将快速充电站与储能系统集成到办公建筑中的可行性：一项技术经济分析

《Energy》：Feasibility of integrating fast-charging stations into office buildings with energy storage: A techno-economic analysis

　　摘要：快速充电站对于缓解电动汽车（EV）驾驶员的续航焦虑至关重要。然而，由于高昂的资本成本和可能增加的峰值需求，这些充电站在建筑物停车场的部署受到了阻碍。本研究通过战略性地利用快速充电站与建筑物能源灵活性之间的协同作用来应对这些挑战。开发了一个技术经济分析框架来评估它们的协同效益。为了证明该框架在实际情况中的适用性，以深圳这座大都市中一座具有代表性的大型商业建筑为例进行了案例研究，该研究采用了典型的两部分电价结构，包括分时电价和需求费用。通过提出的最优调度策略，采用了电能存储（EES）系统来提供建筑物能源灵活性。测试结果表明，部署快速充电站在电动汽车充电负荷的时间分布上具有显著优势，但同时也增加了峰值需求。与EES系统的协同作用有效地减轻了这一峰值需求的增加，同时实现了显著的运营成本节约，从而降低了全生命周期成本。最优组合是一个容量为2500千瓦时的EES系统和一个配备80千瓦充电器的快速充电站，与没有EES且只有7千瓦慢速充电器的基准情景相比，全生命周期成本降低了647,305美元（27.12%）。

