新能源汽車一體充能站框架及能量優(yōu)化調(diào)度方法

尹泉

摘要：隨著我國經(jīng)濟實力的不斷發(fā)展，節(jié)能環(huán)保作為我國重要發(fā)展戰(zhàn)略廣泛的應(yīng)用于汽車行業(yè)中，尤其是現(xiàn)階段發(fā)展較為迅速的新能源汽車。新能源汽車能夠有效改變環(huán)境污染情況，還能提供快速的充電服務(wù)，有效解決我國資源短缺問題。本文主要闡述新能源汽車充能站的定義與框架，并深入分析新能源汽車充能站的充能策略，結(jié)合實際新能源汽車充能站實例，建立完善的新能源汽車一體充能站框架和能量優(yōu)化調(diào)度方法，從而促進新能源汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;一體化充能站;框架;能量優(yōu)化調(diào)度

0 ?引言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，汽車擁有量在逐年提升，而汽車在運行過程中會消耗大量的能源，并可能造成環(huán)境污染問題。針對此，新能源汽車能夠有效解決環(huán)境污染問題且能夠緩解我國汽車業(yè)對石油能源的依賴性。新能源汽車主要有電動汽車、燃料電池汽車等種類，但是在實際應(yīng)用中，其需要建立充能站才能滿足日常充電需求。現(xiàn)階段對于新能源汽車一體充電站需要進行能源優(yōu)化，能夠有效提高充電效率，降低能源損耗量，使其滿足我國節(jié)能環(huán)保發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，促進新能源汽車長久發(fā)展。

1 ?新能源汽車充能站的定義與框架

通過分析現(xiàn)階段新能源汽車充電情況，本文提出一種新型的新能源汽車一體充能站框架，為新能源汽車提供動力和氫能的位置。隨著我國電制氫裝置的不斷創(chuàng)新，充能站能夠結(jié)合該裝置來實現(xiàn)配電網(wǎng)、可再生能源、充電裝置控制等功能，并且在負荷側(cè)解決傳統(tǒng)汽車的能源配置問題，以此來達到高效利用的目的。新能源汽車充能站主要由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、DC/DC模塊、AC/DC模塊、電動汽車快充裝置、制氫、儲氫、充氫系統(tǒng)構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是通過轉(zhuǎn)換模塊將可再生資源轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)供電需求。新能源汽車充能站周邊需要配置完善的交流配電網(wǎng)，為充能站框架的建立供能基礎(chǔ)。儲能系統(tǒng)主要是由大量的蓄電池和直流母線構(gòu)成，其能夠?qū)l(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的大量電能，通過直流母線存儲到蓄電池中，在使用時，能夠通過DC/DC模塊提高供電電壓，以此達到快速充電的目的。電動汽車快充裝置的主要作用是縮短新能源汽車充電時間，提高供電效率。制氫儲氫充氫系統(tǒng)主要由制氫裝置、儲氫裝置和充氫裝置構(gòu)成，在這其中，制氫裝置是利用電解槽裝置，在兩側(cè)施加一定程度的直流電，將水電解為氧氣和氫氣，具有較高的效率和質(zhì)量?，F(xiàn)階段制氫方式主要采用堿式和質(zhì)子交換膜電解槽，通過分析實際應(yīng)用情況，可知這兩種制氫方式都能很好地適配低電壓、大電壓和高密度等環(huán)境下運行狀態(tài)，并且效果良好。儲氫裝置主要有高壓氣態(tài)儲存、液氫儲存和金屬化合物儲存。

本文所設(shè)置的新能源汽車一體充電站采用堿式電解槽制氫和高壓氣態(tài)儲存罐儲氫裝置。新能源汽車一體充電站在運行過程中，首先要利用光伏發(fā)電板吸收外界太陽能，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊將其站換為電能，風(fēng)能設(shè)備主要是吸收外界風(fēng)能，然后將其轉(zhuǎn)換為電能;然后所產(chǎn)生的部分電能通過母線接入電解槽，其余大多數(shù)的電能作為重要的供電電能，通過電解槽后，其能夠產(chǎn)生大量的氫氣，為新能源汽車提供充電所需的氫氣。在電能和氫氣能源供給充足時，其能夠自動將剩余的能源通入到蓄電池和儲氫裝置中。如果在新能源汽車充電過程中，發(fā)現(xiàn)光能和風(fēng)能供給不足時，其能夠自動調(diào)動蓄電池狀態(tài)，使其作為主要供電裝置，滿足新能源汽車充電需求。如果充電站內(nèi)部電能難以支撐大量的充電需求時，還能通過交流配電網(wǎng)購買所需要的電能，并通過DC/DC模塊和AC/DC模塊轉(zhuǎn)換到供電裝置中，滿足新能源汽車充電需求，提高新能源汽車充電效率和質(zhì)量，滿足能量優(yōu)化調(diào)度需求。[1]

