考虑动力电池梯次利用的光伏换电站容量优化配置方法

考虑动力电池梯次利用的光伏换电站容量优化配置方法

34 第33卷 第4期 2013年2月5日 中 国 电 机 工 程 学 报

Proceedings of the CSEE Vol.33 No.4 Feb.5, 2013 ?2013 Chin.Soc.for Elec.Eng.

(2013) 04-0034-11 中图分类号：TM 615；TM 715 文献标志码：A 学科分类号：470·40 文章编号：0258-8013

考虑动力电池梯次利用的 光伏换电站容量优化配置方法

刘念，唐霄，段帅，张建华

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206)

Capacity Optimization Method for PV-based Battery Swapping Stations Considering

Second-use of Electric Vehicle Batteries

LIU Nian, TANG Xiao, DUAN Shuai, ZHANG Jianhua

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China)

ABSTRACT: The PV-based battery swapping station (BSS) is one of the typical forms of the integration of electric vehicle (EV) charging infrastructure and renewable energy utilization. This paper proposed a capacity optimization method of the PV-based BSS considering second-use of EV batteries. Based on a certain system architecture and energy exchange strategy, the objective function of the capacity optimization model was established with the objective of the maximum annual profit of the PV-based BSS according to the energy exchange demand of EVs. In order to determine second-use capacity of EV batteries in every year, the calculation model was established by Monte Carlo simulation method on the basis of EV battery capacity degradation model and statistical model of EV daily driving distance. Differential evolution (DE) algorithm was adopted to solve the optimization model and the calculation procedure of system annual profit was analyzed in detail. Finally, the planning of the PV-based BSS in a certain area was taken as an example. The analysis verifies the reasonableness of the capacity optimization model presented in this paper.

KEY WORDS: electric vehicle batteries; PV-based battery swapping station; capacity optimization; second-use

摘要：光伏换电站是电动汽车充放电设施与可再生能源集成利用的典型形式之一，该文提出一种考虑动力电池梯次利用的光伏换电站容量优化配置方法。在一定的系统结构及能量交换策略下，根据电动汽车换电需求，以光伏换电站的年最

基金项目：国家科技支撑计划重大项目(2011BAG02B14)；国家自然科学基金面上项目(51277067)。

Project Supported by the Key Project of the National Research Program of China (2011BAG02B14); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277067).

大利润为目标，建立了系统容量优化配置模型。为确定动力电池逐年的梯次利用容量，参考容量退化模型和电动汽车日行驶里程的统计模型，建立了基于蒙特卡洛模拟法的动力电池梯次利用容量计算模型。采用微分进化算法求解优化模型，并重点分析了系统年运营利润的计算过程。以某地区的光伏换电站规划为算例，分析验证了模型的合理性。 关键词：动力电池；光伏换电站；容量优化配置；梯次利用

0 引言

发展电动汽车被世界各国普遍确立为保障能源安全和转型低碳经济的重要途径。电动汽车的规模化应用离不开充电基础设施的建设，如果将电动汽车完全接入电网充电，根据我国当前的一次能源结构，间接造成的碳排放并不比燃油汽车更低[1]。将光伏发电技术与电动汽车充电需求相结合来建立光伏换(充)电站，能有效的提高清洁能源利用率和环境效益[2]。该思路已得到了广泛的关注，并逐步开展示范应用[3-4]。

电动汽车的充电模式一般可分为常规充电、快速充电和更换电池等3种。考虑到快速充电会对动力电池产生不良影响，常规充电和换电模式得到了重点关注[5-8]。国家电网公司提出按照“换电为主，插充为辅，集中充电，统一配送”的方式，打造电动汽车能源供给体系。如果采用换电方式，动力电池将更可能由运营方来统一购置、维护。

根据目前国内外的研究，动力电池的实际容量衰退至标称容量的70%~80%后就应该停止在电动

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汽车上使用，但这些电池仍有可利用的价值[9-10]。通过检测，可将一部分性能较好的单体电池模块重组，用作储能电池，形成动力电池的梯次利用。针对动力电池的梯次利用问题，国内外已经开展了一些研究来验证梯次利用的可行性，并分析动力电池降级用作储能电池的条件及应用范围[9-14]。梯次利用可带来两个方面的优点：1）考虑到光伏发电的间歇性特点，储能电池可提高光伏发电的利用 率[13-15]；2）储能电池是降级使用的动力电池，投资成本相对较低。在这种情况下，实现动力电池梯次利用与光伏换电站的有机集成，对未来电动汽车充电基础设施的建设，具有重要的应用价值。

