СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАРЯДНОЙ СТАНЦИЕЙ Российский патент 2023 года по МПК B60L53/51 B60L53/53 B60L53/62 

Изобретение относится к способам управления процессом работы фотоэлектрических зарядных станций для наземного электротранспорта, в частности для электромобилей, и может быть использовано для управления зарядных станций быстрого заряда постоянным током, подключенных к электрической сети с ограниченной мощностью подключения и/или при отсутствии возможности передачи энергии в сеть.

Фотоэлектрические (солнечные) зарядные станции (ФЗС) являются перспективным типом зарядной инфраструктуры электромобилей. Существуют ФЗС двух типов: автономные, питание которых осуществляется с только за счет энергии, вырабатываемой солнечными модулями и ФЗС с подключением к промышленной сети переменного тока. ФЗС с подключением к сети (сетевые ФЗС) являются более распространенными по причине возможности стабильной и бесперебойной работы в периоды низкой инсоляции (темное время суток, осенне-зимний период) и имеющие меньшие требования к накопителю. Базовая структура ФЗС включает в себя батарею солнечных модулей, DC-DC конверторы, аккумуляторный накопитель энергии.

Управление потоками энергии внутри системы определяется алгоритмом энергетического менеджмента. В типовом случае, при отсутствии электромобиля, подключенного к станции, энергия, вырабатываемая солнечными модулями, идет на заряд аккумуляторного накопителя. Во время зарядной сессии заряд электромобиля осуществляется одновременно за счет энергии, вырабатываемой солнечными модулями и энергии, потребляемой от аккумуляторного накопителя. Таким образом, суммарная мощность заряда может быть существенно больше мощности, вырабатываемой в моменте солнечными модулями.

Сетевые зарядные станции имеют дополнительно в составе сетевой AC-DC инвертор. В сетевых ФЗС, при малом уровне заряда накопителя осуществляется дополнительный заряд накопителя до определенного уровня за счет энергии промышленной сети. То есть их алгоритм энергетического менеджмента включает дополнительный заряд накопителя от сети с помощью инвертора при снижении уровня заряда накопителя ниже определенного уровня. Это необходимо для обеспечения некоторого минимального уровня энергии накопителя необходимого для осуществления минимум одной или нескольких зарядных сессий, что необходимо для комфортной эксплуатации ФЗС.

Основным критерием эффективности сетевых ФЗС является полнота использования энергии, вырабатываемой солнечными модулями. В процессе работы станции будут возникать интервалы времени, когда в периоды действия значительной солнечной инсоляции накопитель будет заряжен полностью. В этом случае энергия, вырабатываемая батареей солнечных модулей, не будет использована, что снижает эффективность работы станции в целом и увеличивает сроки окупаемости ФЗС. В случае если существует возможность передачи энергии, вырабатываемой солнечными модулями в электрическую сеть эта проблема частично снимается, но в ряде случаев такая возможность отсутствует. Для повышения степени использования вырабатываемой модулями энергии целесообразно увеличение емкости аккумуляторного накопителя, но это приводит к существенному увеличению стоимости станции. Также повысить эффективность использования вырабатываемой энергии можно за счет снижения потребления энергии от сети, но для нормального функционирования зарядной станции необходимо поддерживать уровень заряда накопителя на уровне одной или нескольких зарядных сессий вне зависимости от условий инсоляции.

Задача повышения эффективности использования солнечной энергии в сетевых ФЗС является одной из основных задач создания и проектирования данных станций. Эта задача решается за счет выбора оптимальных параметров ФЗС (емкость накопителя, установленная мощность солнечны модулей, углы позиционирования солнечных модулей и др.) и создания оптимального алгоритма энергетического менеджмента зарядной станции, управляющего энергетическими потоками.

