淺談大規(guī)模電動汽車有序充電控制方法研究

安科瑞 陳聰

摘要：隨著人類科學不斷進步，社會經(jīng)濟水平逐漸提高，各國汽車行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模隨之不斷擴大。電動汽車作為電力驅(qū)動的交通工具，因其既可以實現(xiàn)碳減排又可以大幅度降低出行成本，深受廣大用戶喜愛。但是無序充電行為會引起電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)負荷過載、電能品質(zhì)下降等問題，同時加大電網(wǎng)運行調(diào)控難度。為了消除無序充電造成的不良影響，本文提出了電價引導有序充電方法。首先，提出了充電負荷的神經(jīng)網(wǎng)絡預測方法，利用灰色關聯(lián)貼近度系數(shù)量化各影響因素與充電負荷的相關性，通過確定參加訓練的影響因素數(shù)量使預測誤差。其次，建立了基于用戶需求的響應度模型，利用隸屬度值劃分峰谷時段。為了實現(xiàn)節(jié)省充電成本和削峰填谷的目標，考慮相應的約束條件，提出了電價引導的有序充電方法。同時兼顧削峰填谷和減少充電成本兩個控制目標，實現(xiàn)電網(wǎng)和用戶利益雙贏。

關鍵詞：電動汽車；有序充電；分時計價；削峰填谷

1研究背景及意義

隨著人類科學不斷進步，社會經(jīng)濟水平逐漸提高，各國汽車行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模隨之不斷擴大?；茉吹饶茉礊槿加推囂峁┲剂?，但是化石能源過度消耗會加劇全球化石能源危機，與此同時化石能源燃燒會對自然環(huán)境造成嚴重污染，時刻影響著人類身體健康，尾氣污染己成為亟待解決的問題。電力能源作為有潛力的低碳能源，能夠?qū)ξ廴疚：档?。目前，人們特別重視發(fā)展綠色經(jīng)濟，由于電動汽車既低碳環(huán)保又能夠緩解能源緊張，使得它有著比較寬廣的應用前景。

1．1電動汽車充電負荷研究現(xiàn)狀

電動汽車充電負荷受自身和外界各種因素影響，所以對充電負荷建立模型往往比較困難。電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、需求響應等源網(wǎng)儲荷深度互動行為須以負荷數(shù)據(jù)為前提。目前，各國學者已對充電負荷影響因素展開了深入研究。

另外，日行駛里程、出行時間和歸程時間等駕駛行為特性與充電負荷有著一定的相關性，其中日行駛里程相關程度密切。在研究充電起始時間影響因素時，認為用戶每日駕駛結束后便入網(wǎng)開始補給能量，通過分析出發(fā)時間、歸程時間及日行駛距離等行為特性，建立了充電負荷模型。

隨著人工智能等技術逐漸成熟，國內(nèi)外越來越多專家學者開始將人工智能用于未來負荷預測。基于長時間序列、實時、多種類的歷史數(shù)據(jù)，詳細分析了電動汽車充電行為習慣，并預測了該地區(qū)入網(wǎng)車輛充電總負荷；詳細研究了充電行為對充電負荷的影響，以智能算法理論為基礎，提出了一種無線充電負荷預測方法。

2.有序充電策略研究現(xiàn)狀

為了消除電動汽車入網(wǎng)導致的負面影響，越來越多的學者開展了有序充電策略的研究。到目前為止，充電策略可以分為考慮經(jīng)濟運行、考慮市場機制和考慮時空約束三類。

考慮經(jīng)濟運行的充電策略，兼顧節(jié)省充電成本和降低能量損耗兩個目標引導電動汽車集群合理充電。從電能品質(zhì)等方面分析了充電負荷入網(wǎng)的影響，為了降低能量損耗，利用協(xié)同優(yōu)化控制方法制定充電計劃，該方法可大幅度減小能量損耗，提高電網(wǎng)功率因素；為了節(jié)省用戶充電成本，提出了基于啟發(fā)式算法的充電控制方法，該方法能在節(jié)省充電成本的同時實現(xiàn)削峰填谷。

考慮市場機制的有序充電策略，主要目標是協(xié)調(diào)用電需求和電網(wǎng)系統(tǒng)之間的矛盾。以實時電價理論為基礎，提出了一種基于需求響應度的有序充電方法，此方法能夠較好縮減負荷峰谷差值；指出代理商模式中用戶經(jīng)濟收入微薄，但是此模式運行穩(wěn)定、可控性好。