针对光伏发电与电动汽车充电集成系统的规划设计问题，国内外已进行的初步研究大体可分为3类：1）集成系统的结构问题：文献[3-4]设计了光伏充电站的典型系统结构；文献[16]给出了含电动汽车充电和风、光等分布式发电的直流微网结构；文献[17]设计了一个孤网运行的光伏充电站系统结构，并提出未来由光伏发电为电动汽车充电很可能成为提高新能源利用率的最佳方式；2）控制策略问题：文献[16]提出了以能量传输智能化为目标的直流微网控制策略；文献[18-19]针对含电动汽车充电和光伏发电的智能建筑，设计了控制系统方案；文献[20]研究了微网环境下利用可再生能源发电的电动汽车充电策略，分析了不同策略下的充电服务可用率水平；3）系统的执行效率和经济评价问题：文献[21]提出在含电动汽车和光伏发电的系统中引入储能模块，结果表明储能模块能降低光伏发电系统的成本；文献[22]针对含电动汽车的风/光/储微电网，分析了电动汽车的加入对微电网经济性的影响；文献[5]考虑电动汽车对可再生能源发电的综合利用，对快速充电站和换电站进行了仿真，结果表明换电站因动力电池能够作为储能设备使用，从而比快速充电站具有经济优势。综上所述，现有的研究成果包括：含电动汽车和光伏发电的集成系统结构、控制策略及效益分析。但是，在电动汽车光伏换电站的应用背景下，如何根据换电需求，并考虑动力电池的梯次利用方式，优化配置光伏换电站各组成部件的容量，是目前尚未妥善解决的问题。

因此，本文在考虑动力电池梯次利用的情况下，以光伏换电站系统年最大利润为目标，建立了容量优化配置的数学模型。根据动力电池的容量退化模型和汽车的日行驶里程统计模型，采用蒙特卡

洛模拟法得到动力电池在规划年限内每年梯次利用的容量比例。最后通过微分进化算法对算例进行求解，得到了光伏换电站系统的最优容量配置，并分析了结果的合理性。

1 考虑动力电池梯次利用的光伏换电站系统

1.1 系统结构

光伏换电站系统主要由光伏电池阵列、储能电池组、动力电池组、DC/DC(直流变换)模块、AC/DC (整流)模块等部件组成，如图1所示。

图1 光伏换电站系统结构 Fig. 1 Structure of the system

1）光伏电池阵列：由光伏电池板串并联构成，将太阳能转换成直流电，经DC/DC模块接入系统。

2）动力电池组：由光伏换电站的电源为其充电；为有换电需求的电动汽车进行换电；定期进行剩余容量测试，将实际剩余容量较小的动力电池做梯次利用处理，经重组后作为储能电池使用[23-26]。

3）储能电池组：在系统中起到能量调节的作用。当光伏发电量过剩时，储能电池将多余的电能储存起来；当光伏发电量不足时，则向系统放电，由光伏发电和储能电池组共同提供充电电能。

4）DC/DC模块：分别作为光伏电池阵列、储能电池组和动力电池组接入系统的连接组件。其中，光伏和动力电池系统采用单向DC/DC模块，储能电池系统采用双向DC/DC模块，为论述方便，分别简称为模块1、2、3(见图1)。

5）AC/DC模块：作为配电网与换电站的连接组件，将交流电转换成直流电后接入系统。 1.2 系统的能量交换策略

光伏换电站为电动汽车进行换电，换电后待充的动力电池是系统的主要充电负荷。优先考虑由光伏发电为动力电池充电，若光伏发电满足动力电池充电需求后还有剩余，则剩余电量为储能电池充

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电；若光伏发电不能满足动力电池的充电需求，则储能电池放电，由光伏发电和储能电池共同为动力电池充电。

年购买动力电池的成本；②每年对动力电池进行实际容量测试，并根据降级使用比例新购置动力电池的成本；③动力电池的维护和运行费用。因此，动力电池总成本的等年值可表示为

CE=[mEWEANE+∑

i=1m

2 容量优化配置的数学模型

2.1 假设条件

β1WEANE+mEWEt(i)

(1+r0)

i

]?

1）并网问题。在优化配置中，以电动汽车零排放为目标，尽可能利用清洁能源，并网方式仅在极端情况下，为提高系统供电可靠性而用。因此，在优化配置模型中，暂不考虑并网装置的费用和电价问题。

r0(1+r0)m

+u(NE) (4)

(1+r0)m?1

式中：mE为动力电池的单位造价，元/(kW?h)；WEA为单个动力电池的额定容量，kW?h；NE为动力电池数量；β1为对动力电池进行实际容量测试的单位

2）换电问题。针对电动汽车换电方式，拟遵循国内外讨论较多的商业运营模式，即电动汽车用户与换电站运营商之间签订协议，由运营商承担电池的购置和维护费用，相应的将这些费用纳入到换电电价中[27]。 2.2 目标函数

根据光伏换电站的系统结构，在一定的换电需求和光照条件下，构建各组成部件容量优化配置的目标函数。以光伏换电站年运营利润P最大化为目标，目标函数如下：

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