引言：建筑和交通部门是全球能源消费和碳排放的主要贡献者。交通电气化促进了可再生能源在电网中的整合，对实现碳中和做出了重要贡献，同时这一趋势也加剧了电动汽车与建筑系统之间的相互依赖性。由于超过80%的电动汽车（EV）在其使用寿命中的90%以上时间都停放在建筑物内或周围，因此通常在建筑物内安装电动汽车充电站（EVCS）以满足充电需求。典型的充电地点包括住宅建筑、工作场所、购物中心等。根据平均停留时间4.3至10.2小时[1]，工作场所被认为是仅次于住宅区的第二大首选充电地点[2]。多个利益相关者可以从促进工作场所充电中受益。对于电网而言，工作场所充电站的部署可以减少家庭充电带来的夜间峰值需求，并减轻住宅变压器的压力，尤其是在电动汽车渗透率较高的情况下。对于建筑物来说，这种部署有助于可再生能源（RES）的整合，并提高了建筑物能源灵活性，尤其是在采用智能充电模式时。对于电动汽车用户来说，充电站的部署可以缓解他们的续航焦虑[3]，并增加他们购买电动汽车的意愿，因为工作场所为没有家庭充电条件的用户提供了关键的充电选项[2]。总体而言，发展工作场所充电已成为推动交通电气化的重要措施[4][5]。因此，开发一种具有成本效益的框架来进行工作场所充电系统的最优规划和运营至关重要。电动汽车的整合可能会显著影响总负荷曲线，增加整体能源使用量[6][7][8]和峰值功率需求[7][9]。大量电动汽车的引入将使建筑物的总能源需求大约翻倍[6][8]。此外，电动汽车的整合还会显著影响建筑物的峰值需求，导致峰值幅度更大、持续时间更长，并出现新的峰值事件[10]。即使电动汽车的渗透率有限，这种峰值需求也可能大幅增加[7][9]。电动汽车整合造成的额外峰值需求受多种因素影响，如电动汽车渗透率[7][11][12]、充电功率[6][7][9][12]、电动汽车电池容量、充电地点多样性、建筑物负荷特性[13][14]以及用户充电习惯[12][13][15]。最近的研究提供了对影响电动汽车充电行为因素的更详细理解。Roozkhosh和Yao[16]将充电行为分为时空维、车辆维、用户维和充电会话维，而Dai等人[17]指出，充电模式和充电站功率曲线会随着相邻建筑类型、公共可访问性和充电器额定功率的不同而变化。这些研究表明，建筑环境和充电基础设施可以影响用户的充电习惯，进而影响电动汽车充电负荷的时间分布和幅度。更严重的是，不协调的电动汽车充电负荷会导致峰值需求的急剧上升，这可能会降低建筑物内安装的配电变压器的性能，导致过载[18][19][20]、加速老化[21][22]以及更高的功率损失[23][24]。在住宅区，电动汽车整合对配电变压器的影响更为显著，因为变压器的冗余容量相当有限。此外，如果建筑物无法有效管理电动汽车充电需求，电网的性能也可能受到不利影响[10][25][26][27]，可能导致电缆过载[28]、功率损失增加[29]、电压偏差[28][30]以及电网稳定性下降[31][32]。近年来，需求侧管理技术作为一种减轻电动汽车整合负面影响的关键手段应运而生。电动汽车充电与建筑物能源灵活性资源的共同管理成为解决大量建筑物中电动汽车整合挑战的有希望的解决方案[10][33]。典型的能源灵活性资源包括暖通空调（HVAC）系统[34][35][36]、电池储能系统[34][37]、热能储存[38][39]和光伏发电[34][40][41]。这些资源可以调度以提供各种灵活性服务[42][43]，例如负荷削减、负荷覆盖和负荷转移，这些服务有助于减少电动汽车引起的建筑物峰值负荷和电力成本。例如，Liu等人[44]开发了一个框架，用于办公室建筑中暖通空调（HVAC）系统、日光利用和最大充电功率为6.6千瓦的电动汽车的联合管理。结果表明，智能控制HVAC设定点和照明可以显著增加电动汽车的采用率并节省经济成本。同样，Ding等人[35]提出了一种联合优化策略，用于共同管理空调系统、电动汽车和电池储能系统，实现了办公室建筑运营成本降低3.71%和峰值需求降低38.62%。最近的研究还研究了智能电动汽车充电及其与可再生能源系统的协调。一项全年实地实验表明，有序的太阳能充电可以影响电动汽车用户的充电和连接行为[45]。还研究了优化的电动汽车调度以减少需求侧储能需求[46]，同时开发了分布式充电策略来协调工作场所电动汽车充电与现场光伏发电[47]。然而，建筑物能源灵活性在适应工作场所快速充电负荷、减轻相关需求费用增加以及提高充电站全生命周期经济可行性方面的潜力尚未得到充分量化。其他学者更多关注通过优化工作场所充电系统的设计来减轻电动汽车充电的负面影响[1][48][49]。在这些研究中，考虑到投资成本和对建筑物峰值需求的潜在影响，建议在工作场所安装低功率慢速充电器。例如，Liu等人[1]提出了一个基于调查的模拟平台，用于优化北京和瑞城的工作场所充电系统。结果表明，北京需要3.5千瓦的充电器，瑞城需要3.2千瓦的充电器，以满足电动汽车的基本通勤需求。Li等人[49]开发了一个工作场所充电优化模型，以在不同年度预算限制下确定充电器的数量和功率水平。结果表明，1.8千瓦的充电器比7.2千瓦和9.6千瓦的充电器更具经济性，因为安装成本较低，并且考虑到了电动汽车在工作场所的停留时间较长。Wu[5]指出，1.2千瓦的慢速充电器在技术上是足够的，但雇主在实际工作中安装它们并不现实。现有研究通常假设电动汽车用户只愿意将电池充至下一次通勤所需的最低电量状态（SOC）。然而，调查显示，中国多达91%的电动汽车会被充电至80-100%的SOC[50]，以减少充电频率。鉴于这种偏好以及电动汽车电池容量的持续增加以减轻用户的续航焦虑[51]，这些低功率慢速充电器越来越无法满足电动汽车用户的充电需求，尤其是对于连接时间较短的用户。虽然在技术上可以在工作场所（如办公楼）部署低功率慢速充电器来减轻电动汽车充电负荷对建筑物能源系统的影响，但这种方法可能与电动汽车用户快速补能的需求相冲突。充电功率是电动汽车用户评估充电基础设施服务质量的关键因素[52]。用户不仅优先考虑快速充电，而且还愿意为此类服务支付更高的费用[53]。快速充电的部署也有利于电动汽车的采用[54]。在现实世界中，快速充电更受电动汽车用户的欢迎。根据中国的年度电动汽车充电行为报告[50]，超过90%的公共充电事件使用的是额定功率为60千瓦或更高的快速充电器，表明用户对快速充电有强烈的偏好。因此，开发一种技术上和经济上可行的解决方案，以便在工作场所部署快速充电站至关重要。

