结合智能电网管理的可再生能源驱动的超快电动汽车充电站的技术经济优化

《Sustainable Energy, Grids and Networks》：Techno-Economic Optimization of Renewable-Powered Ultra-Fast Electric Vehicle Charging Stations Integrated with Smart Grid Management

　　

摘要

中国电动汽车的快速普及加剧了对可靠超快充电基础设施的需求，同时也给电网带来了更大压力。本研究构建了一个基于可再生能源的综合系统（ReBIS）的技术经济优化框架，该系统整合了光伏发电、风能、电池储能、电网连接以及智能能源管理功能。该框架通过实时电力管理、需求响应和预测性负荷预报，提升可再生能源的利用率，降低高峰负荷，维持电网稳定。研究比较了三种运营策略：用户优先调度、电网优先调度以及所提出的ReBIS策略。以中国一家配备四个150千瓦超快充电端口的商业充电站为对象进行了模拟分析。优化后的ReBIS系统包括一个600千瓦的光伏阵列以及100组电池，总额定容量为1,320千瓦时。模拟结果显示，ReBIS系统的净现值为负451万美元，能源成本为0.24美元/千瓦时，可再生能源使用率为62.4%。这些指标均优于用户优先调度策略（净现值为负176万美元，能源成本为0.40美元/千瓦时）和电网优先调度策略（相应数值分别为负186万美元和0.40美元/千瓦时）。与这两种策略相比，ReBIS还能分别减少63.2%和65.2%的碳排放。该系统能够满足99.4%的用户充电需求，每年可支持50,790次充电操作，利用率达48.3%。研究结果表明，借助智能电网管理实现的可再生能源驱动型超快充电系统，能够为中国实现可持续交通转型提供具有经济可行性、低碳特性且能适应电网需求的基础设施。

章节摘录

术语说明

文献综述

在过去十年中，由于光伏和电池储能系统成本的下降以及电动汽车市场渗透率的上升，针对可再生能源驱动的电动汽车充电站的研究显著增加。相关研究探讨了多种不同的系统配置、不同气候条件以及不同的优化目标。Wang等人[20]研究了孟加拉国一家国际机场中的光伏和风能驱动的电动汽车充电站，发现其运营成本和温室气体排放量都有显著下降，不过他们的研究并未涉及

问题建模

本研究针对现实世界中的超快电动汽车充电站，构建了一个基于仿真的优化问题模型。该充电站拥有四个超快充电端口，同时配备有光伏阵列和电池储能系统。研究对三种负荷管理策略进行了建模与比较：用户优先策略、电网优先策略以及所提出的ReBIS策略。每种策略的数学基础在3.1节“案例研究：中国国家电网电动汽车充电站”和3.2节“用户优先负荷策略”中有详细阐述

方法论

该方法论包含四个相互关联的评估模块：财务分析、可持续性评估、运营性能评估以及电网韧性评估。每个模块都基于第3节中推导出的数学模型，并通过第4.5节描述的仿真框架得以实现。图2展示了该仿真流程图。

结果与讨论

本节从财务、环境以及运营性能三个维度，展示并分析了三种负荷管理策略的仿真结果。所有结果均基于在中国南方电网运行条件下的8,760小时时间步长的年度仿真数据。需要指出的是，所有定量结果均来自仿真，尚未经过国家电网实际运行数据的验证，因此应将其视为参考性结果

局限性

本研究存在若干局限性，需予以说明。首先，所有结果均来自仿真，尚未经过国家电网实际运行数据的验证，由于设备老化、用户行为差异以及模型未能完全反映的市场动态等因素，实际性能可能与仿真结果存在差异。其次，所使用的太阳辐射数据是基于该地区典型气象年的数据，可能无法准确反映实际年份间的变化情况

结论

本研究提出了基于可再生能源的综合系统（ReBIS），这是一种用于超快电动汽车充电站的多目标能源管理框架，整合了光伏发电、电池储能以及电网连接功能。该框架被应用于中国南方电网网络中的一座实际电动汽车充电站，并在8,760小时的仿真过程中与用户优先策略和电网优先策略进行了对比。

在最优的ReBIS策略下

资金支持

本研究得到了重庆市教委科技研究计划的资助（项目编号：KJQN202403204）。

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。

Fang Yu|Jingxian Liu