含光-儲電源的電動自行車棚充電策略及經濟性分析

阿旺多杰

（西藏職業技術學院，西藏 拉薩 850000）

電動自行車因價格低廉、使用成本低、環保、出行效率高等優點，成為了短途出行的重要交通工具，特別是在道路錯綜復雜的市區內，電動自行車是出行的最優選擇。因此，電動自行車充電棚也應運而生，其選址一般在學校、公共場所、工廠以及小區等區域。

西藏地區日照量充足，樓層普遍較低，非常適合建設含光伏電源的電動自行車充電棚。本文通過將光-儲系統引入到電動自行車充電棚，對其控制方法和經濟性進行分析，實現用戶、充電棚以及電網三者的效益最大化。

1 光-儲充電棚基本結構

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

圖1 光-儲充電棚基本結構

圖中，PPV為光伏電池組輸出功率，Pbat為儲能電池組組交換功率，PL為負荷吸收功率，Ps為經逆變器交換的功率。當光伏出力充足時，充電負荷所需功率全部由光伏電池組直接提供，并根據當前出力的大小，決定多出部分并網或向儲能電池充電。當光伏出力不足時，系統根據當前購電價格，決定儲能放電或購電提供給充電負荷。具體工作模式如下：

模式1.當PPV≈PL時，即光伏電池組輸出功率接近負荷功率時，優先采用光伏電池組進行充電。

模式2.當PPV＜PL時，即光伏電池組輸出功率無法滿足負荷所需功率時，利用市電補償缺額功率。

模式3.當PPV≥PL時，即光伏電池組輸出功率遠大于負荷功率時，將多余電能并網或儲存到蓄電池組。

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

模式5.當PPV=0且電價較低時，光照量為零且電網處在用電低谷期時，蓄電池組通過市電進行充電，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、儲能電池3個部分組成，3種電源的平滑切換是車棚效益最大化的關鍵所在。為此，需要設計光伏輸出檢測和儲能電池電量檢測電路，以實現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端電壓得到，如圖2所示，利用比較器檢測光伏輸出端和直流母線的壓差，并與參考電壓進行對比，對比結果作為控制器中斷信號。

圖2 光伏輸出檢測電路

儲能電池電量由采樣電阻的電流與時間的積分，加上當前余量得到。如圖3所示，采樣的電阻Rx的壓差輸入至控制器ADC端口，控制器計算電量后與參考電量對比，并與參考電壓進行對比，對比結果作為控制器中斷信號。

圖3 儲能電池電量檢測

3 光-儲容量優化配置

3.1 目標函數

要實現光-儲電動自行車棚經濟效益最佳，其核心在于圖4所示的能量流進行合理分配[3-7]。本文將全年的支出費用最低作為目標函數，即

圖4 充電棚能量流

式中：C1為電費支出成本；C2為投資成本；C3為并網收入。

目標函數中，對于C1有

式中：P(i)為當前購電電價；Pbuy(i)為i時刻購電量；Pbuy.Charge(i)為用于電池充電的每小時購電量；Pbuy.Load(i)為用于提供負荷的每小時購電量。

對于C2有

式中：Ppv(i)為光伏電池在i時刻的輸出功率；S(i)為儲能電池在i時刻的荷電狀態；Pmax為儲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；d為折現率，本文取0.06；n為使用年限，本文取10。

對于C3有

式中：ρe(i)為光伏上網電價；PPV.export(i)為光伏電池在第i時刻并網功率。

3.2 約束條件

光-儲充電棚系統的約束條件主要有儲能充放電功率約束、儲能電量約束、放電次數約束。

3.2.1 儲能充放電功率約束

為了防止充放電功率過大，對儲能電池性能和壽命受到影響，需對每刻放電功率加以限制。設荷電狀態從0至滿電狀態需經歷時間t，則有

故，儲能電池充電時

式中：Pbuy.Charge(i)為i時刻電網向儲能電池充電的功率；Pbuy.Charge(i)為i時刻光伏電池組向儲能電池充電的功率。

儲能電池放電時

式中：Pbat.load(i)為i時刻儲能電池向負荷放電的功率。

3.2.2 儲能電量約束

儲能電池的荷電狀態應該保持在一定的區間之內，即

式中：S(i)為第i時刻荷電狀態。

由于荷電狀態具有連續性，當前時刻的荷電狀態等于上一時刻荷電狀態與當前時刻儲能電池充電或放電功率決定，即

此外，儲能電池在調度前應有剩余電量，且24后電池電量應恢復為原狀態，以避免影響到后一天的調度程序，故式中：n為調度初始時刻的荷電率。

3.2.3 充放電次數約束

充放電次數過于頻繁會造成儲能電池的壽命降低，以鋰電池為例，在其壽命周期內可進行4000次充放電循環。故將光-儲充電棚系統儲能放電次數限制在每天1次，即

3.2.4 功率平衡約束

光-儲充電棚系統分別在售電和購電時功率應保持平衡，即

4 算例分析

4.1 基礎數據

算例采取的基礎參數如表1所示，現根據表2拉薩地區的實時電價，拉薩地區枯水期典型日輻照量如圖5所示，某校園電動自行車棚充電負荷數據如圖6所示，進行算例分析。

圖6 某校園電動自行車棚充電負荷曲線

表1 算例參數

表2 西藏地區中部電網工商業用電實時電價

圖5 拉薩地區枯水期典型日輻照曲線

4.2 優化結果

由于光伏出力的峰值和充電負荷峰值出現在不同時刻，而充電負荷增長率又相對平穩，故光-儲充電棚配置儲能容量的第一考慮要素是充電負荷的大小。考慮充電棚的占地面積，并利用MATLAB的FMINCON函數對上述情況進行分析，得出光伏配置容量180 kW，儲能電池配置容量為30 kWh。光-儲充電棚的年化支出如表3所示，配置光儲能后的電源出力與負荷曲線如圖所示。

表3 充電棚年化支出 萬元

上述結論可看出，配置光-儲電源后，每年可以為充電棚運營節約14.93萬元的開支。

5 結束語

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，給出了最優配置方案。由于充電棚的負荷大小與光伏電源出力分布不均，因此配備儲能可以在光伏出力較強時進行充電，補償電價較高時段的充電負荷。然而，西藏地區電價波動和價格都處于較低水平，故盡可能的增加光伏容量，配備一定的儲能，提高電能質量，可以有效增加充電棚的收益。