Существующие алгоритмы работы сетевой ФЗС без накопителя энергии в общем случае предусматривают следующий порядок работы [1]:

- в случае если мощность, вырабатываемая солнечными модулями больше мощности необходимой для заряда электромобиля то энергия от сети, не потребляется, и избыточная вырабатываемая мощность может быть передана в сеть;

- в случае если выработка энергии солнечными модулями фактически отсутствует (низкая инсоляция из-за погодных условий, ночное время), то мощность, необходимая для заряда электромобиля потребляется от сети;

- в случае если мощность, вырабатываемая солнечными модулями меньше мощности необходимой для заряда электромобиля то дополнительная мощность потребляется от сети;

- в случае отсутствия электромобиля на зарядной станции вся вырабатываемая энергия поступает в сеть.

Существующие алгоритмы работы сетевой ФЗС с накопителем энергии в общем случае предусматривают дополнительно предусматривают следующие режимы работы [1]:

- в дневное время в случае отсутствия электромобиля на зарядной станции вся вырабатываемая солнечными модулями энергия приоритетно идет на заряд накопителя энергии, а после его полного заряда - в сеть.

- в ночное время при отсутствии электромобиля на зарядной станции и при условии, что накопитель не заряжен не полностью осуществляется его заряд от сети. Это особенно экономически целесообразно в случае двойной тарификации (дневной и ночной тарифы на электроэнергию).

- в случае если мощность, вырабатываемая солнечными модулями меньше мощности необходимой для заряда электромобиля (в том числе и при отсутствии инсоляции в ночное время) то необходимый добавочный уровень мощности потребляется от накопителя.

При этом в качестве входных данных алгоритмы энергетического менеджмента учитывают регулярно обновляемые почасовые данные предиктивной инсоляции, прогнозируемый уровень потребления, а также стоимость энергии потребления от сети (актуально для регионов с двойными тарифами на электроэнергию).

Общим недостатком данных типовых алгоритмов является то, что для их реализации необходимо обязательное выполнение двух условий:

- необходимость подключения к сети переменного тока с мощностью подключения равной максимальной мощности зарядной станции;

- возможность передачи энергии в сеть.

Выполнение первого условия значительно увеличивает капитальные затраты на установку зарядной станции, особенно для станций быстрого заряда, мощность единичного поста которых может превышать 100 кВт. Выполнение второго условия в ряде случаев невозможно, и в этом случае, после достижения полного заряда накопителя вырабатываемся солнечными модулями энергия не используется, что снижает энергетическую эффективность станции.

В работе [2] представлен способ работы солнечной зарядной станции с аккумуляторным накопителем электроэнергии без возможности передачи энергии в сеть и имеющий следующие особенности:

- в случае если мощность потребления электромобилем меньше текущей мощности вырабатываемой солнечными модулями и накопитель заряжен полностью, то избыточная энергия «сбрасывается» на балансную нагрузку, не имеющую прямой экономической целесообразности.

- в ночное время, аккумуляторный накопитель энергии обеспечивает заряд электромобилей до достижения полного разряда накопителя (минимально необходимого остаточного уровня заряда). При полном разряде накопителя в ночное время дальнейший заряд электромобилей обеспечивается за счет промышленной сети.

Недостатком данного решения является низкая эффективность использования вырабатываемой солнечными модулями энергии, в особенности при малой емкости накопителя, а также необходимость подключения к сети переменного тока с мощностью подключения равной максимальной мощности зарядной станции, что существенно увеличивает стоимость инсталляции станции.

В работе [3] представлен способ работы сетевой солнечной зарядной станции соединенной общей шиной постоянного тока и включающей сетевой накопитель энергии. Описанный способ содержит жесткие пороги заряда накопителя, регламентирующие режим работы накопителя и предусматривающий передачу энергии в сеть при полном заряде накопителя и заряде всех подключенных к сетевой станции электромобилей. Данное решение способы работы подходит для станций, интегрированных в энергосистему коттеджного поселка и не подходит для использования в составе коммерческих станций, в особенности станций быстрого заряда.

