韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：針對電動(dòng)汽車(chē)在居民小區無(wú)序充電對電網(wǎng)系統產(chǎn)生嚴重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(cháng)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，并在分析國內外電動(dòng)汽車(chē)有序充電的研究現狀后，設計了居民小區電動(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電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序充電控制，通過(guò)計算電動(dòng)汽車(chē)的充電優(yōu)先級來(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)對電動(dòng)汽車(chē)充電量期望的同時(shí)達到削峰填谷的作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；有序充電；延遲充電；削峰填谷；儲能

0引言

隨著(zhù)世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類(lèi)對能源需求的不斷增長(cháng)，能源被大量消耗，產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。機動(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波動(dòng)的，會(huì )對電力系統造成影響，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。當前電網(wǎng)系統的有序充電對智能電網(wǎng)的發(fā)展起著(zhù)越來(lái)越大的作用。隨著(zhù)EV的大規模使用，有序充電對電網(wǎng)及分布式能源的重要性日益增強，需要解決EV充電問(wèn)題。目前針對EV充電的研究?jì)热葜饕婕俺潆娯摵深A測、V2G、EV參與輔助服務(wù)、配電網(wǎng)規劃、充電站規劃等,也有一些學(xué)者對EV充電分層分區調度策略進(jìn)行了研究。居民小區具有用車(chē)規律性強、可控性強、方便調研等優(yōu)勢，因此將居民小區作為研究對象，針對EV在居民小區充電過(guò)程中隨機停放且無(wú)序充電對電網(wǎng)系統產(chǎn)生的嚴重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(cháng)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

EV充電將成為居民區電力需求的重要組成部分，需要從配電網(wǎng)規劃原則和負荷分布的影響等方面展開(kāi)研究。結合概率收費模型和電力消費數據，在標準中定義的不同充電功率下，隨機模擬不受控制、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)充電費用，提高經(jīng)濟性，保證EV與電網(wǎng)的協(xié)調互動(dòng)發(fā)展。EV有序充電控制架構如圖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(cháng)的計算方法為 TS = tout - tback，（1）式中：TS為用戶(hù)駐車(chē)時(shí)長(cháng)，h；tout為用戶(hù)外出時(shí)刻；tback為用戶(hù)返回時(shí)刻。EV結束充電時(shí)刻tover的表達式為 tover = tstart + Tcha，（2）式中：tstart為充電開(kāi)始時(shí)刻；Tcha為充電時(shí)長(cháng)，h。設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充電之外的日常負荷，kW。EVi進(jìn)行有序充電的優(yōu)先級計算方法為 γ = 1 - TS - Tcha 24 - Tout ，（5）式中：γ為EV充電優(yōu)先級。

在設計EV的充電優(yōu)先級時(shí)，設置當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(chē)主離開(kāi)小區時(shí)處于滿(mǎn)電狀態(tài)，需要設置車(chē)主的優(yōu)先級γ=1，確保EV電池狀態(tài)達到滿(mǎn)電狀態(tài)。

1.3有序充電策略具體執行方式

EV有序充電設計重要的部分是對延遲充電條件的設置，通過(guò)對滿(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，完成對居民小區EV有序充電的控制。當用戶(hù)把 EV連接到充電樁時(shí)，可通過(guò)充電樁的人機交互界面對EV的期望荷電狀態(tài)、用戶(hù)預計離開(kāi)時(shí)刻進(jìn)行設定。充電樁通過(guò)充電控制系統獲得EV的電池信息，并將EV的充電負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從計算充電序列中剔除。

2. 檢測有無(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(cháng)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EV充電以保證充電結束時(shí)的電池電量較大程度接近用戶(hù)期待荷電。