考慮時間維度的控制策略是將車輛轉(zhuǎn)移至配電網(wǎng)負荷低谷時段進行能量補給。利用遺傳算法求解削峰填谷控制目標，使電動汽車可以按照充電計劃在合理的時間開始充電：用分時電價控制策略合理引導充電用戶，在低電價時段集中補給能量，通過利用不同區(qū)域交錯充電的策略來防止夜間出現(xiàn)充電高峰；以社會投資和用戶充電總成本為目標，提出了一種充電站的選址方法，在空間維度上實現(xiàn)了有序充電。

1. 電動汽車充電負荷的影響因素

為了確保有序充電策略的有效性和可行性，充電負荷預測的準確性是核心關鍵。影響充電負荷的因素較多種類繁多，主要有車輛用途、能量補給方式、動力電池和用戶行為特性等因素對其的影響。

3．1電動汽車的能量補給方式

接觸式充電方式以電纜和連接裝置為能量傳輸介質(zhì)，通過汽車充電接VI將外部電源與電動汽車相連，達到電能傳輸?shù)哪康?。接觸式能量補給方式按單次充電速度的快慢，可分為常規(guī)和快速兩種充電方式。采用常規(guī)充電方式進行能量補給大約需要5-8小時，甚至更加漫長的充電時間，所以也被稱為慢充。這種能量補給一般采用小電流補給能量，所以能量補給時功率也很小，一般在5-10kW之間。慢速充電裝置成本低，節(jié)省用戶充電成本，電流采用10-15A，有利于電力系統(tǒng)的調(diào)度運行，對動力電池正常工作年限不會造成影響，是用戶停留時間較長時的充電選擇，可以在較長的停留時間內(nèi)進行能量補給，由于此充電方式對充電設備的要求并不高，所以在居民社區(qū)和商場等公共場所的停車位都可設置充電設施供電動汽車進行能量補給。快速充電方式是采用大電流進行短時快速能量補給，所以一般選擇直流設備對電動汽車補給能量，時間一般在15min-40min，電流控制在120-400A。相比之下，快速充電方式能量補給時間大幅降低，但是充電所用大電流不僅對電網(wǎng)造成較大沖擊，還會對動力電池造成不可逆的損害。

3．2電動汽車的類型

大量研究表明電動汽車的類型也會影響充電負荷。通常情況下，汽車類型與用戶駕駛行為特性有著緊密聯(lián)系，駕駛行為特性往往決定著起始充電時間、期望荷電狀態(tài)和次日行駛里程，所以不同車輛類型的充電需求可能截然不同。

3．3電動汽車電池充電特性

目前，鉛酸電池和鋰電池是主要的兩種電動汽車動力電池。構成鉛酸動力電池正極的主要化學成分是二氧化鉛，負極由活性鉛填充而成。隨著化工技術的快速發(fā)展，鉛酸電池技術也日漸成熟，因其使用安全可靠、大電流放電能力優(yōu)異、開路電壓高等優(yōu)點，使其在電動汽車動力電池的應用領域取得了成功。但是，鉛酸電池能量和功率都比較低，并且廢棄的鉛酸電池會嚴重破壞自然環(huán)境。

鋰電池有著全新的電池設計理念。兩極采用層間化合物進行填充，在電池進行能量補給時，鋰離子在層間反復漂移使得間距發(fā)生變化，但是不改變構成正負極的化學結構。對于一般高能量密度的動力電池而言，鋰電池具有長久的使用年限，再加上鋰電池具有綠色、體積小、高功率、安全性好等優(yōu)點，使得鋰電池技術被*認為電池中有應用前景的發(fā)展方向。根據(jù)資料上述兩種電池性能對比，鋰電池在質(zhì)量能量密度、使用年限、安全性等方面性能都比較。

3．5用戶行為特性分析

對于不同的用戶而言，駕駛電動汽車外出的原因和目的都截然不同，隨機性較強。用戶出行鏈可以較好的反映電動汽車出行軌跡，用戶出行鏈連接各出行地址和充電需求。通常情況下，用戶的出行目的可以分為五類，即住宅、娛樂活動、工作、商場和其他事件。

1. 電動汽車有序充電的電價引導策略

4．1用戶需求響應模型

需求響應是為了解決需求側(cè)的控制管理等問題而提出的一種策略，目的在于解決系統(tǒng)的可靠性和電網(wǎng)運行效率等問題。需求響應是系統(tǒng)中的用戶在獲取電力公司的電價和激勵政策等信息后，主動更改原定用電計劃的行為，同時促進電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

