1. Введение

Параллельно с быстрым развитием индустрии электромобилей идёт столь же активное строительство зарядных станций. Дополнительная нагрузка, ложащаяся на распределительные сети, ещё больше увеличивает разницу между пиковым и минимальным потреблением. Снижение нагрузки на местные электросети, характеризующиеся большим перепадом между пиками и минимумами, стало важной задачей, от решения которой зависит развитие отрасли электромобилей. Поскольку строительство зарядных станций требует значительных капиталовложений, повышение коэффициента использования оборудования и снижение эксплуатационных расходов становится ключевым фактором развития сети электрозаправочных станций (ЭЗС).

Характеристики зарядной нагрузки лежат в основе конфигурации мощности, а также проектирования и строительства зарядных станций

[1]

Планирование зарядных станций ориентировано на конкретные группы пользователей: параметры зарядной нагрузки различаются в зависимости от типа пользователей и напрямую влияют на конфигурацию станции, что требует анализа и моделирования. В работе

[2][3]

Задачи перспективного проектирования и развития ЭЭС актуальны для всех национальных энергетик мира. Эти задачи также требуют обоснованных прогнозов по изменению структуры нагрузки, вызванной быстрым ростом числа электромобилей. В

[4][5][6]

При строительстве зарядных станций необходимо учитывать не только потребности пользователей, но и экономику эксплуатации. Помимо капитальных затрат, значительную часть расходов составляет стоимость электроэнергии. В Китае тариф на электроэнергию для промышленных и коммерческих потребителей складывается из двух составляющих: платы за заявленную мощность трансформатора и платы за фактически потреблённую электроэнергию. Недостаточная мощность трансформатора не позволяет обеспечить зарядку крупногабаритных электромобилей, а её избыток приводит к неоправданным затратам. В

[7][8][9][10][11][12]

Развитие технологий накопителей энергии открывает новые возможности для стабилизации нагрузки зарядных станций и оптимизации мощности трансформатора. Энергия накапливается в периоды низкого спроса, а в часы пиковой нагрузки электромобили заряжаются одновременно от сети и от накопителя, который играет роль буфера, сглаживающего пики и выравнивающего нагрузку. В

[13][14][15]

Применение накопителей энергии на электрозаправочных станциях пока находится на начальной стадии развития

[16][17]

Цель работы - максимизация недельной чистой прибыли станции зарядки электромобилей за счёт совместной оптимизации мощности трансформатора, ёмкости накопителя энергии и мощности преобразователя с учётом функции упущенной выгоды. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) анализ характеристик зарядной нагрузки для различных групп пользователей электромобилей на примере города Ланьчжоу;

2) разработка модели упущенной выгоды и модели затрат зарядной станции, включающей стоимость трансформатора, зарядных свай и системы накопления энергии;

3) построение оптимизационной модели, максимизирующей недельную чистую прибыль станции по параметрам мощности трансформатора и ёмкости накопителя;

4) сравнительный анализ конфигураций станции с накопителем энергии и без него на характерном примере нагрузки города Ланьчжоу.

2. Методы и принципы исследования

Зарядные станции электромобилей регистрируют данные о потребляемой автомобилями нагрузке, как правило, с интервалом 15 минут. Ниже представлены статистические данные о расходе электроэнергии электромобилями различных групп пользователей за неделю.

На основе результатов, полученных ранее и представленных в

[2]

В качестве примера рассмотрим общественные станции быстрой зарядки постоянного тока. На основе статистики парка электромобилей города Ланьчжоу недельные графики расхода заряда девяти групп пользователей объединены в суммарный профиль недельной нагрузки зарядной станции (рис. 2).

Работа зарядной станции должна удовлетворять следующим ограничениям:

1

где —

Pnet(t) Pdis(t) и Pch(t) Pload(t)

где

Ptrans0,9SN

3

где

u(t) ∈ {0, 1}

4

где

ηch = ηdis = 0,95, Δt = 0,25 часа (15 минут).

