電動汽車有序充電策略

電動汽車有序充電策略是指在滿足電動汽車充電需求的前提下，運用實際有效地經濟或技術措施引導、控制電動汽車進行充電，對電網負荷曲線進行削峰填谷，使負荷曲線方差較小，減少了發電裝機容量建設，保證了電動汽車與電網的協調互動發展。大規模電動汽車接入電網後對電網影響的定量評估及以減少負面影響為目標的充電控制策略研究，已日益成為人們關注的熱點問題，而有序充電的概念隨之產生。

基本介紹

• 中文名：電動汽車有序充電策略
• 外文名：Electric car's ordered charging strategy
• 類型：電動汽車控制技術
• 作用：配合配電網運行，保證安全性
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

交通運輸是人類能源消耗最大的領域之一。如果電動汽車能夠替代燃油汽車得到廣泛使用，全球能源消耗結構將得到巨大的轉變，人類將向清潔能源利用，實現可持續發展邁進一大步。

在能源及環境壓力下，對可再生清潔能源的利用己成為未來電網發展的確定趨勢，由於波動性強、可控性差的特點，大規模可再生能源發電接入己對電網的安全穩定性造成了直接影響。同時由於負荷快速增長，引起的輸配電升級改造需求也為電網的運行造成了壓力。在發展清潔、經濟、高效電網的目標下，對用戶側資源的利用己成為智慧型配電網建設的重要目標和套用領域之一，需求回響技術是目前智慧型配電網技術的熱點內容，國內外己開展了多項研究和實踐項目，並取得了一定的成。需求回響技術以用戶側的負荷和電源為控制對象，改變用戶的用電方式，使用戶參與電網的運行，實現發電和用電的平衡。電動汽車是位於用戶側的可控負荷和儲能單元，電動汽車與電網的互動(Vehicle to grid, V2G) 可納入需求回響的研究範疇。

但隨著電動汽車規模化發展，大量電動汽車接入電網時，電動汽車對電網的影響是不容忽視的。對電網帶來的不利影響有:

1.負荷的增長。電動汽車接入電網充電增加了電力系統負荷，若在負荷曲線高峰期接入大量電動汽車充電，則進一步拉大電網負荷曲線峰谷差，可能導致配電網線路過載、電壓跌落、配電網損耗增加、配電變壓器過載等一系列問題，甚至會超出局部配電網的承受能力，給電網安全運行帶來負擔。電網需要新增裝機容量、改造相應輸配電設備，使得電網運行效率降低。

2.電網運行最佳化控制難度的增加。由於電動汽車用戶選取充電時間和空間的不確定性，則產生具有隨機性的電動汽車充電負荷，對電網的最佳化控制提出更高的要求。

3.電動汽車充電負荷作為一種恆功率負荷，可能惡化電網頻率電壓特性，增加電網調頻、調壓的難度。

4.電動汽車充電過程主要完成交直流功率變換，充電負荷屬於非線性負荷，所使用的電力電子設備將產生大量諧波，降低電網和用戶的電能質量，減少電氣設備使用壽命。

5.大規模接入的電動汽車充電負荷及大量建設的充電設施將改變配網拓撲結構(增加網路節點、線路改造等)以及負荷布局，對配電系統規劃及運行方式提出了新的要求與挑戰。

電動汽車有序充電的研究意義

開展大規模電動汽車接入電網後對電網影響的定量評估及以減少負面影響為目標的充電控制策略研究，已日益成為人們關注的熱點問題，而有序充電的概念隨之產生。從電網角度講，指在滿足電動汽車充電需求的前提下，運用實際有效地經濟或技術措施引導、控制電動汽車進行充電，對電網負荷曲線進行削峰填谷，使負荷曲線方差較小，減少了發電裝機容量建設，保證了電動汽車與電網的協調互動發展。

