智慧光伏儲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.浙江省白馬湖實驗室有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121；3.浙江省太陽能利用及節能技術重點實驗室，浙江 杭州 311121；4.浙江省能源集團有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引 言

當前，我國電動汽車保有量連年增長，市場滲透率持續提升，但充電設施建設卻相對緩慢，2021年我國車樁比為2.7∶1，仍遠低于《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015―2020）》規劃的1∶1的指標[1]。究其原因，目前充電樁建設面臨種種困境：一方面，電力增容困難，尤以老舊居民區為例，當接入大量充電樁負載后，電網負荷過重，配電容量不足以支撐；另一方面，傳統充電樁盈利模式單一，僅靠收取充電服務費，在充電利用率不高的情況下盈利較難。

在此背景下，“光-儲-充”一體化設備/站點的出現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能，日間利用儲能放電、光伏發電，能夠有效降低充電樁使用成本，同時能夠減少高峰時期對電力資源的占用，提高整體經濟性。

由于“光-儲-充”一體化設備/站點形成了一個自洽的分布式微網，負責網內能源調度以及向網外聯絡的能源管理系統起到了非常重要的作用。針對“光-儲-充”一體化的能源管理策略，已有許多學者做出研究，其中以規劃配置過程中使用的遺傳、粒子群等優化算法最為流行。文獻[2]通過非支配排序遺傳算法算法對多目標優化模型進行求解；文獻[3]通過粒子群算法和混合整數線性規劃算法用于確定儲能控制策略并優化光儲能系統的出力。

然而，此類算法需要對光伏以及充電負荷做出預測以便于優化計算，而實際情況是充電樁的使用行為具有隨機性往往難以預期；另一方面，此類算法需要較強的計算能力，對于使用如單片機類的嵌入式微處理器并不適用。本文針對該情況，提出了一種便于工程應用的光儲充能源管理策略，以便運行于計算資源較少的嵌入式系統中。

1 智慧光伏儲能充電樁架構

智慧光伏儲能充電樁包含光伏板、儲能電池、充電系統以及能源管理系統，其電氣架構如圖 1所示。

1.1 光伏板

光伏板放置于屋頂等光照充足區域，如圖 2所示，通過DC/DC功率轉換模塊，連接直流母線以對負載供電。相較于傳統光伏發電需先逆變上網再用電的方式，該方案通過直流系統就地消納，減少了能源轉換環節，提升了能源轉換效率，實現了一種“源-荷-儲”一體化的微電網形態。

1.2 儲能電池

由于充電樁設備需要較大瞬時功率，且安裝場地往往用地緊張，這就對配套的儲能系統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定性較好、安全可靠的電池。相比于其他電化學儲能方式，如鉛酸電池、釩液流電池，磷酸鐵鋰電池由于其優越的充放電特性與安全性更適合作為“光-儲-充”一體化的儲能解決方案。

在本“光-儲-充”系統中，儲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，實現與電網、光伏以及電動汽車之間的能量交換，如圖 1所示。

1.3 充電系統

傳統直流充電樁通常使用多個AC/DC充電功率模塊并聯從市電取電向車端供電，并由控制電路板實現充電控制、人機界面、計量、絕緣監測及線路保護等功能。本充電系統除了采用傳統AC/DC充電模塊用于實現直流快充外，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、儲能取電用于充電的備選路徑，可為充電樁運營者在尖峰時段提供更經濟的用電方式。

1.4 能源管理系統

能源管理系統用于控制、平衡和優化電網、儲能、充電樁之間的電能供應和需求，如圖 4所示，可在峰谷用電和配網增容等方面帶來應用價值。

能源管理系統硬件需具備一個本地控制器，可采用單片機、DSP、PLC等，如圖 5所示，控制本地功率變換器及實現輔助功能；另一方面，可通過遠程通訊與云平臺相連，接受上級控制器指示。能源管理系統的本地通信采用RS485、CAN配合高壓電氣隔離方案，增強系統抗干擾能力和通信的穩定性。遠程通信采用以太網/LTE通信接口可選方案，方便擴展通信主機種類和數量。

2 能源管理策略

能源管理策略采取最優經濟性原則制定。鑒于本能源管理系統使用單片機進行控制，實時計算資源有限，對于遺傳算法、粒子群等對計算能力要求較高的算法難以實現，因此需要采用占用資源較少且易于編寫單片機代碼的能源管理策略。

2.1 能源流向分析

圖1中源載設備、功率模塊及默認能流方向標注如圖 6所示，其中圓圈代表功率轉換器。

圖1 智慧光伏儲能充電樁架構

圖2 屋頂光伏板

圖3 智慧光伏儲能充電樁外形圖及內部功率模塊

圖4 能源管理系統框架圖

圖5 能源管理系統控制板

圖6 功率模塊及能源流向定義

圖7 能源流向分配

根據系統功率平衡條件，可得式(1)―式(5)，且每個源載或轉換設備需滿足限制條件式(6)。

式(1)中左側為源，右側為載。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為儲能輸出功率(放電為正)。式(2)―(6)中功率變換器1―4實時輸出功率按編號分別定義為P1―P4。