2 ?新能源汽車充能站的充能策略

2.1 電動汽車的充電策略

新能源汽車充能站的主要裝置為快充裝置，其所需要的能源主要來自風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、交流配電網(wǎng)與儲能蓄電池所提供的電能;在新能源汽車充電時，其能根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)檢測到數(shù)據(jù)信息，設(shè)置合理的充電時間短，為新能源汽車充滿電。如果在新能源汽車充電過程中，充能站的供電功率保持穩(wěn)定，并且其符合新能源汽車的充電功率;假設(shè)新能源汽車在充電時產(chǎn)生的電能損耗全部來自于轉(zhuǎn)換模塊，其他充電模塊沒有電損耗。[2]

2.2 氫燃料汽車的充氫策略

制定一個時間周期，將某段時間內(nèi)，新能源汽車電能和氫燃料所需要的數(shù)量作為一個檢測標(biāo)準(zhǔn)值，并制定合理的制氫方案，并規(guī)定在單位時間范圍內(nèi)，電解槽的產(chǎn)氫效率保持不變;制氫裝置所生產(chǎn)的氫氣要全部存儲到儲氣罐中，在進行充氫過程中，要保證內(nèi)部氫氣總量大于該時間范圍內(nèi)所需要的氫氣總需求量;電解槽所需要的電能主要由發(fā)電裝置、交流配電網(wǎng)與儲能蓄電池提供，標(biāo)記每個時刻制氫功率，以此來得到最優(yōu)時間段。[3]

2.3 購電策略

為了建立完善的新能源汽車一體充能站框架和能量優(yōu)化調(diào)整，必須要重視充能站的供電運營商，其作為重要的能源供給環(huán)節(jié)，能夠直接影響新能源汽車充電效率。因此要制定合理的購電策略。在實際新能源汽車一體充能站運行過程中，應(yīng)當(dāng)爭取將自身所產(chǎn)的電能作為主要的供電，并不再繳納電費，只有在交流配電網(wǎng)購電時，才需要繳費。[4]

2.4 儲能模塊的運行策略

新能源汽車一體充能站中的儲能系統(tǒng)主要是根據(jù)自身的荷電狀態(tài)進行實時的調(diào)整充放電方式。如果在實際運行過程中，風(fēng)光供能需求超過預(yù)設(shè)值后，其能夠與后期的制氫、儲氫和充氫系統(tǒng)相結(jié)合，降低能源損耗，提高新能源汽車的充電效率;如果風(fēng)光供能需求不能滿足該階段的供電需求，需要與交流配電網(wǎng)共同合作，才能完成供電操作。新能源汽車一體充能站還需要進行能量優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)實際情況，選擇合理的儲能電池。在供電過程中，充放電效率要根據(jù)供電需求進行實時變化，而這種功率變化情況，會降低蓄電池的儲能狀態(tài)，因此要降低蓄電池組循環(huán)電量的次數(shù)來延長蓄電池的使用壽命。[5]

3 ?新能源汽車一體充能站能量優(yōu)化調(diào)度算例分析

3.1 常規(guī)充能方案結(jié)果分析

傳統(tǒng)電動汽車的充能方案指的是電動汽車需要充電時，會停靠到充電點，然后采用既停既充的方式，使得內(nèi)部的電池達到滿電的狀態(tài)，然后在離開;在這過程中，電解槽的工作功率保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，并且會根據(jù)電動汽車充電需求而合理分配電解公路。在常規(guī)充能方案中，蓄電池的工作狀態(tài)要通過分析電動汽車的狀態(tài)進行得到，然后當(dāng)風(fēng)電供電不充足的情況下，蓄電池組進行放電操作，如果還不能滿足電動起車的充電需求，則需要通過交配網(wǎng)絡(luò)進行購電;當(dāng)風(fēng)光供電大于充電需求時，能夠為蓄電池組進行充電，如果蓄電池飽和后，多余的電量將會浪費造能源損耗問題。通過分析電解槽在常規(guī)充電方式下，工作一天不同時間段的運行狀態(tài)可知，在凌晨和傍晚時，蓄電池組需要進行放電操作，并且還有可能進行購電，而其他時間蓄電池組進行充電，會出現(xiàn)風(fēng)光供電過剩，造成電能損耗。[6]