Известен алгоритм работы зарядной станции с солнечными модулями представленная в работе [4] включающий заряд накопителя в случае наличия избыточной генерации мощности, превышающей мощность потребления при заряде электромобиля и его разряд в случае недостатка мощности. При полном заряде накопителя энергия от солнечных модулей поступает в сеть, а при полном разряде потребляется от сети. Особенностью способа является то, что в случае, если мощность потребления превышает максимальную мощность накопителя при неразряженном накопителе, то дополнительная мощность потребляется от сети. В случае, если мощность солнечной генерации превышает максимальную мощность заряда накопителя при незаряженном накопителе, то избыточная мощность потребляется от сети. Недостатком описанного способа работы станции является невозможность заряда накопителя от электрической сети, что приводит к необходимости высокой мощности подключения станции. В работе показано, что основной пик потребления энергии от сети приходится на вторую половину суток (интервал 13.00-20.00).

При создании заявляемого изобретения решается задача повышения эффективности использования солнечной энергии вырабатываемой фотоэлектрическими модулями сетевой зарядной станции за счет использования данных прогноза выработки/потребления энергии.

Техническим результатом является повышение эффективности использования солнечной энергии от фотоэлектрических модулей за счет управления балансом мощностей заряда накопителя от сети и от солнечных модулей.

Технический результат достигается тем, что способ управления фотоэлектрической зарядной станцией с накопителем электрической энергии и подключенной к электрической сети обеспечивающий максимально полное использование вырабатываемой солнечными модулями энергии, включается в себя: разделение суточного цикла работы зарядной станции на интервалы времени, определение для каждого из интервалов минимального базисного уровня заряда накопителя обеспечивающего нормальный режим эксплуатации зарядной станции, определение в процессе работы станции по окончании текущего интервала прогнозных значений выработки и потребления электрической энергии на следующий будущий интервал времени, расчет в процессе работы станции величины потребляемой от сети энергии на следующем будущем интервале времени как разности между разностью установленного ранее базисного значения энергии заряда накопителя для следующего будущего интервала и значением энергии накопителя на окончание предыдущего прошедшего интервала и разностью между прогнозными значениями выработки и потребления электрической энергии на следующий будущий интервал времени.

При этом в некоторых вариантах реализации способа управления фотоэлектрической зарядной станцией с накопителем энергии и подключенной к электрической сети суточный цикл работы зарядной станции может разбиваться на равные или неравные между собой интервалы времени.

Сущность изобретения заключается в способе управления процессом заряда аккумуляторного накопителя, в котором на основе данных прогноза выработки энергии солнечными модулями и прогноза потребления в ходе зарядных сессий электромобилей при котором для каждого интервала времени определяется уровень потребления энергии от сети для дополнительного заряда накопителя до некоторого базисного уровня, обеспечивающего нормальный режим работы зарядной станции.

Базовыми входными параметрами алгоритма энергетического менеджмента являются суточный график солнечной инсоляции и суточный график нагрузки. Суточный график солнечной инсоляции зависит от географической локации местности установки ФЗС, углов наклона солнечных модулей, времени года, уровня облачности. Данный график имеет априори детерминированные и заранее известные параметры с корректировкой на облачность. Суточный график нагрузки имеет менее определенную форму, но закономерности суточных графиков потребления выявляются при обработке большого массива данных за длительный период времени и позволяют сформировать усредненный среднесуточный график потребления. Способ управления процессом заряда накопителя заключается в расчете в режиме реального времени мощности дополнительного заряда накопителя на основе данных прогноза потребления в процессе зарядных сессий электромобилей и прогноза выработки энергии солнечными модулями.

Уравнение баланса энергии заряда накопителя в общем виде записывается как:

где W_PB (t) - энергия накопителя, W_PV (t) - энергия выработки солнечными модулями, W_PL (t) - энергия, потребленная от сети, W_EV (t) - энергия потребления электромобилями во время зарядных сессий. С учетом ограничения максимальной энергии заряда емкостью аккумулятора W_{PB_max} уравнение баланса энергии принимает вид:

Откуда следует уравнение для определения энергии, потребляемой от сети:

или, преобразуя:

Здесь выражение в первых квадратных скобках определяет свободную емкость аккумуляторной батареи. Выражение во-вторых квадратных скобках разностный баланс выработки и потребления электрической энергии. Таким образом, для полного использования энергии, вырабатываемой солнечными модулями, энергия потребления от сети к моменту времени t определяется как разность между энергией свободной емкости аккумуляторной батареи и разностным балансом выработки и потребления электрической энергии.