在V2G環境下，可以依據電網分時電價劃分原則引導、鼓勵用戶主動調整用車行為和充電習慣等，進而保證電動汽車的有序充電。合理的電價機制能夠有效的協調和控制社會生產、製造、消費等方方面面，促進人類更有效的利用電能。最為常用的電價類型峰谷分時電價，是依據電網負荷曲線狀況，將一日24h均勻合理地劃分峰、平、谷三個時段，利用不同時段的電價差異對電力用戶產生價格刺激，從而促使電力用戶在電能消費時段和消費方式上採取措施，比如進行移峰填谷、主動避峰，緩解負荷高峰期電力供應緊張的壓力，提高電力系統的負荷率和整體效益。

如何充分考慮電動汽車充電負荷的時空隨機分布特性，研究考慮時空分布的電動汽車充電負荷預測方法，並在此基礎上，研究用戶回響分時電價對電動汽車進行有序充電，對於有效降低電動汽車充電對電網的負面影響，實現削峰填谷、降低電動汽車充電成本，經濟、有效的推廣電動汽車的大規模運用至關重要。

電動汽車有序充電的研究現狀

目前，大規模電動汽車接入電網的研究範疇分為以下幾個方面:

1.研究電動汽車充電負荷特性和負荷需求計算

電動汽車充電負荷研究涉及動力電池、充電設施、用戶行為等多種因素，是後續研究的基礎。

2.研究電動汽車的接入對電力系統影響

電動汽車大規模接入對電力系統的直接影響是導致負荷的增長。目前的研究，包括對電動汽車發展的不同場景，分析電動汽車接入對電源建設、配電網的影響，以及電動汽車充電設施規劃和電網規劃。

3.研究電動汽車作為儲能單元的充放電控制與利用

電動汽車用動力電池可作為分散式儲能單元，具有一定的可控性並能夠向電網反向饋電。

電動汽車充電負荷

電動汽車動力電池特性

動力電池作為連線電動汽車和電網的元件，其建模是研究充電負荷的基礎。對動力電池的建模，在研究不同問題時，做一定程度的近似或簡化。

基於對電池比能量、效率、比功率等方面的對比得出結論，離子電池具備最佳的綜合性能。研究了動力電池的幾種常用的電路模型，各種模型在精確性和複雜性上各有優劣。動力電池工作周期通常包括2個階段:恆流限壓和恆壓限流。前者基本為恆定功率輸出，時間長，效率高，是主要充電方式;後者處於充電結束期，功率會逐漸減小。隨著電池和充電技術的發展，恆壓限流階段趨向於縮短或取消，從而提高充電速度及其綜合效率。因此在分析電動汽車對配電網影響時，可以採用恆功率負荷模型，將充電負荷作為恆功率負荷。

電動汽車行車規律

國內對於電動汽車行車規律的研究一般結合中國電動汽車發展路線，將電動汽車分為公車、公務車、計程車和私家車四類。不同種類電動汽車的用戶用車行為和充電行為差別較大。因此，把電動汽車運行模式分為三種:公交運行模式、計程車運行模式、公務車或社會車輛運行模式.

公車運行模式:線路定線定點即、站點固定，應保證在營運時段通過更換電池或利用夜間低谷時段進行常規充電實現電能補充。

計程車運行模式:白天停放時間較短，充電時間較為緊迫，日行駛里程較長，宜根據出行範圍提供必要的充電換設施，應保證在營運時段通過快充或更換電池實現電能補充。

公務車或社會車輛運行模式:白天停放時間較長，適宜在車輛集中區域建設相應充電設施，提供慢充、快充或更換電池等多樣化能量供給服務。

結合中國國內的實際情況對上述四類電動汽車的充電時間進行了調研，採用蒙特卡羅(Monte-Carlo )模擬的方法對電動汽車充電負荷分布特性進行了分析。並概括了中國電動汽車的發展規劃，分為2010-2015年(公車、計程車、公務車示範運營)、2016-2020年(公車、計程車、公務車規模化發展，少量私家車)、2021-2030年(私家車大規模發展)三個階段。]在簡化充電模型的基礎上，以電池初始荷電狀態(initial state of charge, SOC)和開始充電時間的隨機分布為變數，建立基於日充電負荷曲線的電動汽車充電站泊松分布集聚模型，並對集聚特性進行模擬分析。

