淺談居民小區(qū)電動汽車有序充電策略研究

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：針對電動汽車在居民小區(qū)無序充電對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重隱患及充電間時(shí)過長問題，提出一種采用延遲充電的電動汽車有序充電控制策略，并在分析國內(nèi)外電動汽車有序充電的研究現(xiàn)狀后，設(shè)計(jì)了居民小區(qū)電動汽車有序充電策略的總體框架。該策略采用延遲充電對電動汽車進(jìn)行有序充電控制，通過計(jì)算電動汽車的充電優(yōu)先級來確定用戶開始充電的時(shí)間以保證離開時(shí)電動汽車的荷電狀態(tài)，很大程度達(dá)到用戶期望荷電狀態(tài)。通過算例仿真分析，證明提出的延遲充電策略可在滿足用戶對電動汽車充電量期望的同時(shí)達(dá)到削峰填谷的作用。

關(guān)鍵詞：電動汽車；有序充電；延遲充電；削峰填谷；儲能

0引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類對能源需求的不斷增長，能源被大量消耗，產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。機(jī)動車輛已經(jīng)成為生產(chǎn)生活中的一部分，使用燃油車無疑會增加 CO2的排放。雖然新能源發(fā)電被越來越多地引入電網(wǎng)，如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等。但由于二者的功率輸出是隨機(jī)波動的，會對電力系統(tǒng)造成影響，產(chǎn)生電能質(zhì)量問題。因此，減少燃油車的使用，從燃油動力汽車轉(zhuǎn)向電動汽車（Electric Vehicle，EV）是解決汽車造成的環(huán)境污染的有效手段。當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)的有序充電對智能電網(wǎng)的發(fā)展起著越來越大的作用。隨著EV的大規(guī)模使用，有序充電對電網(wǎng)及分布式能源的重要性日益增強(qiáng)，需要解決EV充電問題。目前針對EV充電的研究內(nèi)容主要涉及充電負(fù)荷預(yù)測、V2G、EV參與輔助服務(wù)、配電網(wǎng)規(guī)劃、充電站規(guī)劃等,也有一些學(xué)者對EV充電分層分區(qū)調(diào)度策略進(jìn)行了研究。居民小區(qū)具有用車規(guī)律性強(qiáng)、可控性強(qiáng)、方便調(diào)研等優(yōu)勢，因此將居民小區(qū)作為研究對象，針對EV在居民小區(qū)充電過程中隨機(jī)停放且無序充電對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重隱患及充電間時(shí)過長的問題，提出一種采用延遲充電的EV有序充電控制策略。

1 EV有序充電策略

1.1 EV有序充電控制架構(gòu)

EV充電將成為居民區(qū)電力需求的重要組成部分，需要從配電網(wǎng)規(guī)劃原則和負(fù)荷分布的影響等方面展開研究。結(jié)合概率收費(fèi)模型和電力消費(fèi)數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)中定義的不同充電功率下，隨機(jī)模擬不受控制、限制和價(jià)格優(yōu)化的 EV充電產(chǎn)生的影響。將大量EV推遲至用電谷時(shí)段進(jìn)行充電以減小EV充電對小區(qū)變壓器的沖擊，并且考慮到分時(shí)電價(jià)可減少用戶充電費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)性，保證EV與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動發(fā)展。EV有序充電控制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 EV有序充電控制框架

1.2延遲充電的充電變量定義

EV返回后駐車時(shí)長的計(jì)算方法為 TS = tout - tback，（1）式中：TS為用戶駐車時(shí)長，h；tout為用戶外出時(shí)刻；tback為用戶返回時(shí)刻。EV結(jié)束充電時(shí)刻tover的表達(dá)式為 tover = tstart + Tcha，（2）式中：tstart為充電開始時(shí)刻；Tcha為充電時(shí)長，h。設(shè)t時(shí)刻共有m輛EV進(jìn)行充電，則EV充電總 功率Pt，EV和功率Pa.t的表達(dá)式為 Pt，EV =∑PEV，（3）式中：PEV為EV荷電功率。Pa.t = Pmax - Pload - Pt，EV，（4）式中：Pmax為功率限值，kW；Pload為除EV充電之外的日常負(fù)荷，kW。EVi進(jìn)行有序充電的優(yōu)先級計(jì)算方法為 γ = 1 - TS - Tcha 24 - Tout ，（5）式中：γ為EV充電優(yōu)先級。