Переходя к выражениям для мощности и накладывая условие полного (или частичного) заряда аккумуляторного накопителя к окончанию суточного цикла (момент времени Т), выражение преобразуется к виду:

Правая часть выражения определяет энергию, которую необходимо потребить от сети за интервал времени от момента времени t до окончания суточного цикла Т. Выражение в первых квадратных скобках определяет свободную емкость аккумуляторной батареи к моменту времени t. Выражение во вторых квадратных скобках разностный баланс выработки и потребления электрической энергии за оставшуюся часть суточного цикла определяемый как разность прогнозных значений мощности выработки энергии солнечными модулями и мощности потребления электромобилями.

Значительную часть времени суточного цикла суммарная уровень энергии потребления от сети до окончания суточного цикла превышает уровень энергии свободной емкости накопителя, и при этом целесообразно при необходимости осуществлять подзаряд накопителя от через некоторые интервалы времени, например, ежечасно. Кроме этого, при работе зарядной станции практически важно обеспечить некоторый минимальный базисный уровень заряда накопителя W_{PB_base} необходимый для обеспечения одной или нескольких зарядных сессий электромобилей. Величина этого базисного уровня заряда определяется для каждого интервала времни исходя из среднестатистического трафика единичной зарядной сессии на конкретной зарядной станции и частоте зарядных сессий. При этом величина базисного уровня после окончания цикла солнечной инсоляции становится равной максимальной энергии заряда емкостью аккумулятора W_{PB_max}.

Согласно этим условиям от сети выражение для мощности, потребляемой в течение единичного интервала времени от сети рассчитывается по выражению:

Переходя к интегральным значениям - энергиям, выражение перезапишем в виде:

Здесь выражение в первых квадратных скобках определяет необходимый уровень дозаряда накопителя до базисного уровня W_{PB_base} от текущего уровня заряда на начало интервала W_PB(t_i) в течение текущего интервала времени от t_i до t_i+1. Выражение во-вторых квадратных скобках представляет собой разностный баланс прогнозных значений выработки и потребления электрической энергии на начало текущего интервал времени. Согласно данному выражению при достаточной генерации и небольшом потреблении мощность, потребляемая в течение единичного интервала времени от сети может принимать отрицательные значения. В этом случае энергия от сети не потребляется, а избыточная выработка энергии полностью идет на заряд накопителя. К началу следующего интервала времени обновляется прогноз данных генерации и потребления с учетом фактических данных прошедшего интервала.

На основе данного математического выражения формулируется способ управления зарядной станцией обеспечивающий максимально полное использование энергии, вырабатываемой солнечными модулями при котором энергия для подзаряда накопителя до некоторого базисного значения потребляется от сети через некоторые интервалы времени и величина потребляемой энергии на каждом из интервалов времени определяется разностью между разницей базисного значения энергии заряда накопителя для заданного интервала и текущим значением энергии накопителя на начало интервала и разностным балансом прогнозных значений выработки и потребления электрической энергии за текущий интервал времени.

Данный способ управления представлен на рис. 1. где схематично отображены типовые суточные графики мощности выработки электрической энергии за счет солнечной инсоляции PV, график мощности потребления электромобилями EV, график мощности потребления от сети PL.

Видно, что предложенный способ обеспечивает ступенчатый предиктивный график потребления от сети на интервале интервала времени от t_i до t_i+1 на основе данных прогноза на этот интервал сформированный к окончанию интервала от t_i-1 до t_i.