國外對電動汽車行車規律的研究偏重於研究用戶駕駛行為，一般基於用戶用車行為來分析用戶的電動汽車充電時間和空間分布，並對充電負荷進行統計或預測。]採用的方法是利用在用戶車上安裝的GPS儀器，對76個用戶進行跟蹤調查，研究電動汽車用戶的駕駛行為，記錄每天離家和回家的時間以及行駛的距離數據，提出了一種基於條件機率的預測模型。

電動汽車電能補充方式

目前的電動汽車充電方式主要有充電和換電兩種。國際電工委員會和美國汽車工程師學會等組織也制定了IEC 62196標準，包括4種充電模式，並在進一步地完善中國於2011年12月發布了電動汽車充電接口和通信協定4項國家標準，規定了通過傳導方式充電的標準充電電壓和電流。2011年1月國家電網公司確定了“換電為主，插充為輔，集中充電，統一配送”的電動汽車服務網路發展策略，推出充電設施標準。而2012年7月國務院印發的《節能與新能源汽車產業發展規劃》基本確定了“充電為主，換電為輔”的路徑。

電動汽車接入對電力系統的影響

1.電動汽車接入對電源建設的影響

電動汽車大規模接入對電力系統的直接影響是導致負荷的增長，因此電源容量是否能滿足電動汽車大規模發展必須得到保障。

電動汽車在不同充電方式(無序、家庭充電、谷荷充電、雙向V2G)下對電網不同類型新增裝機的影響。通過仿真發現，新增裝機與電動汽車的充電方式直接相關，在雙向V2G模式下，需要新增裝機最小。文獻[[26]研究則認為，在美國大部分地區供應電動汽車充電負荷的電源為燃氣機組，目前美國具有足夠的裝機容量支撐美國84%的汽車電氣化，需要新增的備用容量不大。

2.電動汽車的接入對配電網影響

規模化電動汽車接入電網主要影響配電網的負荷平衡。電動汽車無序充電可能導致局部地區的用電緊張，集中在負荷尖峰時段充電拉大負荷曲線峰谷差，加重配電網負擔。

描述了充電負荷較常規負荷具有時空隨機性強的特點，分析了在多種電動汽車接入情景下配電網的負載情況，通過電動汽車交錯充電等有序充電策略能有效地平滑負荷、消除配電過載利用蓄電池充電特性建立了電動汽車的隨機充電模型，假設一定區間內電動汽車在充電數量和充電時間均服從常態分配，得到電網負荷曲線的調節曲線。分析在電網用電高峰時對電動汽車蓄電不但不能對電網負荷起負荷調整作用，反而增加電網負荷，對電網造成電動汽車對配電網的電能質量和經濟性也會帶來影響。

電動汽車充放電控制與利用

電動汽車有序充電

根據電網的安全運行狀態，電動汽車有序充電控制一般以充電時間和充電功率為控制變數，綜合考慮用戶充電需求與電池性能等約束，以對電網影響最小或經濟性最優為目標，協調電動汽車充放電過程

(1)以經濟性最優為目標

以充電站運營收益最大化為目標，建立了充電站內電動汽車有序充電的數學模型，通過動態回響電網分時電價，可顯著提高電動汽車充電站的經濟效益。以減小電網峰谷差作為主要目標，結合電網分時電價時段劃分與局域配電網負荷波動情況，建立了以用戶充電費用最小和電池起始充電時間最早為控制目標的數學模型。通過電動汽車回響充電分時電價，能夠有效減小峰谷差，並提高用戶滿意度。基於未來電價預測值，採用動態規劃最佳化電動汽車的充電時間以節省客戶充電成本。基於目前電價和電動汽車充電負荷的預測，建立了以電動汽車中間商購電成本最小化為目標的最佳化模型，通過動態負荷調度，實現電動汽車的有序充電。基於動態回響分時電價，在考慮充電約束前提下，以客戶充電成本最小化和削峰填谷為目標，提出有序充電啟發式算法。基於動態回響實時電價，以充電成本最小化為目標，通過線性規劃建立電動汽車有序充電模型。