在設(shè)計(jì)EV的充電優(yōu)先級時(shí)，設(shè)置當(dāng)γ=1時(shí)的優(yōu)先級高，EV優(yōu)先進(jìn)行充電；γ=0 時(shí)的優(yōu)先級較低，EV*后進(jìn)行充電。為了讓EV在車主離開小區(qū)時(shí)處于滿電狀態(tài)，需要設(shè)置車主的優(yōu)先級γ=1，確保EV電池狀態(tài)達(dá)到滿電狀態(tài)。

1.3有序充電策略具體執(zhí)行方式

EV有序充電設(shè)計(jì)重要的部分是對延遲充電條件的設(shè)置，通過對滿足條件的EV延遲充電且不影響用戶的期望充電量為基礎(chǔ)，完成對居民小區(qū)EV有序充電的控制。當(dāng)用戶把 EV連接到充電樁時(shí)，可通過充電樁的人機(jī)交互界面對EV的期望荷電狀態(tài)、用戶預(yù)計(jì)離開時(shí)刻進(jìn)行設(shè)定。充電樁通過充電控制系統(tǒng)獲得EV的電池信息，并將EV的充電負(fù)荷信息上傳至有序充電控制器，有序充電控制器獲得各個(gè)EV的充電負(fù)荷信息后對EV的充電進(jìn)行控制，其實(shí)施流程如圖2所示，具體如下。

圖2采用延遲充電的EV有序充電流程

1. 在t時(shí)刻將已經(jīng)充電完成的EV從計(jì)算充電序列中剔除。

2. 檢測有無EV接入，若有則判斷是否符合延遲充電條件，若無EV接入則轉(zhuǎn)入步驟

3. 延遲充電條件：EV離開時(shí)刻在谷時(shí)段開始之后，且用戶返回時(shí)刻到*遲充電完成時(shí)刻的時(shí)長大于EV充電所需時(shí)間。若上述延遲充電條件均滿足則EV進(jìn)入有序充電控制器的充電等待序列中，否則立即對EV充電以保證充電結(jié)束時(shí)的電池電量較大程度接近用戶期待荷電。

（4）有序充電控制中臺采集t時(shí)刻該小區(qū)實(shí)時(shí)負(fù)荷信息，尋找充電等待序列優(yōu)先級EV。

（5）若EV充電優(yōu)先級 γ=1，則有序充電控制器對充電樁下達(dá)命令使其對EV進(jìn)行充電，若充電優(yōu)先級γ≠1，則采用當(dāng)日制定的功率限制值計(jì)算t時(shí)刻功率裕度判斷功率裕度是否大于EV充電功率。

（6）若功率裕度大于EV充電功率則對EV進(jìn)行充電，記錄開始時(shí)間，計(jì)算結(jié)束時(shí)間，并更新功率裕度，繼續(xù)尋找本時(shí)刻高優(yōu)先級的EV，判斷是否可以進(jìn)行充電，直到充電優(yōu)先級γ≠1 且功率裕度小EV充電功率（判定優(yōu)先級γ=1的邏輯為：當(dāng)EV在t時(shí)刻到*遲完成充電時(shí)刻等于充電所需時(shí)長時(shí)開始充電、當(dāng)停留時(shí)長等于充電時(shí)長時(shí)開始充電。其他充電優(yōu)先γ≠1的車輛均根據(jù)功率裕度判斷是否進(jìn)行充電）。

（7）判斷 t時(shí)刻是否晚于谷時(shí)段開始時(shí)刻，是則結(jié)束循環(huán)，控制結(jié)束，否則重新執(zhí)行步驟

為更加直觀地展現(xiàn)上述過程，通過問卷收集了15條居民小區(qū)EV充電數(shù)據(jù)，見表1。

表1 居民小區(qū)EV充電數(shù)據(jù)

假設(shè)該小區(qū)的峰谷時(shí)段為21：00至次日08：00。在不考慮功率限制、僅滿足優(yōu)先級但不具體根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行有序充電的情況下，對上述控制邏輯進(jìn)行簡單的模擬，結(jié)果如圖3所示，并與即充即走的無序充電模式進(jìn)行對比。圖3中藍(lán)色為EV充電時(shí)間，紅色為 EV可以進(jìn)行充電的時(shí)間。由圖 3 可見：C，G， H，I，J，K，L 號 EV 均可在峰谷時(shí)進(jìn)行充電。但由于沒有有序充電策略的幫助，導(dǎo)致原本可以延遲充電的EV在到達(dá)小區(qū)時(shí)就立即開始充電，導(dǎo)致用電高峰時(shí)有大量EV接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，給小區(qū)的變壓器帶來很大的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。

圖3即充即走的無序充電模式

如果采用有序充電策略，如圖4所示，21：00前用電高峰階段進(jìn)行充電的EV數(shù)量明顯減少，從9輛減少為5輛。同時(shí)，21：00后用電峰谷時(shí)段的充電EV由3輛增加至7輛，顯著降低了用電高峰期的變壓器負(fù)荷，同時(shí)利用夜晚用電谷時(shí)段進(jìn)行充電，達(dá)到了削峰填谷的目的。