5

В данной работе приняты

SOCmin = 0,1 и SOCmax = 0,9

В настоящей работе для фокусировки на макроскопической взаимосвязи между конфигурацией ёмкости и экономическими показателями временно не учитываются температурная зависимость и долгосрочная циклическая деградация ёмкости аккумуляторных батарей. В качестве инженерного приближения введено ограничение

SOCmin = 0,1

Функция упущенной выгоды

[18]

где

Величина функции упущенной выгоды служит индикатором адекватности выбранной конфигурации мощности трансформатора и накопителя энергии станции. Если упущенная выгода слишком велика, требуется скорректировать мощность трансформатора или ёмкость накопителя энергии, оптимизируя конфигурацию по критерию максимума чистого дохода.

Анализ характеристик нагрузки показывает, что нагрузка зарядной станции сильно колеблется во времени, а продолжительность пиков невелика. Установка трансформатора избыточной мощности приводит к низкому коэффициенту его использования; вместе с тем маломощный трансформатор ограничивает скорость зарядки, что особенно критично для пользователей в часы пик и снижает привлекательность станции. Это обусловливает необходимость оптимизации параметров мощности станции. Применение систем накопления энергии позволяет снизить требуемую мощность трансформатора, повысить эффективность работы станции и, как следствие, увеличить её чистую прибыль.

Доход зарядной станции формируется от продажи электроэнергии потребителям, тогда как, помимо капитальных вложений, основные текущие затраты ЭЗС связаны с закупкой электроэнергии из энергосистемы. Стоимость закупки складывается из фиксированной платы за заявленную мощность трансформатора и платы за фактическое потребление по счётчику.

На основе теории затрат и выгод в работе предлагается определить функцию упущенной выгоды и учесть её в модели оптимизации. Модель представлена уравнением:

здесь

В Китае принят метод расчёта платы за услугу зарядки за единицу электроэнергии. Еженедельный доход

В формуле:

Недельные эксплуатационные расходы зарядной станции включают:

где Pnet(n) — фактическая мощность, потребляемая из сети в n-й момент; ebuy(n) — тариф на покупку электроэнергии (дневной 1200 юань/(МВт·ч), ночной 400 юань/(МВт·ч)); Δt = 0,25 часа;

Система накопителя энергии включает электронные компоненты - устройство накопления и преобразователь мощности:

Недельная стоимость накопителя энергии:

Недельная стоимость преобразователя мощности:

здесь

Величина недельного дохода станции определяется главным образом суммарным объёмом зарядки за неделю, недельными потерями и максимальной потребляемой мощностью, обусловленной выбором мощности трансформатора и ёмкости накопителя. Увеличение мощности трансформатора и ёмкости накопителя снижает отток пользователей, но одновременно повышает инвестиционные затраты, поэтому заявленную мощность необходимо оптимизировать с учётом характеристик пользовательского спроса станции.

Представленная оптимизационная модель относится к классу задач линейного программирования (ЛП) и решается с использованием решателя

3. Основные результаты

Уровень использования мощности ЭЗС, как правило, низок. Оснащение зарядных станций системами накопления энергии позволяет снизить требуемую мощность трансформатора, повысить коэффициент использования мощности и сократить затраты на электроэнергию. В качестве примера рассмотрена станция с недельной потребностью в энергии 100 МВт·ч, оснащённая 30 зарядными сваями номинальной мощностью 120 кВт каждая.

Цена быстрой зарядки на станции составляет

Класс мощности трансформатора стандартизирован; максимальная недельная нагрузка зарядной станции составляет 3,6997 МВт.

Рациональный выбор ёмкости накопителя энергии позволяет не только снизить требуемую заявленную мощность трансформатора, но и увеличить максимальную зарядную мощность станции, компенсируя упущенную выгоду. Рассмотрены те же уровни мощности трансформаторов, что и для станции без накопителя. Результаты оптимизации показаны на рисунке 5.