為追求最大經濟性，設定優化目標為一天內最大收益值（或最低成本）：

式中：pat、pct分別為當前t時段實時峰谷電價與充電樁售電價格；Δt為當前時段時長。

2.2 模型分析與簡化

由于該模型存在多個變量，需要采用多變量優化求解方法，計算較為復雜，因此需要簡化模型。

經分析總結，能源流向途經及轉化效率如下表 1所示，轉換效率由路徑上各級功率轉換模塊平均工作效率乘積而得。顯而易見，轉換環節越多，轉換效率越低。儲能側的轉換效率由于其經過的轉換環節較多，相應損耗較高。

表1 能源流動路徑與效率

針對市電向車端供電，圖 7a，由于a―2―3―c路徑相比于a―1―c多一轉換環節，效率偏低，因此應優先選擇a―1―c路徑。此要求等效于不應有凈流量同時流過P2、P3線路。

在此情況下，按照光儲系統凈流量(Pb+Pd)大小情況，可分為：

1)光儲凈流入（圖 7b，(Pb+Pd)≤0）；

2)光儲凈流出（圖 7c，0＜(Pb+Pd)≤Pc）；

3)光儲凈流出上網或充電（圖 7d，(Pb+Pd)＞Pc）三種情形。

以計算2號雙向功率變換器實時輸出功率為例，這三類情形可歸納總結為：

通過式(8)可解決母線功率在2、3號變換器功率分配的問題，以便進行下一步能源管理策略的優化計算。

2.3 儲能管理策略

從最優經濟角度而言，需考慮以下因素：

1)光伏作為清潔可再生能源并無電價成本，應最大程度利用；

2)由于峰谷差價較大，用電成本不同，通過儲能電池在谷電時間充電、尖峰時段放電，具有較高經濟效益，可大幅降低充電樁使用成本。

根據上述兩條原則，為使光伏發電最大化利用，光伏功率變換器采用最大功率跟蹤MPPT控制形式，輸出功率由實時光伏日照條件決定，隨機不可控但可實時測量作為已知條件；而系統中電動汽車側用電則根據車輛實時需求輸出功率Pc，同樣隨機不可控但可作為已知條件。控制變量為儲能充放電功率Pd或市電聯絡線功率Pa之一，即可求解系統實時功率狀態。

如表 2所示，對于儲能功率Pd控制可做出以下規劃：待機、最大功率快速充放電或按規劃慢速充放電。

表2 能源流動控制參數

為實現經濟最大化，儲能遵循一天兩峰兩充兩放利用的基本策略，并與系統內其他設備狀態解耦，僅根據峰谷時段作出相應調整變化，即谷電充滿，峰電放電，并對充放電時長做出規劃調整。以夜間谷電時段為例，因其時長較長，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能電池壽命。據此，可設定儲能充放電功率為規劃充放電電量除以規劃充放電時長，即表 2中式(9)、式(10)所示，其中EΔSoC為規劃充放電量，Δt為規劃充放電時間。

3 算例

下面以安裝于華東地區某商業辦公園區內的一臺智慧充電樁為例，結合上述分析做出規劃與計算：

3.1 光伏輸出功率假設

光伏輸出功率參照華東某地區某日晴朗天氣下光伏系統的運行數據[4]。

3.2 電動汽車負荷

由于充電樁負荷隨機性較大，不易預測，尤其是單臺充電樁行為受地理位置、用戶習慣等種種因素影響，假設以多車次非通勤車輛滿功率60kW充電運行為例。充電時間設定為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 儲能使用

根據浙江省一般工商業分時電價[6]，制定儲能使用策略如表3所示。

表3 浙江省一般工商業分時電價

表4 峰谷使用電量

為充分利用峰谷差價，采取“一天兩充、兩放”策略，規劃充放電量如表 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%區間，同時可為電池過充/過放預留余地。由于午間11∶00―13∶00間谷時段較短，為避免短時間快速充放電，規劃該時段僅補電40%充電量，相應地8∶00―11∶00間第一峰時段則用電40%充電量。

根據各時段用、充電量以及時段小時數，可由式(9)、式(10)推得儲能各時段功率如表 4所示，計算所用儲能滿充電量為51.2kW·h (即EΔSoC| ΔSoC=100%)。

3.4 計算結果

根據以上信息，系統輸出功率計算結果如圖8所示。從圖中可發現，光伏峰值發電Pb達到20kW，儲能日內實現低倍率兩充兩放Pd，最大放電倍率約為0.4C，發生于夜間19―21點尖峰時段。受大功率充電樁用電負荷Pc影響，市網供電Pa存在較大波動，但由于光伏與儲能系統存在，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 日內系統實時輸出功率

從經濟角度而言，光伏當日發電量共計135kW·h，若按峰谷電價計算相應節約的費用，可得收益為99.8元；充電樁側若按峰谷電價基礎上向用戶額外收取0.5元/(kW·h)度服務費，則當日累計充電量120kW·h，收入161.6元，其中用電成本101.6元由用戶支付，服務費即凈收入60元。光、充共可獲得凈收入159.8元。而通過儲能按照上述策略參與其中，則收益進一步提高，增至204.5元，增收幅度28%。

4 結論

本文針對一種智慧光伏儲能充電樁提出了一種簡單易用的實時能源管理策略。通過分析電能流經途徑，使用最高效率傳輸路徑，并充分利用峰谷差價合理規劃了光儲多能互補平臺下的儲能充電管理策略。經過分析計算，該策略能充分發揮光伏、儲能的作用，降低充電樁使用成本，提高經濟性。