(2)以對電網影響最小為目標

以配電網網損最小為目標，考慮了用戶的充電需求以及電壓幅值等約束，建立了電動汽車充電最佳化模型，有效降低配電網的網損，還起到平抑負荷變化和改善電壓水平的作用。基於己有配電網路和常規用電約束，最佳化電動汽車大規模接入情況下的充電功率，使之能最大限度地利用己有配電網，提高配網運行的經濟性。依據網損靈敏度高低對電動汽車進行充電排序，以充電成本和網損最小為目標建立實時有序充電模型，不僅能有效降低配電網的網損，而且改善了配電網節點電壓波形。

建立了基於二次規劃和動態規劃2種方法的有序充電模型來評估多J清景下電動汽車充電對配電網的影響。文中考慮了負荷預測的誤差，比較了在無電動汽車接入、電動汽車無序充電和有序充電3種情景下配電網網損的大小。仿真結果表明，電動汽車無序充電時配電網網損增加顯著，有序充電時網損則增加很小。

分別以饋線損耗、負載率和負荷變化方差最小化為目標建立有序充電模型，其中最佳化配電網負載率和負荷波動方差的有序充電模型可有效降低網損，並具有更快的計算速度。通過結合本地最優充電控制與必要的低頻減載措施，建立了分級有序充電控制的數學模型，提高了電網運行的可靠性。

換電模式下電動汽車充電負荷模型及最佳化的研究還比較少。針對換電模式在中國推廣的現狀，文獻[[48]基於分時電價機制，在滿足用戶換電需求的約束下，建立了2種換電模式(即充換電模式和集中充電統一配送模式)下的有序充電最佳化模型。建立以總充電費用最小為目標的第1階段最佳化模型，再以第1階段求得結果為約束上限，建立以日負荷曲線波動最小為目標的第2階段最佳化模型，結果表明換電模式下無序充電情景峰荷較充電模式時增加較小，有序充電情景電網峰荷將不會增加。

電動汽車削峰填谷

大規模電動汽車的電池可以作為分散式儲能系統，在電網負荷高峰選擇放電，低谷選擇充電，合理最佳化協調其充放電過程，起到“削峰填谷”作用。

電動汽車參與調頻

電動汽車作為分散式儲能資源，可參與電力系統的頻率調節。相比於傳統的系統調頻電源，電動汽車參與調頻具有回響速度快的優勢。

電動汽車用戶充電控制策略

家庭充電

對擁有獨立住宅的電動汽車用戶，電動汽車與其他家庭設備一樣，利用家庭供電系統進行充電。此時，其可納入家庭區域網路(House Area Network, HAN通過智慧型家居EMS接口進行與電網的互動。電動汽車充電費用可能不同於其他家電設備，因此應採用獨立的計量，此時電動汽車計量表可作為子表與入戶電錶進行通訊。

無論有無外部系統控制，電動汽車用戶是電動汽車充放電過程控制的最終決策者，電動汽車用戶的控制目標包括:

1.保證電動汽車電量滿足正常的行駛需求;

2.充放電收益(除去電池壽命折損費用)最大。

電動汽車用戶接收到的信息可能包括:電價信息、獎勵和懲罰信息、充放電功率限制、充放電時間限制等。這些信息可能來自於不同的主體，電動汽車用戶根據這些信息結合自身的行駛需求，對各種信息做出選擇和回響決策。電動汽車用戶行駛需求帶來的約束包括:下一次行程時間、目標SOC等。同時電動汽車用戶的決策也將受到動力電池管理系統(Battery Management System, BMS)的約束，需要掌握電池的狀態，保證充放電過程的安全。