Приведённая выше оптимизация основана на детерминированном типовом недельном профиле нагрузки. Для учёта случайных колебаний спроса в работе выполнен анализ чувствительности с использованием коэффициента масштабирования нагрузки

4. Обсуждение

На рисунке 6 показана максимальная прибыль, соответствующая различным мощностям трансформатора.

Для оценки влияния изменений ключевых параметров на результаты оптимизации выполнен однофакторный анализ чувствительности по двум параметрам: удельной стоимости накопителя энергии и соотношению пикового и ночного тарифов. Цена накопителя варьировалась на уровнях 70%, 100% и 130% от базового значения (снижение на 30%, базовый уровень, повышение на 30%); соотношение пикового и ночного тарифов варьировалось на уровнях 80%, 100% и 120% от базового значения (уменьшение разницы на 20%, базовый уровень, увеличение разницы на 20%). Результаты анализа представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что во всех рассмотренных сценариях оптимальная мощность трансформатора остаётся неизменной — 2000 кВА. Это подтверждает, что выбор трансформатора преимущественно определяется пиковой нагрузкой (3,6997 МВт) и обладает высокой инженерной робастностью к колебаниям экономических параметров. Оптимальная ёмкость накопителя, напротив, существенно изменяется в зависимости от параметров: при снижении цены накопителя на 30% оптимальная ёмкость увеличивается с 1,2 до 1,5 МВт·ч, а недельная прибыль возрастает на 2,7%; при повышении цены накопителя на 30% оптимальная ёмкость снижается до 0,8 МВт·ч, а прибыль уменьшается на 3,2%. При увеличении соотношения пикового и ночного тарифов на 20% оптимальная ёмкость возрастает до 1,4 МВт·ч, а прибыль увеличивается на 5,4%; при уменьшении соотношения на 20% ёмкость снижается до 0,6 МВт·ч, а прибыль падает на 7,1%. Полученные результаты показывают, что в условиях продолжающегося снижения стоимости систем накопления энергии и постепенного увеличения разницы между пиковыми и ночными тарифами рациональная установка накопителя большей ёмкости позволяет значительно повысить экономическую эффективность зарядной станции.

Таким образом, правильно настроенная система накопителя энергии способна дополнить мощность зарядной станции, сокращая потери пользователей из-за нехватки мощности и значительно увеличивая прибыль. Проведённый анализ показывает, что оптимальная мощность трансформатора в рассмотренном примере составляет 2000 кВА, что меньше значения, полученного без учёта накопителя энергии. Оптимальная ёмкость накопителя составляет 1,2 МВт·ч, а мощность преобразователя выбрана равной 0,6 МВт. Максимальная недельная прибыль станции, соответствующая наилучшей комбинации, составляет 28 353,54 Юаня.

Следует отметить, что использованные в расчётном примере тарифы на электроэнергию, удельные стоимости оборудования и ставки платы за заявленную мощность трансформатора соответствуют действующим условиям города Ланьчжоу (Китай). Несмотря на региональные различия в конкретных числовых значениях, предложенная экономико-математическая модель является полностью универсальной. Для других стран и регионов достаточно подставить местные значения пиковых и ночных тарифов, ставок за трансформаторную мощность и стоимости оборудования, чтобы непосредственно получить оптимальную конфигурацию, адаптированную к местным рыночным условиям. Таким образом, предлагаемый подход может служить методологической основой для инвестиционных решений при проектировании зарядных станций в различных институциональных условиях.

5. Заключение

В работе проанализированы характеристики нагрузки зарядных станций для различных групп пользователей; в качестве критерия оптимизации принята недельная чистая прибыль ЭЗС, для чего разработана модель оптимизации мощности с учётом функции упущенной выгоды. Определена оптимальная конфигурация мощности станции как без накопителя энергии, так и с его применением. Результаты примера расчёта показывают, что зарядные станции разных масштабов требуют разной ёмкости накопителя. Только за счёт рациональной оптимизации ёмкости накопителя энергии можно повысить экономичность эксплуатации ЭЗС при одновременном выравнивании колебаний нагрузки.

The additional file for this article can be found as follows: