淺議電動(dòng)汽車(chē)有序充電控制策略

趙建文 侯燕文 李童

摘 要：電動(dòng)汽車(chē)作為用電負(fù)載，大規(guī)模的接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的影響。本文從電能管理和電能質(zhì)量的角度分析了電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)的影響，提出了充電基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化配置方案，探討了有序充電控制策略和充電樁有序接入策略。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);有序充電;控制策略

0 前言

隨著人類對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)，化石燃料為主要能源的時(shí)代終將結(jié)束。傳統(tǒng)的化石燃料汽車(chē)也將會(huì)被新能源汽車(chē)替代。電動(dòng)汽車(chē)是新能源汽車(chē)技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)，分為油電混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)兩種類型，均可以通過(guò)充電樁進(jìn)行充電。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)的影晌

電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在用電平衡和電能質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面。

在人口密集的城市地區(qū)，由于用電量有一定的限制，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行集中充電時(shí)，對(duì)電網(wǎng)是一個(gè)比較大的負(fù)荷，需要在大規(guī)模充電時(shí)候考慮用電平衡。在用電端負(fù)荷較多的地區(qū)，三相之間的供電交替會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，進(jìn)而會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生比較大的動(dòng)態(tài)污染。

2 充電基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)化配置

充電樁因占地少、操作方便、易接入而受到廣泛應(yīng)用，是未來(lái)最常用的充電設(shè)施。

為了便于對(duì)接入電網(wǎng)的充電樁進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)充電樁與電網(wǎng)之間的互動(dòng)，有必要分區(qū)域?qū)Τ潆姌兜臄?shù)量進(jìn)行配置。為便于在變電站內(nèi)建立對(duì)供電范圍內(nèi)的充電樁進(jìn)行有序控制的監(jiān)控系統(tǒng)，可以以變電站的供電范圍為基準(zhǔn)進(jìn)行區(qū)域充電樁的配置。

區(qū)域內(nèi)充電柱的配置主要由區(qū)域內(nèi)各類型充電車(chē)輛的數(shù)量、并網(wǎng)充電時(shí)刻和充電時(shí)長(zhǎng)決定。

充電樁一般優(yōu)先設(shè)置在住宅區(qū)、商務(wù)區(qū)、商業(yè)區(qū)的停車(chē)場(chǎng)以及具備停車(chē)條件的道路邊。在此類區(qū)域的配置密度應(yīng)該大余其他區(qū)域，以便于用戶獲得便利的充電服務(wù)。

3 有序充電控制策略

基于電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷預(yù)測(cè)和充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響制定有序充電控制策略。通過(guò)制定不同層級(jí)、不同區(qū)域的有序控制策略，同時(shí)應(yīng)用合適的激勵(lì)策略，形成整體有序控制策略。

3.1 分區(qū)有序充電控制

充電基礎(chǔ)設(shè)施在車(chē)輛種類和服務(wù)范圍上可能會(huì)有交叉。因此在制定有序控制策略時(shí)，應(yīng)考慮相互之間的配合，做到既能夠覆蓋所有電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行范圍，又能夠在相互重疊區(qū)域提供經(jīng)濟(jì)的電力供應(yīng)。

3.2 電動(dòng)汽車(chē)充電的激勵(lì)策略

私人是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的主要用戶，充電行為規(guī)律相對(duì)隨機(jī)，是最需要進(jìn)行引導(dǎo)的群體。因此，通過(guò)基于需求側(cè)響應(yīng)的基本方法和理論，結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)需求特性，研究引導(dǎo)和激勵(lì)私人電動(dòng)汽車(chē)用戶參與有序充電的服務(wù)價(jià)格體系建立，為各層級(jí)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略的實(shí)施提供手段。

3.3 分層級(jí)多目標(biāo)協(xié)調(diào)策略

按充電結(jié)構(gòu)層次分為電網(wǎng)級(jí)有序充電控制策略、站級(jí)充電服務(wù)單元有序充電控制策略、有序充電控制器的控制策略和有序充電引導(dǎo)策略四部分。

（1）電網(wǎng)級(jí)有序充電控制策略。在電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行上對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷進(jìn)行管理與監(jiān)控，針對(duì)不同區(qū)域電網(wǎng)中并網(wǎng)充電負(fù)荷的變化作出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案與應(yīng)對(duì)措施等。通過(guò)通信信道將控制信息反饋至各個(gè)充電設(shè)施，與其他層級(jí)形成控制呼應(yīng)。同時(shí)，在電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，加強(qiáng)電動(dòng)汽車(chē)充電造成的電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)。

（2）站級(jí)充電服務(wù)單元有序充電控制策略。站級(jí)充電服務(wù)單元位于各個(gè)控制區(qū)域的綜合控制中心或變電站內(nèi)，負(fù)責(zé)對(duì)充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。該服務(wù)單元的有序充電控制策略是對(duì)管理區(qū)域內(nèi)的充電樁進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，是實(shí)現(xiàn)有序充電控制最重要的一層。

