基于風光互補系統的新能源汽車充電站

(1.山東科技大學交通學院 山東 青島 266590；2.青島理工大學汽車與交通學院 山東 青島 266500) (3.山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266590)

基于風光互補系統的新能源汽車充電站

鄒亞男1宋著賀2陳曉煥1劉學彬3

(1.山東科技大學交通學院山東青島266590；2.青島理工大學汽車與交通學院山東青島266500) (3.山東科技大學機械電子工程學院山東青島266590)

電動汽車與新能源的綜合利用是當前研究的熱點問題，考慮電動汽車用電需求的前提下，同時發揮新能源汽車換電模式所具備的儲能能力，以系統投資成本、運行成本和電量不足損失成本綜合最低為目標，并考慮風光系統、電量需求和充放電機功率的約束條件，構造了一種基于風光互補系統的新能源汽車充電站。不僅環保、清潔，而且減少了市供電的壓力，緩解了高峰期的用電問題。

新能源汽車；風光互補系統；充電站

一、引言

隨著能源危機日益臨近，新能源已經成為今后世界上的主要能源之一，風光互補系統應運而生。這是一套發電應用系統，該系統是利用太陽能電池方陣、風力發電機將發出的電能存儲到蓄電池組中，其運行模式是在夜間和陰雨天無陽光時由風力發電系統將風能轉換輸出電能，或在有太陽輻射時由光伏發電系統將太陽能轉換輸出電能，經過直流匯流箱集中送入直流配電柜，由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過聯接電網來調節實現了全天候的發電功能，比單用風機和太陽能更經濟、科學、實用。

二、研究背景

隨著經濟的快速發展，資源匱乏和環境污染問題越來越嚴重。目前龐大的汽車市場正在加劇資源的耗費，同時也為城市環境增添了更多的壓力。而新能源汽車因其具有節能環保的特點正在成為汽車工業的主要發展方向。目前，已有部分新能源汽車的產品成型并投入示范運行，產業化和商業化的模式也在逐步完善。隨著普及程度的增大，新能源汽車的充電將會成為電網承擔的又一重要負荷。

三、系統及模型

圖1 系統總體結構圖

(一)系統構成

綜合考慮國內外風光互補獨立系統的結構，主要由一下4個模塊構成：風光互補發電模塊、儲能模塊、負荷輸出模塊和控制模塊。結構圖如下所示：

(二)模型建立

1.風機和光伏電池輸出模型

參考已有模型，風力發電機的輸出特性方程PW(V)使用最小二乘法對其實際的輸出特性曲線擬合而得到的，其表達式為：

(1)

式中：v表示風機轉軸高度處的風速；vc、vr、vf分別表示風機的啟動風速、額定風速和切斷風速；Pr表示風機的額定功率。

2.新能源汽車的換電需求模型

根據美國交通部對全美車輛的調查結果顯示，車輛日行駛里程近似為對數正態分布[1]，其概率密度函數為

(2)

式中：σD=3.20，μD=0.88；x為行駛距離。

由式(2)可求出每輛電動汽車日行駛距離的期望為

(3)

參考目前電動新能源汽車的技術水平，假設每百公里耗電量固定為15KWh,該區域有Npn輛新能源汽車，則每天的電量需求為0.15NpnE(x)。新能源汽車一天的換電需求概率分布可認為與充電需求概率分布相似，并服從正態分布N(13,6)[1]。

四、目標函數及約束條件

(一)目標函數

優化目標是在滿足充電和負荷需求的情況下，系統一次設備投資成本最小，其目標函數為

minCt=min(CW+CPV+Cb+Cc+Cr)

(4)

式中：Ct為系統總成本；CW、CPV、Cb、Cc、Cr、分別表示風機、光伏發電系統、動力電池、充放電機和系統電量損失成本。

(二)約束條件

(1)t時刻可為電動汽車提供換電服務的動力電池數量約束條件為

Nba(t)≥Nb(t) t∈[1,T]

(5)

式中：Nba(t)是t時刻可為電動汽車換電的動力電池數量；Nb(t)是t時刻電動汽車需要更換的動力電池數量。

(6)

式中，Nb(t-1)、Nb(t-2)、Nb(t-3)分別是t-1時刻、t-2時刻和t-3時刻電動汽車需要更換的動力電池數量。

(2)光伏電池傾斜角度約束條件為

0<θ<90°

(7)

(3)充放電機功率約束條件為

P(t)≤Pc≤Pcmaxt∈[1,T]

(8)

式中，P(t)為根據系統充放電量而得到的任意時刻充放電機的功率；Pcmax為充放電機最大功率。二者的計算方法為

(9)

式中，Δt=1。若P(t)大于上限Pcmax，則P(t)=Pcmax。

(三)優化算法

含風光互補系統的新能源汽車充電站具有非線性、多約束的特點，傳統數學規劃難以獲取全局最優解。微分進化算法是一種智能優化算法，其基本思想是：從某一隨機產生的初始種群開始，按照一定的操作規則，按變異、交叉、選擇的流程不斷迭代計算，并根據個體的適應值，優勝劣汰，引導搜索過程向最優解逼近[1]。

五、結束語

目前風光互補發電技術發展相當成熟，電動汽車行業也逐步的發展壯大。利用風光發電系統給新能源汽車充電是本文的創新思路，為新能源的再利用提供了新的理念。該技術不僅環保，清潔，而且減少了市供電的壓力，緩解了高峰期的用電問題[2]。

[1]張穎達,劉念,張建華,李洋.含電動汽車充電站的風光互補系統容量優化配置[J/OL].電力系統保護與控制,2013,41(15):126-134.(2013-07-29)[2017-09-15].http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1401.TM.20130729.1537.012.html

[2]楊金相.風光互補電動汽車充電智能控制系統[D].河北聯合大學,2013.

鄒亞男(1991-)，女，漢族，碩士研究生在讀，山東科技大學，專業交通運輸工程。