電動汽車用戶的控制策略可由車載或非車載的智慧型裝置完成，本章將其定義為充放電控制器，該控制器作為用戶對車輛充放電控制的接口，實現用戶預先設定的控制策略，如圖3.1所示，最終的充放電控制命令可由充放電控制器下達給車載充放電機執行。

多輛電動汽車協調充電控制策略

居民小區、辦公、商業及類似場所充電

在居民小區等公共充電場所下，同一充電設施可能被多個用戶使用，電動汽車用戶並不是直接的電力用戶。在這些公共停車位上，包含了長時間充電或快速充電的需求，可具備功率較大的交流充電或者直流充電設施。這些充電設施應具備用戶識別和充電費用結算功能，如通過射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)讀卡器進行充電授權、解鎖和計費。對每個公共充電設施進行單獨計量是必須的，同樣，充電設施的計量裝置作為子表與主表進行通訊，如圖3.4所示。此時電動汽車及各充電設施可納入上級EMS，如智慧型小區、智慧型樓宇管理系統。 在集成管理控制層、充電站控制層乃至提供多個充電接口的充電設施，都存在對多輛電動汽車進行協調控制的問題。這些控制層接收上級系統對其整體的充放電控制命令，將充放電功率分配給管轄的各個電動汽車。 多輛電動汽車充放電協調控制的目標包括:

1.最大程度執行上級控制命令;

2.最大程度滿足各電動汽車用戶的充電需求。

在控制過程中，電動汽車接入、退出，各控制對象的狀態在不斷地變化中因此，協調控制策略應實時、動態地進行。

充電站間電動汽車有序充電控制方法

基於數學最佳化模型的站內電動汽車有序充電控制方法，能夠在分時電價機制下，在滿足客戶充電需求的前提下，有效最小化用戶支出費用。但對於在實際系統中大規模套用，該控制方法依然存在如下幾個方面的缺陷:

1.從控制方法來看，該方法主要基於混合整數規劃模型，求解依賴於較複雜的算法包，在實際運用中，現場可能不具備調用算法包的環境。另外，對於大規模問題，求解效率可能受到一定負面的影響。因此，在實際系統運行時，需要一種對控制程式運行環境要求低，對大規模問題運行速度快的控制方法。

2.從控制效果來看，該控制方法由於只考慮用戶的充電需求和變壓器容量約束，若同片區域記憶體在多個電動汽車充電站，則可能導致電網局部負荷的過高，影響電網的安全經濟運行。因此，在實際系統運行時，需要省、市、站三層電動汽車運營系統的相互協調，做到既能為客戶提供滿意的充電服務，又能避免系統的用電高峰。

針對上述考慮，本章進一步提出了基於簡單線性規劃和啟發式算法的市站級兩層電動汽車有序充電控制方法。

在一台本地配電變壓器接有常規負荷和電動汽車充電負荷。一台配電變壓器下對於配有專供配電變壓器的電動汽車充電站，可以認為該台配電變壓器下接入的常規負荷為零。在上層配電變壓器處設有市級充電控制中心，以協調管轄範圍內多充電站的充電，防止在夜間車輛較多時另外一個負荷高峰的出現。

在本地變壓器處，作為電動汽車充電服務的提供商，電動汽車充電站按照充電電價收取充電服務的費用並按購電電價向電網公司支付電費，通過兩者的差價實現盈利。但充電服務商依舊要接受市級充電控制中心的負荷調度，以滿足配電網總體充電負荷的控制目標。另一方面，市級充電控制中心應當充分考慮各充電服務提供商管轄的充電站或停車場內用戶的充電需求和盈利需求及配網的負荷控制目標來實現站與站之間的充電協調。