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基于燃料NEC锂电池、电力电池和光伏电池的混合动力车辆V2G系统的设计与评估
发布时间：2026-08-04 19:49:34 点击： 次
随着化石燃料的持续消耗，可再生能源在电动汽车中的应用引起了广泛关注。与此同时，车网到电网（V2G）技术的普及促进了电动汽车与电网的深度整合。然而，目前关于将光伏（PV）系统整合进车辆能源系统并结合V2G技术的研究仍然不够充分。因此，本文提出基于平台的光伏电池-燃料电池-电力电池混合储能总线（PEB），探讨其与电网（PEB-V2G）的交互应用。研究采用功率跟随策略（PFS）来控制三电系统，确保直流母线的精确调节和功率电流的有效追踪。此外，还提出了一个通用框架以优化V2G能源模型，包括针对V2G事件的策略调整和灵活性评估。研究结果显示，在城市条件下，PEB的电池SOC相比燃料电池电动汽车（FCEV）提高了1.24%，为后续车辆并网提供了支持。PEB-V2G系统在高峰期可提供超过100兆瓦的电力，并通过光伏系统在3小时内迅速从V2G事件中恢复。这些创新通过新能源车桥接，促进了可再生能源与电网的深度互动，有助于减少温室气体排放并增强电网稳定性。
简介
与传统的电力系统发电方式不同，FCEV可以利用更清洁、更高效的氢气，将氢气集成到电力系统中，或利用小规模蓄电池的电力[7,8]。然而，目前全球氢气生产中有相当一部分依赖化石燃料，其中62%来自天然气（主要是甲烷），21%来自煤炭中的氢气，而低排放技术则不到1%[9]。以这种方式将氢气用于燃料电池发电和电网整合，不符合清洁能源标准。通常，为了克服燃料电池功率特性的限制，FCEV电力系统常常需要与小规模蓄电池协作。然而，如果这些小规模储能电池通过V2G操作实现峰值缩短，可能导致过载、V2G事件后电池恢复变慢，并影响车辆正常运行，这些都是不理想的结果。
光伏（PV）系统和燃料电池在微电网中的应用已被广泛研究。Tang等人[10]考虑了在光伏发电系统中使用超级电容器和氢气组件（如电解槽和燃料电池）的电氢混合储能系统。为了提升光伏氢微电网的效率，Fabrice等人[11]提出了多级电力与能源管理系统（MSPEMS）。此外，Alharbi 等人[12]利用鲸鱼优化算法（WOA）优化了直流微电网中考虑效率和氢气消耗的组件负载。尽管光伏系统和燃料电池在微电网中广泛应用，但由于空间限制，它们在车辆中的应用相对有限。然而，光伏电池板效率的进步使其在车辆上的应用变得越来越可行。Mallon等人[13]建议通过集成光伏组件来提升电动汽车（EV）的续航和电池寿命，现场测试显示年供能潜力高达8881千瓦时。Abdelhamid 等人[14]比较了多种商业光伏电池板用于电动汽车供电，得出结论：单晶硅模块最适合低速轻量化电动汽车。基于这些研究，光伏技术在电动汽车领域展现出有前景的应用。本文提出了一种针对公共交通场景的光伏-燃料电池-混合储能系统的概念。与FCEV相比，PEB将光伏集成到储能系统中，以增强电池充电状态（SOC）维护，并在V2G事件中提供额外的能量储备。这一整合确保了V2G事件后电池的及时充电，从而维持车辆的正常运行。
车辆到电网的主要目标是通过将单向充电过程改进为受控的充放电过程，提升电力系统的可靠性[15]。双向能量流动和先进的能源管理系统能带来诸多好处。首先，V2G技术通过向电网供电，解决了峰值用电需求，从而减轻了电力系统的压力。此外，它通过无功功率补偿稳定电网，并通过利用可再生能源降低温室气体排放[16,17]。然而，V2G技术面临诸多挑战。多系统之间的有效交互需要高度可靠的V2G技术，因此必须建立有效的监管框架，以确保V2G事件不会干扰车辆的正常运行[18,19]。V2G技术的研究取得了显著进展。例如，Shi 等人[20]分析了可再生能源和电动汽车在与电网交互过程中作为不确定性预测集的建模，证明V2G在多种实际约束条件下能够降低运营成本，并提升微电网系统的经济可行性。Tang 等人[21]提出了基于电价指导原则和优化充电站规划模型的V2G响应模型，嵌入了配电网络中高光伏渗透率，表明V2G行为显著影响配电网络运营效率。Sarabi等人[22]利用高斯混合模型（GMM）量化了PEV的可用性及不确定性的影响，并利用Copula函数建模了随机变量对每支车队AVP的相互依赖关系。他们的研究结果表明，V2G服务在中压网络中减少峰值功率、频率调节、最小化损耗和降低输电成本方面，竞争力优于低压网络。Qing等人[23]建立了评估出租车车队V2G潜力的通用框架，模拟显示V2G系统能在高峰时段为电力系统提供额外能量补充，并在非高峰时段回收电网能量。上述研究及本文贡献总结于表1。
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对于能源类型：PV代表光伏电池，SC代表超级电容器，FC代表燃料电池，BA代表电池。 - ●
在应用场景中：微电网主要应用于微电网，车辆则主要应用于车辆电力系统。
尽管V2G领域的现有研究取得了一些进展，但将光伏系统与燃料电池结合的车网交互技术应用仍存在不足，具体体现在以下两个方面：首先，光伏在车辆端的应用相对有限。其次，现有技术未能有效解决车辆电池SOC在V2G事件后恢复缓慢的问题。此外，大量电动汽车的无序充放电将对配电网络的运行产生重大影响。本文的主要贡献如下。
- 1.
首次提出了集成光伏（PV）、燃料电池和电源电池的三电混合动力总线（PEB），并通过PFS策略验证其可行性。 - 2.
基于电池SOC和车辆运行条件建立了PEB-V2G交互模型，并提出了一种自下而上模拟方法，以模拟该系统在各种条件下的性能和灵敏度。这种方法可推广到相关研究领域。 - 3.
为PEB-V2G系统建立了一套控制策略框架，兼顾了总线的运行端和电力系统的需求端，充分发挥了PEB作为可调度资源的灵活性。
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