本班（埃及）离网太阳能-蓄电池电动汽车充电站设计与控制的最佳技术经济框架

《Journal of Energy Storage》：Optimal techno-economic framework for the design and control of off-grid solar-battery EV charging stations in Benban-Egypt

　　艾哈迈德·马沙拉利（Ahmed Mashaly）| 埃尔赛义德·埃尔谢尔比尼（Elsayed Elsherbiny）| 亚拉·M·埃尔哈瓦里（Yara M. Elhawary）| 贝拉尔·努尔丁（Belal Noureldin）| 哈姆迪·艾哈迈德（Hamdy Ahmed）| 拉加布·A·埃尔-塞希米（Ragab A. El-Sehiemy）| 穆罕默德·埃尔戈哈里（Mohamed Elgohary）

埃及曼苏拉大学工程学院电气工程系

摘要

本研究为阿斯旺省本班（Benban）的一个独立光伏-电池供电的电动汽车（EV）充电站提供了完整的设计和验证方法。使用HOMER Pro软件对系统的经济效益进行了优化设计，通过MATLAB/Simulink仿真来检查其动态运行和最大功率点跟踪（MPPT）性能。本研究考虑了一个实际的电动汽车使用情况（每天耗电600千瓦时，峰值需求为48.9千瓦）。Simulink采用了基于人群的优化算法，如瞪羚优化算法（Gazella Optimization Algorithm, GOA）、灰狼优化算法（Grey Wolf Optimization, GWO）和粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization, PSO）来改进双PI控制器。研究评估了该系统在经济和环境方面的表现。最佳配置下的平准化能源成本（Levelized Cost of Energy, LCOE）为每千瓦时0.111美元，净现值（Net Present Cost, NPC）为430,468美元，并且每年可减少约212吨二氧化碳排放，未满足的负荷比例低于2%。仿真结果表明，直流母线电压稳定，MPPT跟踪效果良好，即使在无阳光的情况下电池也能可靠地充放电。总体而言，所提出的离网电动汽车充电系统在技术上可行，且在太阳能资源丰富的地区具有经济竞争力。

引言

目前，交通运输和电力行业由于碳排放导致空气污染问题日益严重。太阳能光伏（SPV）系统和电动汽车（EV）已取得显著进展[1][2]。太阳能是一种有效的发电方式，例如用于电动汽车充电站[3]。长期以来，人们认为太阳能是一种绿色的能源，因为它不会产生放射性废物或化学物质。电动汽车（EV）的工作原理类似，不会排放一氧化碳或温室气体，这两种物质是导致地球变暖的主要污染物。许多国家正在加速采用电动汽车，因为它们是更环保、更清洁的出行方式。电动汽车（EV）有助于改善城市空气质量，减少温室气体排放和对化石燃料的依赖[4][5]。

太阳能光伏（PV）系统和其他传统可再生能源技术已取得显著进展，现在可以在未来电力网络中与化石燃料竞争。随着光伏及相关系统成本的持续下降，而化石燃料的成本持续上升[6]，使用可再生能源来满足当前能源需求的理由更加充分。在这种情况下，储能系统变得尤为重要，尤其是在设计和运行微电网时。提高混合储能系统在各种微电网配置中的性能可以提升系统效率、降低运营成本并提高可靠性[6][7]。尽管有这些优势，现有的直流（DC）快速充电站仍存在许多功率质量问题，如高谐波失真和较差的输入功率因数。近期研究主要集中在利用可再生能源来解决配电系统中的问题。如图1所示[1]，太阳能是最有效且可行的解决方案，用于开发便携式快速充电站。

当前研究涵盖了多种方法，包括动态建模、系统规模优化、负荷管理[6][8]、验证、分析以及战略能源规划[7]。HOMER Pro在能源系统仿真、最佳微电网规模优化、技术和财务可行性分析[9][10]以及支持决策的分布式电力系统设计方面被证明非常有用[11]。它被广泛用于可再生能源建模；然而，其在预测这些系统能源产量方面的应用仍较为有限。参考文献[12]通过系统组件及其容纳不同电力负荷的能力分析了需求管理。此外，[13][14]中的研究应用了SARIMA模型来提高分析质量。[15]中的敏感性分析有助于优化电厂设计仿真并降低平准化能源成本（LCOE）。该方法还有助于减少光伏系统（PVs）长期性能预测的不确定性[16]。

