淺談關(guān)于居民小區(qū)電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究

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

1 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)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)的有基金項(xiàng)目：北京市教委科研計(jì)劃項(xiàng)目序充電對(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。

1.1EV有序充電策略

1.1.1EV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。

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T(mén)S = 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；tbac 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 =EV，（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，（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；當(dāng)γ=0時(shí)的優(yōu)先級(jí)低，EV最后進(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EVi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EVi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。

（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（4）。

（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)的電池電量很大程度接近用戶(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)高的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且功率裕度小于EV充電功率（判定先級(jí)γ= 1的邏輯為：當(dāng)EV在t時(shí)刻到完成充電時(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)先級(jí)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（1）。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。

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。

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，顯著降低用電高峰期變壓器負(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(fǎng)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600kW。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。

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）所用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)荷的達(dá)高峰，電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷壓力也大。

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。

A

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。

表2無(wú)序充電模式和有序充電模式下的負(fù)荷對(duì)比

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)：在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。

3 安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電樁收費(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)的汽車(chē)充電站、電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電樁進(jìn)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，資源管理、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)合

適用于住宅小區(qū)等物業(yè)環(huán)境、各類(lèi)企事業(yè)單位、醫(yī)院、景區(qū)、學(xué)校、園區(qū)等公建、公共停車(chē)場(chǎng)、公路充電站、公交樞紐、購(gòu)物中心、商業(yè)綜合體、商業(yè)廣場(chǎng)、地下停車(chē)場(chǎng)、高速服務(wù)區(qū)、公寓寫(xiě)字樓等場(chǎng)合。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：連接于網(wǎng)絡(luò)中的各類(lèi)傳感器，包括多功能電力儀表、汽車(chē)充電樁、電瓶車(chē)充電樁、電能質(zhì)量分析儀表、電氣火災(zāi)探測(cè)器、限流式保護(hù)器、煙霧傳感器、測(cè)溫裝置、智能插座、攝像頭等。

網(wǎng)絡(luò)通訊層：包含現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺(tái)管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，可在PC端或移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電站配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過(guò)程及人員行為，并完成微信、支付寶在線(xiàn)支付等應(yīng)用。

3.4平臺(tái)功能描述

3.4.1充電服務(wù)

充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線(xiàn)自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等。

3.4.2首頁(yè)總覽

總覽當(dāng)日、當(dāng)月開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，累計(jì)的開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

3.4.3交易結(jié)算

充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表。

3.4.4故障管理

故障管理故障記錄查詢(xún)、故障處理、故障確認(rèn)、故障分析等管理項(xiàng)，為用戶(hù)管理故障和查詢(xún)提供方便。

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析支持運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)分析、收益統(tǒng)計(jì)，方便用戶(hù)以曲線(xiàn)、能耗分析等分析工具，瀏覽樁的充電運(yùn)營(yíng)態(tài)勢(shì)。