淺談居民小區(qū)電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在居民小區(qū)無(wú)序充電對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題，提出一種采用延遲充電的電動(dòng)汽車(chē)有序充電控制策略，并在分析國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)有序充電的研究現(xiàn)狀后，設(shè)計(jì)了居民小區(qū)電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略的總體框架。該策略采用延遲充電對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序充電控制，通過(guò)計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)的充電優(yōu)先級(jí)來(lái)確定用戶(hù)開(kāi)始充電的時(shí)間以保證離開(kāi)時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的荷電狀態(tài)，很大程度達(dá)到用戶(hù)期望荷電狀態(tài)。通過(guò)算例仿真分析，證明提出的延遲充電策略可在滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)；有序充電；延遲充電；削峰填谷；儲(chǔ)能

0引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類(lèi)對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，能源被大量消耗，產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。機(jī)動(dòng)車(chē)輛已經(jīng)成為生產(chǎn)生活中的一部分，使用燃油車(chē)無(wú)疑會(huì)增加 CO2的排放。雖然新能源發(fā)電被越來(lái)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(dòng)的，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成影響，產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題。因此，減少燃油車(chē)的使用，從燃油動(dòng)力汽車(chē)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicle，EV）是解決汽車(chē)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(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展起著越來(lái)越大的作用。隨著EV的大規(guī)模使用，有序充電對(duì)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(wèn)題。目前針對(duì)EV充電的研究?jī)?nèi)容主要涉及充電負(fù)荷預(yù)測(cè)、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(duì)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(chē)規(guī)律性強(qiáng)、可控性強(qiáng)、方便調(diào)研等優(yōu)勢(shì)，因此將居民小區(qū)作為研究對(duì)象，針對(duì)EV在居民小區(qū)充電過(guò)程中隨機(jī)停放且無(wú)序充電對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)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(kāi)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(duì)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(hù)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(dòng)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(chē)時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算方法為 TS = tout - tback，（1）式中：TS為用戶(hù)駐車(chē)時(shí)長(zhǎng)，h；tout為用戶(hù)外出時(shí)刻；tback為用戶(hù)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(kāi)始時(shí)刻；Tcha為充電時(shí)長(zhǎng)，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(jí)計(jì)算方法為 γ = 1 - TS - Tcha 24 - Tout ，（5）式中：γ為EV充電優(yōu)先級(jí)。

在設(shè)計(jì)EV的充電優(yōu)先級(jí)時(shí)，設(shè)置當(dāng)γ=1時(shí)的優(yōu)先級(jí)高，EV優(yōu)先進(jìn)行充電；γ=0 時(shí)的優(yōu)先級(jí)較低，EV*后進(jìn)行充電。為了讓EV在車(chē)主離開(kāi)小區(qū)時(shí)處于滿(mǎn)電狀態(tài)，需要設(shè)置車(chē)主的優(yōu)先級(jí)γ=1，確保EV電池狀態(tài)達(dá)到滿(mǎn)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(duì)延遲充電條件的設(shè)置，通過(guò)對(duì)滿(mǎn)足條件的EV延遲充電且不影響用戶(hù)的期望充電量為基礎(chǔ)，完成對(duì)居民小區(qū)EV有序充電的控制。當(dāng)用戶(hù)把 EV連接到充電樁時(shí)，可通過(guò)充電樁的人機(jī)交互界面對(duì)EV的期望荷電狀態(tài)、用戶(hù)預(yù)計(jì)離開(kāi)時(shí)刻進(jìn)行設(shè)定。充電樁通過(guò)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(duì)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(cè)有無(wú)EV接入，若有則判斷是否符合延遲充電條件，若無(wú)EV接入則轉(zhuǎn)入步驟