（3）有序充電控制器的控制策略。通過(guò)保障用戶需求并提高經(jīng)濟(jì)性的充電控制器控制策略實(shí)現(xiàn)有序充電控制。充電控制器與電池管理系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息制定包含執(zhí)行時(shí)間、充電電流等內(nèi)容的充電方案。同時(shí)，研究通訊中斷、信息缺失等情況下，充電控制器自主實(shí)施有序充電的技術(shù)和方法。

（4）有序充電引導(dǎo)策略。有序充電引導(dǎo)策略是指對(duì)用戶充電行為提供的實(shí)用化引導(dǎo)的方法。例如通過(guò)車(chē)輛導(dǎo)航對(duì)有充電需求的車(chē)輛提供導(dǎo)航服務(wù)，引導(dǎo)其進(jìn)入充換電服務(wù)點(diǎn)，或者通過(guò)短信通知給私人電動(dòng)汽車(chē)用戶發(fā)送信息，引導(dǎo)充電時(shí)間、避開(kāi)高峰充電。

4 充電樁有序接入策略

充電樁充電的有序接入策略將整個(gè)調(diào)度過(guò)程分為兩個(gè)階段：基于區(qū)域負(fù)荷優(yōu)化的調(diào)度和最優(yōu)充電方案的優(yōu)化分配，具體如下。

（1）基于負(fù)荷優(yōu)化的接入調(diào)度?；趨^(qū)域負(fù)荷優(yōu)化的調(diào)度是通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)所有電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)刻進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)削峰填谷、穩(wěn)定變電站整體負(fù)荷水平的目標(biāo)，具體步驟如下：

首先，通過(guò)對(duì)變電站供電范圍內(nèi)各小區(qū)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行負(fù)荷建模，將待充電動(dòng)汽車(chē)荷電狀態(tài)和待充車(chē)輛的總量的概率分布作為初始數(shù)據(jù)輸入。

其次，分析車(chē)輛的可調(diào)度比例，計(jì)算可調(diào)度車(chē)輛總量，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行荷電狀態(tài)分類，將不可調(diào)度的車(chē)輛與車(chē)輛原始接入規(guī)律結(jié)合在一起計(jì)算不可控負(fù)荷。

再次，將不可控負(fù)荷與變電站基礎(chǔ)負(fù)荷（居民生活用電負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷等）一起作為原始負(fù)荷輸入至優(yōu)化程序，同時(shí)將可調(diào)度負(fù)荷作為輸入變量。

最后，建立目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)優(yōu)化理論對(duì)整體負(fù)荷水平進(jìn)行尋優(yōu)，獲取最優(yōu)整體車(chē)輛接入的充電時(shí)刻。

（2）基于負(fù)載均衡的優(yōu)化分配?；谪?fù)載均衡的優(yōu)化分配是在考慮各小區(qū)車(chē)輛的實(shí)時(shí)可調(diào)度數(shù)量的前提下，將每個(gè)調(diào)度時(shí)刻應(yīng)接入車(chē)輛數(shù)量分配至各小區(qū)，以均衡各條線路實(shí)時(shí)負(fù)載率，步驟如下：

首先，輸入各小區(qū)的實(shí)時(shí)可調(diào)度車(chē)輛數(shù)量及其電池荷電狀態(tài)，形成電池矩陣。

其次，采集各小區(qū)對(duì)應(yīng)的供電線路實(shí)時(shí)負(fù)載率及其約束值，和電池約束一起作為約束輸入至優(yōu)化程序。

最后，將該調(diào)度時(shí)刻的各荷電狀態(tài)車(chē)輛接入總量輸入優(yōu)化程序進(jìn)行分配，輸出變量為各小區(qū)并網(wǎng)充電的不同荷電狀態(tài)電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量。

通過(guò)對(duì)變電站供電范圍內(nèi)各個(gè)小區(qū)電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)刻進(jìn)行調(diào)度，綜合考慮區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)時(shí)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域負(fù)荷水平的穩(wěn)定和線路負(fù)載率均衡，實(shí)現(xiàn)各個(gè)小區(qū)的有序接入充電。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的有序充電體系可為電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)與管理人員提供參考，基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化配置可為充電設(shè)施建設(shè)提供借鑒，充電樁接入控制模式也為今后智能小區(qū)的發(fā)展與配電網(wǎng)運(yùn)行提供依據(jù)。有序充電控制策略無(wú)論在理論上還是現(xiàn)實(shí)中都有重要的意義。

作者簡(jiǎn)介：趙建文（1985—），男，山東泰安人，工學(xué)、管理學(xué)雙學(xué)士，工程師，主要從事電力營(yíng)銷(xiāo)方面的工作。