这些技术的持续改进取决于确定可再生能源发电厂能产生多少电力，并进行经济可行性研究[17]。尽管如此，研究结果并未达到预期。许多研究依赖多种软件工具来支持分析。例如，参考文献[6]展示了一个使用HOMER平台研究的微电网配置。在本研究中，混合优化模型用于模拟电动汽车充电站的本地能源行为。HOMER的一个主要优势是内置的敏感性分析功能，可以评估系统在各种运行条件下的响应[19]。该工具具有简单的界面和许多评估技术经济性和排放相关问题的功能[18]，同时具备考虑太阳辐射和温度等因素的稳态建模能力[19]。

基于电池的储能系统通常用于平衡可再生能源发电过程中的波动和可能的中断。尽管有许多其他选择[20][21]，锂离子电池和铅酸电池仍然是固定应用中最常用的电池类型[20][21]。铅酸电池因其价格低廉、操作安全且总体可靠而具有吸引力。另一方面，锂离子电池提供更长的服务寿命和更高的能量密度。对于空间和重量不是主要限制的应用，铅酸电池仍然是实用且经济的选择[22][23]。

本研究使用HOMER来确定光伏阵列、电池储能和电力转换器的适当规模，以确保系统能够满足预期的负荷需求。通过减少对电网或燃油备用发电机的依赖，HOMER成为评估住宅区、商业区和孤立地区太阳能系统成本和性能的有用工具。随着减少排放和降低化石燃料使用需求的增长，混合可再生能源系统（HRES）受到了更多关注。然而，优化这些系统的性能具有挑战性，因为这些系统是非线性的，需要同时满足多个设计目标[24]。元启发式优化方法在处理这些难题方面展示了巨大潜力。其中，粒子群优化（PSO）因其易于使用和计算效率高而受到青睐，特别是在调整控制参数时[25][26]。灰狼优化（GWO）是一种利用灰狼群狩猎方式和社会组织方式的策略，结合局部优化技术（如改进的梯度下降法（MGD）使用时效果更好[27]。瞪羚优化算法（GOA）因其在探索和利用之间的平衡能力而越来越受欢迎[28]。比较分析表明，在包括住宅微电网和独立光伏/风力涡轮机（WT）/潮汐能/蓄电池储能系统（BESS）配置在内的多种可再生能源系统中，越来越多地采用这些优化技术以利用它们的协同效益[28]。这种受自然启发的混合方法的广泛应用表明，未来智能电网系统的能源管理将更加经济、稳定且环保。

尽管HOMER在确定光伏（PV）系统规模及其性能方面做了大量研究，但将全面、地区特定的电动汽车充电细节纳入基于HOMER的技术经济评估的研究仍然较少。同时，将HOMER与MATLAB/Simulink结合在同一分析框架内改进动态控制器的研究更是屈指可数。这在研究中形成了一个空白，尤其是在探讨结合两种建模环境构建经济上可行且环保的离网电动汽车充电站方面。

本研究探讨了利用光伏（PV）电力为电动汽车离网充电站供电的应用，如图1所示。HOMER分析了独立光伏系统，并提供了所需的优化程序和计算方法，以评估其成本效益。研究主要使用净现值（NPC）和平准化能源成本（LCOE）等指标[29][30]。还创建了MATLAB模型来观察系统随时间的变化情况，并通过元启发式优化调整控制器参数以提升系统性能。

论文贡献：

- 本研究利用NASA POWER数据获取阿斯旺省本班（Benban）地区的太阳辐射和温度等详细信息。实际电动汽车充电需求为每天600千瓦时，峰值达到48.87千瓦，充电时段分布在白天和夜晚。这种方法也可用于阳光充足的其他地区。
- HOMER-Simulink工作流程：使用HOMER Pro确定系统所需的规模和成本，再利用MATLAB/Simulink观察系统随时间的变化情况。结合这两个平台可以更清晰地了解经济可行性与实际运行性能之间的关联。
- 控制器优化：Simulink采用三种元启发式技术调整两个PI控制器，以调节电池电流和直流母线电压。这些技术包括瞪羚优化算法（GOA）、灰狼优化算法（GWO）和粒子群优化算法（PSO）。调整过程旨在将时间加权绝对误差（ITAE）降至最低，同时保持电池荷电状态（SOC）和电流在指定范围内。在MPPT运行和不同负荷条件下测量系统性能。
- 性能指标：研究列出了多种重要结果，如净现值（NPC）、平准化能源成本（COE）、每年减少的二氧化碳量、光伏发出的总能量以及未满足的负荷总量。这些结果为评估不同设计提供了标准，并可为未来的可扩展性和政策决策提供指导。

