提供，并根据当前出力的大小，决定多出部分并网或向储能电池充电。当光伏出力不足时，系统根据当前购电价格，决定储能放电或购电提供给充电负荷。具体工作模式如下：
模式1.当PPV≈PL时，即光伏电池组输出功率接近负荷功率时，优先采用光伏电池组进行充电。
模式2.当PPV＜PL时，即光伏电池组输出功率无法满足负荷所需功率时，利用市电补偿缺额功率。
模式3.当PPV≥PL时，即光伏电池组输出功率远大于负荷功率时，将多余电能并网或储存到蓄电池组。
模式4.当PPV=0且电价较高时，即光照量为零且电网处在用电高峰期时，充电棚所需功率由储能电池组提供，不足部分由电网提供。
模式5.当PPV=0且电价较低时，光照量为零且电网处在用电低谷期时，蓄电池组通过市电进行充电，而充电棚所需功率，全由市电提供。
本文所述的充电棚供电电源由光伏电池、市电、储能电池3个部分组成，3种电源的平滑切换是车棚效益最大化的关键所在。为此，需要设计光伏输出检测和储能电池电量检测电路，以实现充电控制器选择不同的电源组合。
光伏电池的输出可以通过检测端电压得到，如图2所示，利用比较器检测光伏输出端和直流母线的压差，并与参考电压进行对比，对比结果作为控制器中断信号。
图2 光伏输出检测电路
储能电池电量由采样电阻的电流与时间的积分，加上当前余量得到。如图3所示，采样的电阻Rx的压差输入至控制器ADC端口，控制器计算电量后与参考电量对比，并与参考电压进行对比，对比结果作为控制器中断信号。
图3 储能电池电量检测
3.1 目标函数
要实现光-储电动自行车棚经济效益最佳，其核心在于图4所示的能量流进行合理分配[3-7]。本文将全年的支出费用最低作为目标函数，即
图4 充电棚能量流
式中：C1为电费支出成本；
C2为投资成本；
C3为并网收入。
目标函数中，对于C1有
式中：P(i)为当前购电电价；
Pbuy(i)为i时刻购电量；
Pbuy.Charge(i)为用于电池充电的每小时购电量；
Pbuy.Load(i)为用于提供负荷的每小时购电量。
对于C2有
式中：Ppv(i)为光伏电池在i时刻的输出功率；
S(i)为储能电池在i时刻的荷电状态；
Pmax为储能电池最大放电功率；
Cpv.cap为单位kW光伏电池投资成本；
Cbat.cap为单位kW电池投资成本；
Cbat.power为单位kW变流器成本；
LFn为年资金回收系数；
d为折现率，本文取0.06；
n为使用年限，本文取10。
对于C3有
式中：ρe(i)为光伏上网电价；
PPV.export(i)为光伏电池在第i时刻并网功率。
3.2 约束条件
光-储充电棚系统的约束条件主要有储能充放电功率约束、储能电量约束、放电次数约束。
3.2.1 储能充放电功率约束
为了防止充放电功率过大，对储能电池性能和寿命受到影响，需对每刻放电功率加以限制。设荷电状态从0至满电状态需经历时间t，则有
故，储能电池充电时
式中：Pbuy.Charge(i)为i时刻电网向储能电池充电的功率；
Pbuy.Charge(i)为i时刻光伏电池组向储能电池充电的功率。
储能电池放电时
式中：Pbat.load(i)为i时刻储能电池向负荷放电的功率。
3.2.2 储能电量约束
储能电池的荷电状态应该保持在一定的区间之内，即
式中：S(i)为第i时刻荷电状态。
由于荷电状态具有连续性，当前时刻的荷电状态等于上一时刻荷电状态与当前时刻储能电池充电或放电功率决定，即
此外，储能电池在调度前应有剩余电量，且24后电池电量应恢复为原状态，以避免影响到后一天的调度程序，故式中：n为调度初始时刻的荷电率。
3.2.3 充放电次数约束
充放电次数过于频繁会造成储能电池的寿命降低，以锂电池为例，在其寿命周期内可进行4000次充放电循环。故将光-储充电棚系统储能放电次数限制在每天1次，即
3.2.4 功率平衡约束
光-储充电棚系统分别在售电和购电时功率应保持平衡，即
4.1 基础数据
算例采取的基础参数如表1所示，现根据表2拉萨地区的实时电价，拉萨地区枯水期典型日辐照量如图5所示，某校园电动自行车棚充电负荷数据如图6所示，进行算例分析。
图6 某校园电动自行车棚充电负荷曲线
表1 算例参数
表2 西藏地区中部电网工商业用电实时电价
图5 拉萨地区枯水期典型日辐照曲线
4.2 优化结果
由于光伏出力的峰值和充电负荷峰值出现在不同时刻，而充电负荷增长率又相对平稳，故光-储充电棚配置储能容量的第一考虑要素是充电负荷的大小。考虑充电棚的占地面积，并利用MATLAB的FMINCON函数对上述情况进行分析，得出光伏配置容量180 kW，储能电池配置容量为30 kWh。光-储充电棚的年化支出如表3所示，配置光储能后的电源出力与负荷曲线如图所示。
表3 充电棚年化支出 万元
上述结论可看出，配置光-储电源后，每年可以为充电棚运营节约14.93万元的开支。
通过分析充电棚的能量流，并考虑使用年限、投资成本、占地面积等因素后，给出了最优配置方案。由于充电棚的负荷大小与光伏电源出力分布不均，因此配备储能可以在光伏出力较强时进行充电，补偿电价较高时段的充电负荷。然而，西藏地区电价波动和价格都处于较低水平，故尽可能的增加光伏容量，配备一定的储能，提高电能质量，可以有效增加充电棚的收益。
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