3. 延遲充電條件：EV離開(kāi)時(shí)刻在谷時(shí)段開(kāi)始之后，且用戶(hù)返回時(shí)刻到*遲充電完成時(shí)刻的時(shí)長(zhǎng)大于EV充電所需時(shí)間。若上述延遲充電條件均滿(mǎn)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(duì)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(hù)期待荷電。

（4）有序充電控制中臺(tái)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(jí)EV。

（5）若EV充電優(yōu)先級(jí) γ=1，則有序充電控制器對(duì)充電樁下達(dá)命令使其對(duì)EV進(jìn)行充電，若充電優(yōu)先級(jí)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(duì)EV進(jìn)行充電，記錄開(kāi)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(jí)的EV，判斷是否可以進(jìn)行充電，直到充電優(yōu)先級(jí)γ≠1 且功率裕度小EV充電功率（判定優(yōu)先級(jí)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(zhǎng)時(shí)開(kāi)始充電、當(dāng)停留時(shí)長(zhǎng)等于充電時(shí)長(zhǎng)時(shí)開(kāi)始充電。其他充電優(yōu)先γ≠1的車(chē)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(kāi)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(guò)程，通過(guò)問(wèn)卷收集了15條居民小區(qū)EV充電數(shù)據(jù)，見(jiàn)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(mǎn)足優(yōu)先級(jí)但不具體根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行有序充電的情況下，對(duì)上述控制邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，結(jié)果如圖3所示，并與即充即走的無(wú)序充電模式進(jìn)行對(duì)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(jiàn)：C，G， H，I，J，K，L 號(hào) EV 均可在峰谷時(shí)進(jìn)行充電。但由于沒(méi)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(kāi)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(lái)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(wú)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(duì)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(guò)問(wèn)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(guò)問(wèn)卷獲取EV離開(kāi)社區(qū)的時(shí)間和EV充滿(mǎn)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(kāi)小區(qū)時(shí)間

圖7 EV 充電時(shí)長(zhǎng)

對(duì)用戶(hù)充電行為進(jìn)行如下假設(shè)。

1. 用戶(hù)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(hù)期望駕車(chē)離開(kāi)時(shí)EV電池電量為100%。

（4）變壓器的負(fù)荷紅線(xiàn)為1100kW。

2.2仿真結(jié)果

利用提出的EV有序充電策略對(duì)案例進(jìn)行仿真分析，可得出有序充電和無(wú)序充電波動(dòng)曲線(xiàn)如圖8所示。從有序充電和無(wú)序充電曲線(xiàn)的波動(dòng)可以看出，不采用有序充電策略，EV充電處于大規(guī)模無(wú)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(guò)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(wú)序充電負(fù)荷對(duì)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(wú)序充電充電模式和有序充電模式下的峰谷差，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2無(wú)序充電充電模式和有序充電模式下負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)： 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(wú)序充電充電模式時(shí)的總峰值，且無(wú)序充電充電模式已經(jīng)超過(guò)負(fù)荷的紅線(xiàn)（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(wú)序充電充電模式峰谷差的1/2。可見(jiàn)提出的基于EV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(duì)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(yíng)云平臺(tái)

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)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(xún)等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)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(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應(yīng)用場(chǎng)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(hù)端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車(chē)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(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶(hù)端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)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(hù)提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺(tái)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(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、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(guò)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(tái)管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對(duì)其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷(xiāo)等操作，可查看小區(qū)用戶(hù)每日的充電交易詳細(xì)信息。 3.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)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(guò)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(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，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(xún)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(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶(hù)，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)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(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)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(duì)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(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)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(hù)使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)束語(yǔ)

EV的充電周期與人們的生活習(xí)慣密切相關(guān)。隨著全國(guó)EV保有量逐年增多，EV大量無(wú)序充電的 充電模式將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，因此有必要對(duì)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(guò)程中遇到的問(wèn)題。

2. 介紹了EV充電策略的理論基礎(chǔ)，對(duì)EV充電的模式進(jìn)行了分析，然后針對(duì)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(duì)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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