论文结构如下：第1节概述了研究内容；第2节介绍了离网和并网光伏系统；第3节描述了使用的软件工具；第4节阐述了所提出的方法；第5节说明了研究地点；第6节讨论了能源管理和分配策略；第7节总结了研究结果；第8节给出了最终思考。

离网和并网光伏系统概述

离网运行的光伏（PV）系统通常用于农村或偏远地区，因为在这些地方扩展电网成本高昂或技术上不可行。这些系统为无法依赖电网接入的社区或设施提供了可靠的电力解决方案，因为它们能够在现场发电。表1比较了独立光伏系统和并网光伏系统在技术特性、成本、环境影响和常见应用场景方面的差异。

软件概述

HOMER是一种流行的工具，可用于建模和研究混合可再生能源微电网。该软件能够展示光伏（PV）阵列、风力涡轮机、燃料电池单元、生物质发电机、水力资源、转换器等多种类型的储能技术及传统发电机等组成部分。HOMER利用这些输入数据来确定能够独立运行或与电网协同工作的系统的最佳规模和配置[46]。

方法论

本研究采用了单晶光伏（PV）模块，因为先前研究一致表明它们具有高效率[48]。图2展示了提出的独立光伏供电充电站，其中光伏模块通过升压转换器连接至直流母线，直流母线有两个接口，一个用于本地电池站，另一个用于带有自身充电控制器的电动汽车充电单元。当使用太阳能发电时...

研究地点

最丰富的自然资源是太阳能。如图3所示，埃及位于全球太阳带的中部，因其纬度在北纬22°至31.5°之间，经度在东经24°至37°之间。阿斯旺的Benban地区拥有埃及最大的太阳能电站之一。图3显示了该电站的位置，它位于西部沙漠，坐标为北纬24.26°、东经32.43°，距离开罗以南约650公里。该选址是基于NASA及其他国际专家的研究结论确定的。

**能源管理与分配**
图6展示了一个独立的电动汽车充电系统，该系统采用光伏（PV）技术和蓄电池储能方式，包括光伏模块、储能电池、电力转换器以及相应的控制系统。蓄电池是主要的能量储存单元，而光伏发电系统则提供了大部分用于充电所需的电力。当电站所需的电力低于光伏系统所能供应的电量时，多余的电力会被储存到蓄电池中；当太阳能发电量不足时，系统则会从蓄电池中获取所需的电力。

**结果与讨论**
图8概述了本研究中开发太阳能电动汽车充电站所采用的方法论。该框架综合考虑了经济因素、技术需求和场地条件，以便对整个系统进行全面评估与优化。在此过程中，使用了HOMER软件来确定系统的布局及各组件的尺寸；随后通过MATLAB/Simulink软件来模拟系统的运行情况，并验证控制系统的性能。同时使用这两种工具有助于确保系统的稳定性和有效性。

**结论**
本研究提出了一个集成的、针对具体场地的框架，将HOMER Pro软件的技术经济规模预测能力与MATLAB/Simulink中的动态性能验证及控制器调优工作相结合。通过这一工作流程，该充电站取得了可测量的实际成果：年运营成本（NPC）为430,468.50美元，平准化成本（LCOE）为0.111美元/千瓦时，每年可减少约211.8吨二氧化碳排放，且负荷不足比例低于2%。分析还证实，该充电站能够可靠地满足平均每日用电需求。

**作者贡献声明**
Ahmed Mashaly：负责撰写初稿、验证、软件开发、资源协调、方法论设计、数据整理及概念构思。
Elsayed Elsherbiny：负责撰写初稿、验证、资源协调、方法论设计、数据分析、形式化分析及概念构思。
Yara M. Elhawary：负责撰写初稿、验证、软件开发、资源协调、方法论设计、数据分析、形式化分析及概念构思。
Belal Noureldin：负责撰写初稿及验证工作。

**利益冲突声明**
作者声明：他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。