2 EV有序充電算例分析

對提出的EV有序充電策略進(jìn)行試驗(yàn)算例分析，并利用仿真結(jié)果證明有序充電策略的有效性。

2.1參數(shù)設(shè)置

為進(jìn)行仿真分析，通過問卷調(diào)查獲取小區(qū)EV回到社區(qū)的時(shí)間如圖5所示。所采訪小區(qū)的用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在20：00，功率峰值約900kW，其次為12：00，功率峰值約600 kW。EV返回后電池平均剩余容量為 50%。通過問卷獲取EV離開社區(qū)的時(shí)間和EV充滿電所用時(shí)間分別如圖6及圖7所示。

圖5EV 返回小區(qū)時(shí)間

圖6EV 離開小區(qū)時(shí)間

圖7 EV 充電時(shí)長

對用戶充電行為進(jìn)行如下假設(shè)。

1. 用戶出行數(shù)據(jù)取自圖5—7，共計(jì)44輛EV，充電樁的配比為1∶1，可隨時(shí)接入充電樁，等待有序充電控制器的控制。

（2）充電樁為慢速交流充電裝置，充電功率為7kW，谷時(shí)段為22：00—次日08：00。

（3）EV每天返回后均進(jìn)行充電，用戶期望駕車離開時(shí)EV電池電量為100%。

（4）變壓器的負(fù)荷紅線為1100kW。

2.2仿真結(jié)果

利用提出的EV有序充電策略對案例進(jìn)行仿真分析，可得出有序充電和無序充電波動曲線如圖8所示。從有序充電和無序充電曲線的波動可以看出，不采用有序充電策略，EV充電處于大規(guī)模無序狀態(tài)，且EV的充電高峰期出現(xiàn)在一天中的用電高峰期到凌晨。此時(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)的用電量即為負(fù)荷的高峰，電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷壓力也很大。而在有序充電模式下，通過合理地安排EV充電順序，可有效縮短EV充電時(shí)間，并將原本在用電高峰期充電的EV安排到其他時(shí)間段充電，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行，降低電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷壓力。

圖8 EV有序充電于無序充電負(fù)荷對比

為了更直觀地體現(xiàn)有序充電的控制效果，計(jì)算44輛EV在無序充電充電模式和有序充電模式下的峰谷差，結(jié)果見表2。

從表2無序充電充電模式和有序充電模式下負(fù)荷數(shù)據(jù)對比可見： EV數(shù)量相同的情況下，有序充電模式的負(fù)荷總峰值遠(yuǎn)小于無序充電充電模式時(shí)的總峰值，且無序充電充電模式已經(jīng)超過負(fù)荷的紅線（1100kW），而有序充電模式可以保證負(fù)荷的穩(wěn)定性；從負(fù)荷的峰谷差可以看出，有序充電模式的峰谷差僅為無序充電充電模式峰谷差的1/2?？梢娞岢龅幕贓V延遲充電的有序充電策略可以有效控制EV充電安全，并達(dá)到削峰填谷、錯(cuò)峰充電的目的，對EV的推廣具有一定的積極意義。

1. 安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

3.4.2.實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

3.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。3.4.4故障管理

設(shè)備自動上報(bào)故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

3.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送。

3.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)束語

EV的充電周期與人們的生活習(xí)慣密切相關(guān)。隨著全國EV保有量逐年增多，EV大量無序充電的 充電模式將對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，因此有必要對居民區(qū)的EV充電進(jìn)行合理規(guī)劃，提出合理的家用EV充電策略，確保電網(wǎng)充電區(qū)域的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1. 從EV充電的選擇策略著手進(jìn)行研究，介紹了E有序充電的基礎(chǔ)理論，分析了大規(guī)模 EV充電過程中遇到的問題。

2. 介紹了EV充電策略的理論基礎(chǔ)，對EV充電的模式進(jìn)行了分析，然后針對居民小區(qū)充電充電模式提出了一種基于延遲充電的EV有序充電策略，并對充電策略的總體框架進(jìn)行了分析。

3. 以實(shí)際居民小區(qū)EV充電為例進(jìn)行仿真分析，證明了本文提出的EV有序充電策略的方法能 夠?qū)崿F(xiàn)EV有序充電，并有效降低充電總峰值，達(dá)到削峰填谷、錯(cuò)峰充電的目的，表明提出的有序充電策略方法設(shè)計(jì)的有效性。

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作者簡介

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)工作。