基于电池储能的电动汽车充电站的应用与评价

文_邹婉佳 中国石油大学（北京）

1 电动汽车充电站应用模式概况

电动汽车充电站应用模式主要有三种，即停车场（或路边）充电桩模式；公用充电站模式；电池更换站模式。我国电动汽车刚起步，因此充电站的应用模式不多。以上充电模式可以满足我国该产业的进步，但是无法实现全覆盖，尤其是客流集中的商业地段。

商业地段的人口流动性大，有必要满足商业地段人口的电动汽车充电需求。对这些地段实现全覆盖，才能更方便人们的出行，以及促进电动汽车的快速发展。而这就需要在充电站中，很好的运用储能电池以及先进的相关技术，实现节能与环保的同时，促进电动汽车发展。

2 储能充电站及其经济性评估

2.1 储能充电站

如何在充电站中运用基于储能充电站呢，下面以某公司储能充电站为例，分析在城市中心商业地段储能充电站的成功应用。该公司的充电站建设在三期地下停车场B4和B3层，5个一拖一电动汽车充电桩，13个一拖二充电站，32个地下停车车位被覆盖。

该公司的电动汽车大多在营业时间充电，即9时～21时。这种情况使得用电的负荷在高峰时刻不断加剧，并且一起接入电网的电动车很多，整个公司电网的运行将受到大电流尖峰冲击。好在针对工商业用电，首都出台了峰谷电价政策，峰谷电价差的利用，不但可达成“移峰填谷”，还可使电费极大下降。

2.1.1 某公司三期储能充电站设计说明、改造方案

该公司将充电站机房建设在三期地下停车场B4层。充电站采用磷酸铁锂电池组， 250kW/600kWh的设计容量，设计的充电站可对公司内的所有汽车充电需要加以满足，覆盖充电区域31个，充电点位设计了18个。充电站依据首都峰谷电价设计模式，达成填谷削峰。

2.1.2 运行模式

（1）缓解尖峰模式

当车辆一起充电等大电流冲击突发时，大电流冲突可能会对国留电网产生极大影响。尖峰冲击被充电站感应到，充电站会马上开始（平滑尖峰冲击）响应放电，保障不会严重影响电网。

（2）电力移峰填谷模式

关于放充电循环，充电站自动每日完成2次，对谷时电价有效运用，替代尖峰时和峰时的高电价用电。

于低谷负荷时间内，通过用电侧或发电侧的调度，将一些尖峰负荷时段内的负荷安排进去，使电网供电负担减轻，负荷率提升，负荷峰谷差缩小，便是填谷削峰。依据负荷预测曲线，充电站系统进行放充电控制策略的制定，放电于用电高峰，充电于负荷低谷。提高发电能源、电网设备的利用率，使电网负荷率提升，及其最大负荷利用时长增加。

跟踪时间为2018年6月1日凌晨12：01：00分至2日中午12：60：00分。通过其对储能系统出力进行调整，结果显示，电网的负荷在2日中午12：28：11时刻达到了110.07kW。依据调度的要求，电池充放电设备设置91.00kW目标用电负荷功率，储能电池的出力协调调度-17.86kW，最终得到92.21kW用电负荷实际功率。实际值和目标值之间相差1.31%，起到了填谷削峰的功能。

（3）电力增容模式

在用电高峰（夏季白天）时，如果有以下情况出现，包括临时检修变压器、一起充电等，充电站能够发挥电力增容的功效。当电网超负荷信号被充电站系统感应到时，将自动运行，使负荷率降低。还能够使负载能力提升的充电站系统，在用电高峰时可使负载增加。

（4）后备电源

为了保证在电网出现问题时，一些重要的关系工作的设备能继续工作，分布式的UPS电源不可缺少，需要非常多的该种电源。但供电正常时，这些设备的大量的电源将无用武之地，不但会因电池的降解而影响环境，还会使大量的资源被浪费掉。而本课题设计的充电站则可替代该种电源发挥作用。将一些重要的设备与电池，通过系统设计实现连接供电母线。当系统供电停止时，能继续提供点能，从而有效的解决上述问题，保证用电正常和安全。

综上可见，充电站的运行模式主要有4种，上述已经一一进行了分析。每种模式对应不同的情况，以来共同保障用电安全和电网的运行。

2.2 储能充电站经济性评估

2.2.1 经济性评估指标

对储能充电站，依据电池储能容量、发电量、电价等相关数据，实施经济性评估。财务效益和技术经济效益是主要分析内容。图1所示的是评估指标。从图1可知，评估指标主要包括财务净现值、平准化电力成本、动态投资回收期、年均发电量。

图1 储能充电站运行经济性评估指标

（1）年均发电量。对系统总运行周期与发电单位在周期内的总发电量的比值进行评估。

式中：储能充电站运行周期即N，运行期内运行期内总发电量即E，年均发电量即。

（2）动态投资回收期。投入的资金，充电站都收回花费的时间。

（3）系统单位电量成本（平准化电力成本）。本研究中，即储能充电站全部折算为现值的寿命周期成本与年总发电量的比值。按下式计算：

式中，第n年的发电量即，其他费用即，第n年运行成本即，系统残值即，初始投资即，系统运行年限即n，折现率即z。

（4）财务净现值。指的是在全寿命周期内，储能充电站预期现金流入与后期流出的差额。

2.2.2 多种群遗传算法

采用多种群遗传算法（MPGA）对所建立的储能电站的容量配置模型进行求解。MPGA这一算法改进自SGA（标准遗传算法）。在算法终止判据的选用方面，精英种群的引入和传统遗传代数判据相比，前者更合理。另外，在对电池容量等相关变量的最优解进行求解时，MPGA算法具有更好的全局搜索能力。

2.2.3 分析

某公司的充电站是1次置换次数，10年的磷酸铁锂储能电池寿命，20年的系统运行寿命，1.9624元/kWh的服务及充电费。选取其的典型日负荷，将充电站的评估目标设定为“经济收益（全寿命周期）”，对最优容量配置模型的求解采用多种群遗传算法，同时分析财务以及技术经济效益，从而实现经济性（全寿命周期）的评估。

经济性评估指标计算结果分别如表1所示。其给出的是储能电池有无配置的充电站系统的20年全寿命周期的年均发电量。

表1 经济性评估指标计算结果

和储能电池未配置的系统比较，储能电池配置后的年均发电量高出1786kWh。储能电池未配置时，系统为实现最佳的收益，和储能电池配置后的系统比较，具更少的发电量。

而关于资本动态回收年限，储能电池配置后，变为了4年，原本是12年，表明储能电池配置的系统具更大的年利润。但因为增加了成本，因此储能电池配置后，平准化电力成本提高2.1元/kWh，但考虑到财务净现值，尽管每度电成本提升，但全寿命周期的利润值有很大提升。

3 结语

随着我国电动汽车的进步，今后使用电动汽车的人将不断增多，同时也会进一步提升电网的用电负荷。因此，有必要将储能电池以及相关的技术运用到电动汽车充电站中，使在保证经济效益的同时，实现节能与环保，从而促进电动汽车充电站以及该产业的健康发展。而本文在实际的项目中，提出了一种新的商业模式，即“充电站+储能电站”，并且对该模式进行了经济评估，结果显示社会和经济效益良好，值得推广。