Таким образом заявленный способ управления фотоэлектрической зарядной станцией за счет того, что на начало каждого из интервалов времени работы станции определяется текущая разность между целевым базисным значением энергии заряда накопителя и фактическим уровнем заряда и оценивается прогнозное значение баланса потребления электромобилями и выработки солнечными модулями за интервал времени позволяет достичь решение указанной выше задачи повышения эффективности использования генерируемой солнечной энергии. Разность между этими энергиями и определяет необходимое потребление энергии от сети за время текущего интервала времени для обеспечения некоторого минимального базисного уровня энергии заряда накопителя, при котором обеспечивается нормальный режим эксплуатации фотоэлектрической зарядной станции.

Предложенный способ может быть использован для создания сетевых зарядных станций электромобилей с быстрым зарядом электромобилей при отсутствии возможности подведения значительной мощности подключения к зарядной станции и/или отсутствием возможности передачи вырабатываемой электрической энергии в электрическую сеть.

ЛИТЕРАТУРА

1. Abdul Rauf Bhatti, Zainal Salam, Mohd Junaidi Bin Abdul Aziz and Kong Pui Yee. A critical review of electric vehicle charging using solar photovoltaic. INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY RESEARCH Int. J. Energy Res. 2016; 40:439 461.

2. T.S. Biya, Dr. M.R. Sindhu. Design and Power Management of Solar Powered Electric Vehicle Charging Station with Energy Storage System. Proceedings of the Third International Conference on Electronics Communication and Aerospace Technology [ICECA 2019] IEEE Conference Record # 45616; IEEE Xplore ISBN: 978-1-7281-0167-5.

3. Dominic A. Savio, Vimala A. Juliet, Bharatiraja Chokkalingam, Sanjeevikumar Padmanaban, Jens Bo Holm-Nielsen, Frede Blaabjerg. Photovoltaic Integrated Hybrid Microgrid Structured Electric Vehicle Charging Station and Its Energy Management Approach. Energies 2019, 12, 168; doi:10.3390/enl2010168.

4. G.R. Chandra Mouli et al. System design for a solar powered electric vehicle charging station for workplaces. / Applied Energy 168 (2016) 434-443.

Изобретение относится к способу управления фотоэлектрической зарядной станцией с накопителем электрической энергии, подключенной к электрической сети, обеспечивающему максимально полное использование вырабатываемой солнечными модулями энергии. Способ управления включает в себя: разделение суточного цикла работы зарядной станции на интервалы времени; определение для каждого из интервалов минимального базисного уровня заряда накопителя, обеспечивающего нормальный режим эксплуатации зарядной станции; определение в процессе работы станции по окончании текущего интервала прогнозных значений выработки и потребления электрической энергии на следующий будущий интервал времени; расчет в процессе работы станции величины потребляемой от сети энергии на следующем будущем интервале времени как разности между разностью установленного ранее базисного значения энергии заряда накопителя для следующего будущего интервала и значением энергии накопителя на окончание предыдущего прошедшего интервала и разностью между прогнозными значениями выработки и потребления электрической энергии на следующий будущий интервал времени. Достигается повышение эффективности использования солнечной энергии. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления фотоэлектрической зарядной станцией с накопителем электрической энергии, подключенной к электрической сети, обеспечивающий максимально полное использование вырабатываемой солнечными модулями энергии, включающий в себя: разделение суточного цикла работы зарядной станции на интервалы времени, определение для каждого из интервалов минимального базисного уровня заряда накопителя, обеспечивающего нормальный режим эксплуатации зарядной станции, определение в процессе работы станции по окончании текущего интервала прогнозных значений выработки и потребления электрической энергии на следующий будущий интервал времени, расчет в процессе работы станции величины потребляемой от сети энергии на следующем будущем интервале времени как разности между разностью установленного ранее базисного значения энергии заряда накопителя для следующего будущего интервала и значением энергии накопителя на окончание предыдущего прошедшего интервала и разностью между прогнозными значениями выработки и потребления электрической энергии на следующий будущий интервал времени.

2. Способ управления фотоэлектрической зарядной станцией с накопителем энергии, подключенной к электрической сети, по п.1, отличающийся тем, что суточный цикл работы зарядной станции может быть разбит на равные или неравные между собой интервалы времени.