目前，大多數(shù)用戶在安排自身充電計劃時已經(jīng)充分考慮電價因素，這對調(diào)度中心協(xié)調(diào)優(yōu)化電動汽車充電負荷有著重要意義。基于電價的需求響應是電力公司利用電價引導用戶合理更改用電計劃，在電價高時盡量減少用電，在電價低時增加用電?；陔妰r的響應有尖峰電價、分時電價和實時電價。其中峰谷電價只能相對固定地反映用電負荷情況，而分時電價策略比較靈活，能夠?qū)Σ▌虞^大的負荷進行合理管控。

在用電高峰時段，電力管控部f-IN用補償激勵對用戶負荷進行合理管控的方式稱為基于激勵的需求響應，其目的是降低用戶在高峰期不必要的用電需求降低電網(wǎng)峰谷差?；诩畹男枨箜憫ㄖ苯涌刂?、可中斷控制、需求側(cè)競價和緊急需求響應四種方式。電力公司直接對電網(wǎng)中的設施進行開閉操作的行為稱為直接控制?？芍袛嗫刂剖请娏靖鶕?jù)可中斷負荷的特性，提前為此類負荷制定用電計劃。緊急需求響應是指電力用戶在負荷高峰時段主動減小自身用電量，來獲得電網(wǎng)約定的經(jīng)濟補償。對于本文的研究對象電動汽車而言，基于電價的需求響應方式是促使大規(guī)模電動汽車有序充電的更有效方式。

4．2峰谷分時電價時段劃分及定價

峰谷分時電價根據(jù)電網(wǎng)各時刻的用電量將一天劃分成若干時間段，并給各時段定義不同的用電價格。通常將一天分為峰時段、平時段和谷時段三類。定義峰谷分時電價的一個原則是，通過峰谷電價可以反映電網(wǎng)內(nèi)負荷的高低。電價對于電動汽車集群的控制受多方面因素影響，無法做到對所有電動汽車進行響應調(diào)度。電價響應用戶規(guī)模擴大會對電網(wǎng)安全運行產(chǎn)生十分正面的影響。而峰谷電價的設置能夠直接影響參與響應的用戶數(shù)量，所以有必要設定合理的峰谷電價讓更多的用戶加入到有序充電的隊伍。

在我國，各個省市的電力公司負責規(guī)定本地的峰谷分時電價。目前，電力公司根據(jù)本地電網(wǎng)內(nèi)的用電情況規(guī)劃適合當?shù)亟?jīng)濟水平的分時電價，但在規(guī)劃過程中幾乎沒有考慮充電負荷入網(wǎng)的影響，所以現(xiàn)階段充電負荷對分時電價的響應不太敏感。

分時電價策略可以將充電負荷安排在電價平谷時段補給能量，響應度越高，優(yōu)化效果越好。峰谷分時電價策略能夠有效地兼顧削峰填谷和減少用戶充電費用的目標，能夠充分調(diào)動用戶積極性，使電網(wǎng)和用戶的利益均得到保障。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)助力有序充電開展

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：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施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)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)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

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

5.4.4故障管理

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

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，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。

5.5硬件配置

6.總結

隨著人類科學不斷進步，社會經(jīng)濟水平逐漸提高，各國汽車行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模隨之不斷擴大。大規(guī)模電動汽車入網(wǎng)必然會給電網(wǎng)的調(diào)度運行帶來很大的麻煩，須通過控制策略有序引導充電負荷在合理的時間進行能量補給。

以大規(guī)模電動汽車無序接入電網(wǎng)為背景，從充電負荷、入網(wǎng)影響和有序充電控制三個角度綜述了本論文的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。從能量補給方式、車輛類型、電池和用戶行為等方面研究了充電負荷的影響因素。

根據(jù)需求響應提出了依據(jù)隸屬度劃分峰谷時段和定價的方法。以用戶充電費用和削峰填谷為優(yōu)化目標，提出了一種有序充電的電價引導策略。分時電價可以將充電負荷安排在電價平谷時段補給能量，響應度越高，優(yōu)化效果越好。峰谷分時電價策略能夠有效地兼顧削峰填谷和減少用戶充電費用的目標，能夠充分調(diào)動用戶積極性，使電網(wǎng)和用戶的利益均得到保障。

參考文獻：

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