混合动力电动汽车充电问题探讨:技术、经济可行性分析和建议

   理工小二        

研究背景:


如今,汽车被认为是日常生活中个人出行和货物运输的重要元素,这体现在对石油的持续需求上。随着这种需求的增加,燃料价格的上涨,以及空气污染和气候变化引起的全球对环境的日益关注,都引起了人们的担忧。因此,一些政府鼓励汽车制造商创造环境友好和低排放的交通替代品。在这方面,电动汽车已被开发和利用,以最大限度地减少对化石燃料的依赖;这导致了温室气体和其他污染物的排放减少。此外,为了避免传统车辆对环境造成的破坏,制定了车辆排放标准;一些国家,如美国、英国、日本和欧洲,已经通过了关于交通系统的标准来减少车辆排放。在此背景下,自欧五排放标准以来,汽车尾气产生的“大气气溶胶颗粒”的净百分比已大幅减少99%。此外,二氧化碳和二氧化氮自欧盟排放标准起已大幅减少。然而,到2020年,欧洲bb0的汽车排放目标是减少35毫克/公里的二氧化氮和95克/公里的二氧化碳。


在这种范式转变下,电动汽车与内燃机汽车(ICEVs)相比,在成本方面更具竞争力。意识到电动汽车的效率,包括美国、英国、中国和欧洲国家在内的一些国家已经制定了一系列决议,并提供了重要的资金来鼓励这些汽车的广泛使用。根据未来规划场景,到2050年,所有电动汽车车队都将由可再生能源(RES)提供。事实上,越来越多的人采用和使用电动汽车是电池技术进步和为了满足能源需求而扩大电池充电设施的结果。因此,充电系统的总体基础设施对电动汽车的推广至关重要。然而,电动汽车充电基础设施的主要缺点是其使用在技术上不可行。事实上,可再生能源是一种不可分配且有时间限制的能源,而电动汽车的充电是可以控制的;显然,它在逻辑上依赖于RES和ev的结合。


由于太阳能具有很高的发电潜力,利用光伏板为电动汽车充电将是一种优秀的解决方案,同时也是一种可持续的环保措施。


对此,以Fouad M.Eltoumi为首的团队展开研究,并以“The key issues of electric vehicle charging via hybrid power sources: Techno-economic viability, analysis, and recommendations”为题,于北京时间2020年11月11日发表于Renewable and Sustainable Energy Reviews,旨在综合分析和比较光伏电动汽车和光伏电动汽车并网充电系统的结构



近年来,电动汽车在世界各地得到了广泛的应用。由于电动汽车的使用使化石燃料消耗降到最低,这种现代交通方式被认为是环保的。然而,尽管电动汽车具有一定的优势,但由于充电站基础设施的不足,电动汽车还不能在全球范围内得到广泛应用。因此,人们多次尝试建立由化石燃料为主电网供电的电动汽车充电站。然而,这些类型的充电设施会对配电系统和环境产生负面影响;因此,它可能导致峰值负荷增量。一种潜在和有效的解决方案是利用自我可持续的能源(如光伏能源),这可以减轻矿物燃料的不利影响。在这种解决方案下,由于将有大量的电动汽车接入电网,因此配电系统的规划应能满足负荷需求。由于这一课题日益重要,在该研究中,重点列举、介绍和讨论了充电系统拓扑结构中PV-EV独立连接和PV-EV- grid混合连接及其相关的控制架构;重点介绍了电动汽车充电技术面临的几个发展方向和问题。此外,对大量电动汽车接入电网的影响进行了回顾,并对现有文献中提出的各种电动汽车充电调度技术和控制拓扑进行了分析。最后,提出了电网运行与电动汽车负荷经济价值评估的研究建议、建议和未来的研究方向。


研究方法及分析:


如图1a和b所示,公共交流母线是建议设计充电站的方案之一。在这种结构中,每个充电单元都有一个单独的整流器,并连接到变压器二次侧的公共交流耦合点。实际上(图1a),一些负载单元有独立的整流器;低的运行功率因数会对电网产生不良的谐波影响。重要的是要注意,使用可再生系统,如光伏或燃料电池(FC),它们产生直流电,也需要DC/AC水平;这增加了网格中转换级别的使用。如图1b所示,采用单级高功率AC/DC级作为电动汽车充电的第二种选择架构。直流母线为几个充电单元供电,并提供了一个更灵活的结构,具有集成RES和储能设备的能力;实际上,这些系统主要是直流电源。与基于交流母线的充电系统相比,基于直流母线的充电站需要较少的能量转换步骤。


图1所示。基于公共总线系统的充电站配置。


图2所示。基于pv的电动汽车集中充电站示意图。


图3所示。基于RES的集中式电动汽车充电架构。


图4所示。独立的PV系统用于V2H/V2G安装。


图5所示。太阳能供电的独立电动汽车充电系统。独立的PV系统用于V2H/V2G安装。


图6所示。充电站通用潮流场景。


图7所示。集中控制架构。


图8所示。分散控制结构。


研究结论:


光伏太阳能和电动汽车是减少二氧化碳排放和化石燃料消耗的基本要素。正如该研究所讨论的,光伏发电的间歇性以及白天电力生产的集中度降低了光伏发电对电力需求的可能贡献。尽管电动汽车比汽油汽车更经济、更环保,特别是在生命周期方面,但与充电模式、电动汽车负荷调度、电动汽车电池寿命周期和电动汽车自主等相关的几个问题需要分析和解决。为了减少电动汽车负荷引起的配电网过载,需要采用集中和分散控制策略,并考虑RES。分析了光伏充电设施的基础设施现状。此外,该研究还介绍和分析了不同的PV- ev拓扑结构,并对住宅和工作场所光伏充电的控制策略进行了研究。对基于pv的电动汽车充电站领域进行了综合评估,并对各种充电站架构进行了检验和比较。在未来的研究中,将纳入V2G的考虑;预计电网运营商和汽车制造商将对基于v2g的PV-EV充电拓扑表现出越来越大的兴趣。


电动汽车作为一种随机负荷,预计会影响配电网的总体负荷特性,增加负荷预测的难度,影响配电网变电所规划。因此,在电网规划设计过程中,应充分考虑电动汽车负荷对电力系统的影响,并补充电网规划的约束条件,使规划的配电网能充分满足电动汽车机群的不同需求。上述电动汽车负荷对电网规划的约束主要体现在以下几个方面。


1.在配电网规划中,充电站选址至关重要。考虑V2G技术,利用电动汽车的放电特性,采用边际接入方式,可以在一定程度上抵消部分负荷需求;因此,可以改变充电站直接供电负荷空间的预测。变电站的位置也应该考虑到城市未来的发展。


2.电动汽车充电站的设计应充分考虑电动汽车充电设施的容量。充电站总容量应能满足电动汽车负荷;因此,避免了超载。


3.为提高电动汽车充电设施密度较大地区的供电可靠性,可适当增加备用容量储备。这不仅统一了充电设施布局,实现了合理的负荷分配,还提高了整个系统的可靠性。


4.当大量电动汽车并网时,供电行为会发生变化;因此,这可能改变配电网的潮流。电动汽车负荷密度的不确定性将给电动汽车充电站的选址、容量和规划带来相当大的问题。


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120308194


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