如图1所示，工作场所中的电动汽车充电站的充电功率水平显著影响总负荷曲线和经济成本。与慢速充电相对平坦和宽泛的负荷曲线不同，快速充电产生的充电需求特征是更陡峭和更狭窄的，这对建筑物的峰值负荷构成了重大挑战。这导致了更高的峰值负荷，从而增加了需求费用和变压器过载的风险。另一方面，快速充电在电动汽车充电负荷的时间分布上也提供了明显的好处。具体来说，与慢速充电相比，在具有明显早晨到达模式的工作场所部署快速充电可以显著将更多电动汽车充电负荷从高价格峰值时段转移到非峰值时段，从而降低能源成本。然而，现有研究往往忽视了快速充电在负荷时间分布方面的这些潜在好处。随着需求侧管理技术的进步，建筑物能源灵活性为减轻快速充电引起的峰值需求增加提供了潜在的解决方案。这表明，快速充电与建筑物能源灵活性之间的协同作用可能在整体运营成本上带来经济效益，同时保持峰值需求的可控增加。尽管如此，快速充电所需的初始投资成本明显高于慢速充电。鉴于这些竞争因素，提出了一个关键的研究问题：建筑物能源灵活性如何提高快速充电站的全生命周期经济可行性？总结来说，已经确定了以下两个关键的研究空白：(1) 缺乏关于不同充电功率水平下电动汽车充电负荷对建筑物负荷曲线影响的全面研究。特别是，这些功率水平如何影响充电负荷的时间分布及其带来的经济绩效尚未得到充分理解。(2) 将电动汽车充电站与建筑物能源灵活性整合的协同效益和耦合机制尚未得到充分探索，特别是在快速充电站与建筑物能源灵活性之间的相互作用方面。这些研究空白代表了关键的知识缺陷，因为理解这些相互作用对于制定有效的电动汽车充电基础设施和能源灵活性部署策略至关重要，以平衡用户偏好、建筑物能源管理和经济可行性。为了应对这些研究空白，本研究提出了一个通用的技术经济分析框架，用于评估在不同设计选项下将电动汽车充电站与建筑物能源灵活性整合在典型工作场所（例如办公楼）中的协同效益。该框架为决策者提供了制定技术上可行和经济上可行的部署策略的关键指导。具体而言，采用了电能存储（EES）系统通过最优调度来提高能源灵活性并降低建筑物运营成本。它作为一种典型的能源灵活性资源，用于负荷转移和峰值削减[42][55]。以深圳这座大都市中的一座具有实地测量负荷曲线的代表性商业办公建筑作为案例研究，验证了所提出的框架。经济绩效是在广泛采用的两部分电价结构下进行评估的，该结构包括分时电价和需求费用。本研究的主要贡献和创新总结如下：

1. 开发了一个综合的技术经济分析框架，该框架结合了基于整数线性规划（MILP）的调度优化和随机电动汽车（EV）充电行为，以系统地评估电动汽车充电系统（EVCS）部署的协同效益和影响。
2. 在不同的能量储存系统（EES）容量情景下，系统地分析了EVCS充电功率水平对EV充电负荷的时间分布、峰值需求和运营成本的影响。
3. 进行了生命周期成本分析，以评估EVCS与EES之间协同作用的长期经济性能。从多个角度探讨了充电功率水平和EES容量设计对生命周期成本的影响，为不同情景下的建筑运营商提供了决策依据。

### 技术经济分析框架
如图2所示，本研究开发了一个综合的技术经济分析框架，用于评估在各种EES容量情景下EVCS充电功率水平对办公楼内EV充电负荷的时间分布、建筑峰值需求和生命周期成本的影响。该框架包括三个主要模块：EVCS规模优化、集成建筑-EV系统的调度优化以及技术经济分析。

### 测试安排与情景
为了评估快速充电站与EES对建筑能源系统总负荷曲线和生命周期经济性能的协同效益，本研究选取了位于深圳的一栋实际办公楼作为典型工作场所案例，并结合了当地的了两部制电价结构来计算总体运营成本。各种测试情景根据EES类型进行了分类和命名。

### 结果与分析
本节展示了在不同充电功率水平和EES容量下EVCS整合的技术经济分析。首先详细分析了不同情景下EV充电对总负荷曲线的影响机制；其次评估了在不同情景下具有不同充电功率水平的EVCS的年运营成本；最后进行了生命周期经济分析，以评估不同情景下EVCS与EES之间的协同效益。

### 讨论与启示
研究结果表明，在办公楼中部署快速充电站并利用建筑能源灵活性是可行且具有成本效益的。本研究为建筑-交通 electrification 联盟内的最佳设计建立了一个可推广的框架。总体而言，本研究为参与工作场所充电基础设施规划和运营的利益相关者提供了可操作的指导方针：

- 对于现有建筑进行改造：建筑运营商应首先……

### 结论
本研究对在真实运行条件下将电动汽车充电站（EVCS）和电能储存（EES）集成到办公楼中的协同效益进行了全面的技术经济分析。评估并讨论了在不同EES容量情景下EVCS充电功率水平对总负荷曲线和生命周期经济性能的影响。主要结论如下：
- 更高的充电功率可以缩短……

### 作者贡献声明
- 王胜伟：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理工作、资金筹集、概念构思
- 李航欣：撰写、审稿与编辑、软件开发、方法论
- 唐宏：撰写、审稿与编辑、软件开发、方法论
- 邹文珂：撰写初始草案、验证、软件开发、方法论、数据整理、概念构思

### 未引用参考文献
[67], [71]

### 利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

### 致谢
本研究得到了香港特别行政区（Hong Kong SAR）香港研究资助委员会（RGC）的一般研究基金（152259/24E）的财政支持。

### 作者信息
- 邹文珂 | 唐宏 | 李航欣 | 王胜伟
- 香港理工大学建筑环境与能源工程系，九龙，香港