（4）有序充電控制中臺采集t時(shí)刻該小區實(shí)時(shí)負荷信息，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命令使其對EV進(jìn)行充電，若充電優(yōu)先級γ≠1，則采用當日制定的功率限制值計算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(kāi)始時(shí)間，計算結束時(shí)間，并更新功率裕度，繼續尋找本時(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EV在t時(shí)刻到*遲完成充電時(shí)刻等于充電所需時(shí)長(cháng)時(shí)開(kāi)始充電、當停留時(shí)長(cháng)等于充電時(shí)長(cháng)時(shí)開(kāi)始充電。其他充電優(yōu)先γ≠1的車(chē)輛均根據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，是則結束循環(huán)，控制結束，否則重新執行步驟

為更加直觀(guān)地展現上述過(guò)程，通過(guò)問(wèn)卷收集了15條居民小區EV充電數據，見(jiàn)表1。

表1 居民小區EV充電數據

假設該小區的峰谷時(shí)段為21：00至次日08：00。在不考慮功率限制、僅滿(mǎn)足優(yōu)先級但不具體根據優(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(jiǎn)單的模擬，結果如圖3所示，并與即充即走的無(wú)序充電模式進(jìn)行對比。圖3中藍色為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 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，導致原本可以延遲充電的EV在到達小區時(shí)就立即開(kāi)始充電，導致用電高峰時(shí)有大量EV接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，給小區的變壓器帶來(lái)很大的負擔，甚至會(huì )產(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(zhù)降低了用電高峰期的變壓器負荷，同時(shí)利用夜晚用電谷時(shí)段進(jìn)行充電，達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)行試驗算例分析，并利用仿真結果證明有序充電策略的有效性。

2.1參數設置

為進(jìn)行仿真分析，通過(guò)問(wèn)卷調查獲取小區EV回到社區的時(shí)間如圖5所示。所采訪(fǎng)小區的用電負荷高峰出現在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 返回小區時(shí)間

圖6EV 離開(kāi)小區時(shí)間

圖7 EV 充電時(shí)長(cháng)

對用戶(hù)充電行為進(jìn)行如下假設。

1. 用戶(hù)出行數據取自圖5—7，共計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95%。

（4）變壓器的負荷紅線(xiàn)為1100kW。

2.2仿真結果

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(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充電處于大規模無(wú)序狀態(tài)，且EV的充電高峰期出現在一天中的用電高峰期到凌晨。此時(shí)電網(wǎng)系統的用電量即為負荷的高峰，電網(wǎng)系統的負荷壓力也很大。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)的安全運行，降低電網(wǎng)系統的負荷壓力。

圖8 EV有序充電于無(wú)序充電負荷對比

為了更直觀(guān)地體現有序充電的控制效果，計算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荷數據對比可見(jiàn)： EV數量相同的情況下，有序充電模式的負荷總峰值遠小于無(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)負荷的紅線(xiàn)（1100kW），而有序充電模式可以保證負荷的穩定性；從負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?？梢?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，并達到削峰填谷、錯峰充電的目的，對EV的推廣具有一定的積極意義。

1. 安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(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數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；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應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統結構

3.3.1系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據中心層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據中心層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

3.4.2.實(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(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

平臺管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。3.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

3.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

3.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、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、凍結和解綁。

3.4.7運維APP

面向運維人員使用，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(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，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系統硬件配置

4結束語(yǔ)

EV的充電周期與人們的生活習慣密切相關(guān)。隨著(zhù)全國EV保有量逐年增多，EV大量無(wú)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的EV充電進(jìn)行合理規劃，提出合理的家用EV充電策略，確保電網(wǎng)充電區域的安全穩定運行。

1. 從EV充電的選擇策略著(zhù)手進(jìn)行研究，介紹了E有序充電的基礎理論，分析了大規模 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，對EV充電的模式進(jìn)行了分析，然后針對居民小區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 夠實(shí)現EV有序充電，并有效降低充電總峰值，達到削峰填谷、錯峰充電的目的，表明提出的有序充電策略方法設計的有效性。

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作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統研發(fā)工作