研究背景:


如今,汽車被認為是日常生活中個人出行和貨物運輸的重要元素,這體現在對石油的持續需求上。隨著這種需求的增加,燃料價格的上漲,以及空氣污染和氣候變化引起的全球對環境的日益關注,都引起了人們的擔憂。因此,一些政府鼓勵汽車制造商創造環境友好和低排放的交通替代品。在這方面,電動汽車已被開發和利用,以最大限度地減少對化石燃料的依賴;這導致了溫室氣體和其他污染物的排放減少。此外,為了避免傳統車輛對環境造成的破壞,制定了車輛排放標準;一些國家,如美國、英國、日本和歐洲,已經通過了關于交通系統的標準來減少車輛排放。在此背景下,自歐五排放標準以來,汽車尾氣產生的“大氣氣溶膠顆?!钡膬舭俜直纫汛蠓鶞p少99%。此外,二氧化碳和二氧化氮自歐盟排放標準起已大幅減少。然而,到2020年,歐洲bb0的汽車排放目標是減少35毫克/公里的二氧化氮和95克/公里的二氧化碳。


在這種范式轉變下,電動汽車與內燃機汽車(ICEVs)相比,在成本方面更具競爭力。意識到電動汽車的效率,包括美國、英國、中國和歐洲國家在內的一些國家已經制定了一系列決議,并提供了重要的資金來鼓勵這些汽車的廣泛使用。根據未來規劃場景,到2050年,所有電動汽車車隊都將由可再生能源(RES)提供。事實上,越來越多的人采用和使用電動汽車是電池技術進步和為了滿足能源需求而擴大電池充電設施的結果。因此,充電系統的總體基礎設施對電動汽車的推廣至關重要。然而,電動汽車充電基礎設施的主要缺點是其使用在技術上不可行。事實上,可再生能源是一種不可分配且有時間限制的能源,而電動汽車的充電是可以控制的;顯然,它在邏輯上依賴于RES和ev的結合。


由于太陽能具有很高的發電潛力,利用光伏板為電動汽車充電將是一種優秀的解決方案,同時也是一種可持續的環保措施。


對此,以Fouad M.Eltoumi為首的團隊展開研究,并以“The key issues of electric vehicle charging via hybrid power sources: Techno-economic viability, analysis, and recommendations”為題,于北京時間2020年11月11日發表于Renewable and Sustainable Energy Reviews,旨在綜合分析和比較光伏電動汽車和光伏電動汽車并網充電系統的結構。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議


近年來,電動汽車在世界各地得到了廣泛的應用。由于電動汽車的使用使化石燃料消耗降到最低,這種現代交通方式被認為是環保的。然而,盡管電動汽車具有一定的優勢,但由于充電站基礎設施的不足,電動汽車還不能在全球范圍內得到廣泛應用。因此,人們多次嘗試建立由化石燃料為主電網供電的電動汽車充電站。然而,這些類型的充電設施會對配電系統和環境產生負面影響;因此,它可能導致峰值負荷增量。一種潛在和有效的解決方案是利用自我可持續的能源(如光伏能源),這可以減輕礦物燃料的不利影響。在這種解決方案下,由于將有大量的電動汽車接入電網,因此配電系統的規劃應能滿足負荷需求。由于這一課題日益重要,在該研究中,重點列舉、介紹和討論了充電系統拓撲結構中PV-EV獨立連接和PV-EV- grid混合連接及其相關的控制架構;重點介紹了電動汽車充電技術面臨的幾個發展方向和問題。此外,對大量電動汽車接入電網的影響進行了回顧,并對現有文獻中提出的各種電動汽車充電調度技術和控制拓撲進行了分析。最后,提出了電網運行與電動汽車負荷經濟價值評估的研究建議、建議和未來的研究方向。


研究方法及分析:


如圖1a和b所示,公共交流母線是建議設計充電站的方案之一。在這種結構中,每個充電單元都有一個單獨的整流器,并連接到變壓器二次側的公共交流耦合點。實際上(圖1a),一些負載單元有獨立的整流器;低的運行功率因數會對電網產生不良的諧波影響。重要的是要注意,使用可再生系統,如光伏或燃料電池(FC),它們產生直流電,也需要DC/AC水平;這增加了網格中轉換級別的使用。如圖1b所示,采用單級高功率AC/DC級作為電動汽車充電的第二種選擇架構。直流母線為幾個充電單元供電,并提供了一個更靈活的結構,具有集成RES和儲能設備的能力;實際上,這些系統主要是直流電源。與基于交流母線的充電系統相比,基于直流母線的充電站需要較少的能量轉換步驟。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議

圖1所示?;诠部偩€系統的充電站配置。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議

圖2所示?;趐v的電動汽車集中充電站示意圖。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議

圖3所示?;赗ES的集中式電動汽車充電架構。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議

圖4所示。獨立的PV系統用于V2H/V2G安裝。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議

圖5所示。太陽能供電的獨立電動汽車充電系統。獨立的PV系統用于V2H/V2G安裝。


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圖6所示。充電站通用潮流場景。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議

圖7所示。集中控制架構。


混合動力電動汽車充電問題探討:技術、經濟可行性分析和建議

圖8所示。分散控制結構。


研究結論:


光伏太陽能和電動汽車是減少二氧化碳排放和化石燃料消耗的基本要素。正如該研究所討論的,光伏發電的間歇性以及白天電力生產的集中度降低了光伏發電對電力需求的可能貢獻。盡管電動汽車比汽油汽車更經濟、更環保,特別是在生命周期方面,但與充電模式、電動汽車負荷調度、電動汽車電池壽命周期和電動汽車自主等相關的幾個問題需要分析和解決。為了減少電動汽車負荷引起的配電網過載,需要采用集中和分散控制策略,并考慮RES。分析了光伏充電設施的基礎設施現狀。此外,該研究還介紹和分析了不同的PV- ev拓撲結構,并對住宅和工作場所光伏充電的控制策略進行了研究。對基于pv的電動汽車充電站領域進行了綜合評估,并對各種充電站架構進行了檢驗和比較。在未來的研究中,將納入V2G的考慮;預計電網運營商和汽車制造商將對基于v2g的PV-EV充電拓撲表現出越來越大的興趣。


電動汽車作為一種隨機負荷,預計會影響配電網的總體負荷特性,增加負荷預測的難度,影響配電網變電所規劃。因此,在電網規劃設計過程中,應充分考慮電動汽車負荷對電力系統的影響,并補充電網規劃的約束條件,使規劃的配電網能充分滿足電動汽車機群的不同需求。上述電動汽車負荷對電網規劃的約束主要體現在以下幾個方面。


1.在配電網規劃中,充電站選址至關重要??紤]V2G技術,利用電動汽車的放電特性,采用邊際接入方式,可以在一定程度上抵消部分負荷需求;因此,可以改變充電站直接供電負荷空間的預測。變電站的位置也應該考慮到城市未來的發展。


2.電動汽車充電站的設計應充分考慮電動汽車充電設施的容量。充電站總容量應能滿足電動汽車負荷;因此,避免了超載。


3.為提高電動汽車充電設施密度較大地區的供電可靠性,可適當增加備用容量儲備。這不僅統一了充電設施布局,實現了合理的負荷分配,還提高了整個系統的可靠性。


4.當大量電動汽車并網時,供電行為會發生變化;因此,這可能改變配電網的潮流。電動汽車負荷密度的不確定性將給電動汽車充電站的選址、容量和規劃帶來相當大的問題。


原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120308194


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