3.2 能量優(yōu)化調(diào)度方案結(jié)果分析

新能源汽車一體充能站能量優(yōu)化調(diào)度方案主要指的是在新能源汽車到達充電位置后，供電系統(tǒng)能夠根據(jù)前期制定的供電規(guī)則選擇合理的供電方案;即在新能源汽車充電過程中，其能夠制定合理的充電起始時間和充電電量，以此實現(xiàn)電能資源最大利用化;對于電解槽的工作狀態(tài)，其能夠根據(jù)實際情況制定靈活的工作模式，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電充足的情況下，電解槽功率可進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并結(jié)合蓄電池的工作狀態(tài)，合理分配電能資源;在風(fēng)光發(fā)電不足情況下，其能夠暫停電解槽工作，以此來提高電解槽工作效率。為了滿足電解槽功率平衡，需要對其進行放電操作，并結(jié)合循環(huán)電量次數(shù)的條件，要制定完善的放電深度，在放電深度達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后，蓄電池組停止放電;當(dāng)新能源汽車一體充能站運行過程中，其能夠有效分配用電電量和充電起始時間，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)充電樁的充電功率，以此來降低充電成本;為了降低出現(xiàn)電能損耗概率，并降低購電次數(shù)，應(yīng)當(dāng)將電解槽的工作時間安排到出現(xiàn)易出現(xiàn)電能損耗的時間段，從而提高新能源汽車一體充能站能量優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用效果。[7]

3.3 能量優(yōu)化調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案比較

通過本文對常規(guī)調(diào)度方案和能量優(yōu)化調(diào)度方案的詳細分析，可知，在制定新能源汽車一體充能站框架時，需要選擇常規(guī)調(diào)度方案中循環(huán)電量的最優(yōu)解，并對比充電站規(guī)模，來選擇合理的電解槽規(guī)模;為了得到循環(huán)電量的最優(yōu)解，還需要結(jié)合常規(guī)充能方案中的運行成本。通過選擇能量調(diào)度方案中與常規(guī)充能方案中循環(huán)電量相接近的最優(yōu)解，能夠得到其充能成本大約降低42.2%;選擇與常規(guī)充能方案中充能成本相接近的最優(yōu)解，應(yīng)用能量調(diào)度優(yōu)化方案后，循環(huán)電量大約降低85.3%，通過對比能量優(yōu)化調(diào)度方案與常規(guī)調(diào)度方案實際應(yīng)用效果，可知能量優(yōu)化調(diào)度方案具有較高的可應(yīng)用性，因此可以廣泛的應(yīng)用到新能源汽車一體充能站框架，從而促進新能源汽車供電行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。[8]

4 ?結(jié)論

綜上所述，新能源汽車需要建立一體充能站并對其進行能量優(yōu)化調(diào)整，對于含氫新能源汽車，將其運行過程中，所出現(xiàn)的制氫難題轉(zhuǎn)換為耗電問題，能夠有效實現(xiàn)電能優(yōu)化調(diào)度處理。通過科學(xué)化的分配新能源汽車不同充電時段的充電效率和充能量，制定合理的供電計劃，以此來降低新能源汽車一體充能站的循環(huán)電量次數(shù)，延長蓄電池使用壽命，在新能源汽車一體充能站中實施能量優(yōu)化調(diào)度，能夠提高充電效率和質(zhì)量，為后期新能源汽車一體充能站框架的建立提供參考依據(jù)，從而促進新能源汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]楊自斌.我國氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化探究[J].汽車實用技術(shù)，2019（16）：31-33.

[2]劉祎玲.微網(wǎng)中電動汽車充放電策略與可再生能源協(xié)同互補研究[D].山東大學(xué)，2019.

[3]李鵬，韓建沛，殷云星，韋巍.電轉(zhuǎn)氫作為靈活性資源的微網(wǎng)容量多目標(biāo)優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動化，2019，43（17）：28-40，139.

[4]王毅，王飛宏，侯興哲，孫洪亮，朱彬，劉國平.住宅區(qū)電動汽車充電負荷隨機接入控制策略[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，4（20）：53-60.

[5]沙迪.城市電動汽車充電設(shè)施分層次選址規(guī)劃及定容方法研究[D].東南大學(xué)，2017.

[6]高鑫.含可再生能源和電動汽車的配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度研究[D].華北電力大學(xué)（北京）：2017.

[7]胡海容，夏東壇.基于專利分析的我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策研究[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2016，16（07）：1-10.

[8]廖斌杰.電動汽車充電設(shè)施規(guī)劃及配電網(wǎng)接納電動汽車能力評估[D].浙江大學(xué)，2016.