基于電池儲能的電動汽車充電站的應用與評價

文_鄒婉佳 中國石油大學（北京）

1 電動汽車充電站應用模式概況

電動汽車充電站應用模式主要有三種，即停車場（或路邊）充電樁模式；公用充電站模式；電池更換站模式。我國電動汽車剛起步，因此充電站的應用模式不多。以上充電模式可以滿足我國該產業的進步，但是無法實現全覆蓋，尤其是客流集中的商業地段。

商業地段的人口流動性大，有必要滿足商業地段人口的電動汽車充電需求。對這些地段實現全覆蓋，才能更方便人們的出行，以及促進電動汽車的快速發展。而這就需要在充電站中，很好的運用儲能電池以及先進的相關技術，實現節能與環保的同時，促進電動汽車發展。

2 儲能充電站及其經濟性評估

2.1 儲能充電站

如何在充電站中運用基于儲能充電站呢，下面以某公司儲能充電站為例，分析在城市中心商業地段儲能充電站的成功應用。該公司的充電站建設在三期地下停車場B4和B3層，5個一拖一電動汽車充電樁，13個一拖二充電站，32個地下停車車位被覆蓋。

該公司的電動汽車大多在營業時間充電，即9時～21時。這種情況使得用電的負荷在高峰時刻不斷加劇，并且一起接入電網的電動車很多，整個公司電網的運行將受到大電流尖峰沖擊。好在針對工商業用電，首都出臺了峰谷電價政策，峰谷電價差的利用，不但可達成“移峰填谷”，還可使電費極大下降。

2.1.1 某公司三期儲能充電站設計說明、改造方案

該公司將充電站機房建設在三期地下停車場B4層。充電站采用磷酸鐵鋰電池組， 250kW/600kWh的設計容量，設計的充電站可對公司內的所有汽車充電需要加以滿足，覆蓋充電區域31個，充電點位設計了18個。充電站依據首都峰谷電價設計模式，達成填谷削峰。

2.1.2 運行模式

（1）緩解尖峰模式

當車輛一起充電等大電流沖擊突發時，大電流沖突可能會對國留電網產生極大影響。尖峰沖擊被充電站感應到，充電站會馬上開始（平滑尖峰沖擊）響應放電，保障不會嚴重影響電網。

（2）電力移峰填谷模式

關于放充電循環，充電站自動每日完成2次，對谷時電價有效運用，替代尖峰時和峰時的高電價用電。

于低谷負荷時間內，通過用電側或發電側的調度，將一些尖峰負荷時段內的負荷安排進去，使電網供電負擔減輕，負荷率提升，負荷峰谷差縮小，便是填谷削峰。依據負荷預測曲線，充電站系統進行放充電控制策略的制定，放電于用電高峰，充電于負荷低谷。提高發電能源、電網設備的利用率，使電網負荷率提升，及其最大負荷利用時長增加。

跟蹤時間為2018年6月1日凌晨12：01：00分至2日中午12：60：00分。通過其對儲能系統出力進行調整，結果顯示，電網的負荷在2日中午12：28：11時刻達到了110.07kW。依據調度的要求，電池充放電設備設置91.00kW目標用電負荷功率，儲能電池的出力協調調度-17.86kW，最終得到92.21kW用電負荷實際功率。實際值和目標值之間相差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，如果有以下情況出現，包括臨時檢修變壓器、一起充電等，充電站能夠發揮電力增容的功效。當電網超負荷信號被充電站系統感應到時，將自動運行，使負荷率降低。還能夠使負載能力提升的充電站系統，在用電高峰時可使負載增加。

（4）后備電源

為了保證在電網出現問題時，一些重要的關系工作的設備能繼續工作，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，這些設備的大量的電源將無用武之地，不但會因電池的降解而影響環境，還會使大量的資源被浪費掉。而本課題設計的充電站則可替代該種電源發揮作用。將一些重要的設備與電池，通過系統設計實現連接供電母線。當系統供電停止時，能繼續提供點能，從而有效的解決上述問題，保證用電正常和安全。

綜上可見，充電站的運行模式主要有4種，上述已經一一進行了分析。每種模式對應不同的情況，以來共同保障用電安全和電網的運行。

2.2 儲能充電站經濟性評估

2.2.1 經濟性評估指標

對儲能充電站，依據電池儲能容量、發電量、電價等相關數據，實施經濟性評估。財務效益和技術經濟效益是主要分析內容。圖1所示的是評估指標。從圖1可知，評估指標主要包括財務凈現值、平準化電力成本、動態投資回收期、年均發電量。

圖1 儲能充電站運行經濟性評估指標

（1）年均發電量。對系統總運行周期與發電單位在周期內的總發電量的比值進行評估。

式中：儲能充電站運行周期即N，運行期內運行期內總發電量即E，年均發電量即。

（2）動態投資回收期。投入的資金，充電站都收回花費的時間。

（3）系統單位電量成本（平準化電力成本）。本研究中，即儲能充電站全部折算為現值的壽命周期成本與年總發電量的比值。按下式計算：

式中，第n年的發電量即，其他費用即，第n年運行成本即，系統殘值即，初始投資即，系統運行年限即n，折現率即z。

（4）財務凈現值。指的是在全壽命周期內，儲能充電站預期現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）對所建立的儲能電站的容量配置模型進行求解。MPGA這一算法改進自SGA（標準遺傳算法）。在算法終止判據的選用方面，精英種群的引入和傳統遺傳代數判據相比，前者更合理。另外，在對電池容量等相關變量的最優解進行求解時，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，10年的磷酸鐵鋰儲能電池壽命，20年的系統運行壽命，1.9624元/kWh的服務及充電費。選取其的典型日負荷，將充電站的評估目標設定為“經濟收益（全壽命周期）”，對最優容量配置模型的求解采用多種群遺傳算法，同時分析財務以及技術經濟效益，從而實現經濟性（全壽命周期）的評估。

經濟性評估指標計算結果分別如表1所示。其給出的是儲能電池有無配置的充電站系統的20年全壽命周期的年均發電量。

表1 經濟性評估指標計算結果

和儲能電池未配置的系統比較，儲能電池配置后的年均發電量高出1786kWh。儲能電池未配置時，系統為實現最佳的收益，和儲能電池配置后的系統比較，具更少的發電量。

而關于資本動態回收年限，儲能電池配置后，變為了4年，原本是12年，表明儲能電池配置的系統具更大的年利潤。但因為增加了成本，因此儲能電池配置后，平準化電力成本提高2.1元/kWh，但考慮到財務凈現值，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 結語

隨著我國電動汽車的進步，今后使用電動汽車的人將不斷增多，同時也會進一步提升電網的用電負荷。因此，有必要將儲能電池以及相關的技術運用到電動汽車充電站中，使在保證經濟效益的同時，實現節能與環保，從而促進電動汽車充電站以及該產業的健康發展。而本文在實際的項目中，提出了一種新的商業模式，即“充電站+儲能電站”，并且對該模式進行了經濟評估，結果顯示社會和經濟效益良好，值得推廣。