任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：針對電動(dòng)汽車在居民小區(qū)無序充電對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重隱患及充電間時(shí)過長問題，提出一種采用延遲充 電的電動(dòng)汽車有序充電控制策略，并在分析國內(nèi)外電動(dòng)汽車有序充電的研究現(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)汽車進(jìn)行有序充電控制，通過計(jì)算電動(dòng)汽車的充電優(yōu)先級來 確定用戶開始充電的時(shí)間以保證離開時(shí)電動(dòng)汽車的荷電狀態(tài)，很大程度達(dá)到用戶期望荷電狀態(tài)。通過算例仿真分析，證明提出的延遲充電策略可在滿足用戶對電動(dòng)汽車充電量期望的同時(shí)達(dá)到削峰填谷的作用。

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

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類對能源需求的不斷增長，不ke再生能源被大量消耗，產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。機(jī)動(dòng)車輛已經(jīng)成為生產(chǎn)生活中的一部分，使用燃油車無疑會增加CO₂的排放。雖然新能源發(fā)電被越來越多地引入電網(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，會對電力系統(tǒng)造成影響，產(chǎn)生電能質(zhì)量問題。因此，減少燃油車的使用，從燃油動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車是解決汽車造成的環(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)目序充電對智能電網(wǎng)的發(fā)展起著越來越大的作用。隨著EV的大規(guī)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(qiáng)，需要解決EV充電問題。目前針對EV充電的研究內(nèi)容主要涉及充電負(fù)荷預(yù)測、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)具有用車規(guī)律性強(qiáng)、可控性強(qiáng)、方便調(diào)研等優(yōu)勢，因此將居民小區(qū)作為研究對象，針對EV在居民小區(qū)充電過程中隨機(jī)停放且無序充電對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重隱患及充電間時(shí)過長的問題，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。

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返回后駐車時(shí)長的計(jì)算方法為TS = t_out - t_back ，（1）式中：TS為用戶駐車時(shí)長，h；tout為用戶外出時(shí)刻；tbac 為用戶返回時(shí)刻。EV 結(jié)束充電時(shí)刻t_over的表達(dá)式為t_over = t_start+ T_cha ，（2）式中：t_start 為充電開始時(shí)刻；T_cha 為充電時(shí)長，h。設(shè)t時(shí)刻共有m輛EV進(jìn)行充電，則EV充電總功率 P_t，EV和功率P_a.t的表達(dá)式為P_t，EV =_EV，（3）

式中：P_EV 為EV荷電功率。P_a.t = P_max - P_load - P_t，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)先級計(jì)算方法為，（5）式中：γ為EV充電優(yōu)先級。

在設(shè)計(jì)EV的充電優(yōu)先級時(shí)，設(shè)置當(dāng)γ= 1時(shí)的優(yōu)先級高，EV優(yōu)先進(jìn)行充電；當(dāng)γ=0時(shí)的優(yōu)先級低，EV最后進(jìn)行充電。為了讓EV在車主離開小區(qū)時(shí)處于滿電狀態(tài)，需要設(shè)置車主的優(yōu)先級γ= 1，確保EV電池狀態(tài)達(dá)到滿電狀態(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)重要的部分是對延遲充電條件的設(shè)置，通過對滿足條件的EV延遲充電且不影響用戶的期望充電量為基礎(chǔ)，完成對居民小區(qū)EV有序充電的控制。當(dāng)用戶把EVi連接到充電樁時(shí),可通過充電樁的人機(jī)交互界面對EV的期望荷電狀態(tài)、用戶預(yù)計(jì)離開時(shí)刻進(jìn)行設(shè)定。充電樁通過充電控制系統(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(jì)算充電序列中剔除。

（2）檢測有無EV接入，若有則判斷是否符合延遲充電條件，若無EV接入則轉(zhuǎn)入步驟（4）。

（3）延遲充電條件：EV離開時(shí)刻在谷時(shí)段開始之后，且用戶返回時(shí)刻到遲充電完成時(shí)刻的時(shí)長大于EV充電所需時(shí)間。若上述延遲充電條件均滿足則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(jié)束時(shí)的電池電量很大程度接近用戶期待荷電。

（4）有序充電控制中臺采集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)先級高的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(dá)命令使其對EV進(jìn)行充電，若充電先級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EV進(jìn)行充電，記錄開始時(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且功率裕度小于EV充電功率（判定先級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)長時(shí)開始充電、當(dāng)停留時(shí)長等于充電時(shí)長時(shí)開始充電 。其他充電優(yōu)先級γ≠1的車輛均根據(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)上述過程，通過問卷收集了15條居民小區(qū)EV充電數(shù)據(jù)，見表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、僅滿足優(yōu)先級但不具體根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行有序充電的情況下，對上述控制邏輯進(jìn)行簡單的模擬，結(jié)果如圖 3 所示，并與即充即走的無序充電模式進(jìn)行對比 。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：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)的變壓器帶來很大的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。

圖3 即充即走的無序充電模式

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(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。

圖4 有序充電模式

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(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，通過問卷調(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%。通過問卷獲取EV離開社區(qū)的時(shí)間和EV充滿電所用時(shí)間分別如圖6及圖7所示。

圖5 EV返回小區(qū)時(shí)間

圖6 EV離開小區(qū)時(shí)間

圖7 EV充電時(shí)長

對用戶充電行為進(jìn)行如下假設(shè)。

（1）用戶出行數(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，用戶期望駕車離開時(shí)EV電池電量為100%。

（4）變壓器的負(fù)荷紅線為1100kW。

2.2仿真結(jié)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序充電波動(dòng)曲線如圖8所示。從有序充電和無序充電曲線的波動(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。

圖8 EV有序充電與無序充電負(fù)荷對比

為了更直觀地體現(xiàn)有序充電的控制效果，計(jì)算44輛 EV 在無序充電充電模式和有序充電模式下的峰谷差，結(jié)果見表2。

表2無序充電模式和有序充電模式下的負(fù)荷對比

從表2無序充電充電模式和有序充電模式下負(fù)荷數(shù)據(jù)對比可見：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)小于無序充電充電模式時(shí)的總峰值，且無序充電充電模式已經(jīng)超過負(fù)荷的紅線（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序充電充電模式峰谷差的1/2 ?？梢娞岢龅幕贓V 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)營云平臺

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的汽車充電站、電動(dòng)自行車充電站以及各個(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)查詢等，同時(shí)對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓、欠壓、絕緣低各類故障進(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)，用戶通過微信、支付寶、云閃付掃碼充電。

3.2應(yīng)用場合

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

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

網(wǎng)絡(luò)通訊層：包含現(xiàn)場智能網(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，并通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(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。

平臺管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成對現(xiàn)場所有智能設(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)、充電過程及人員行為，并完成微信、支付寶在線支付等應(yīng)用。

3.4平臺功能描述

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，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等。

3.4.2首頁總覽

總覽當(dāng)日、當(dāng)月開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長，累計(jì)的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、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、故障處理、故障確認(rèn)、故障分析等管理項(xiàng)，為用戶管理故障和查詢提供方便。

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析支持運(yùn)營趨勢分析、收益統(tǒng)計(jì)，方便用戶以曲線、能耗分析等分析工具，瀏覽樁的充電運(yùn)營態(tài)勢。

3.4.6運(yùn)營報(bào)告

按用戶周期分析汽車、電瓶車充電站、樁運(yùn)行、交易、充值、充電及報(bào)警、故障情況，形成分析報(bào)告。

3.4.7APP、小程序移動(dòng)端支持

通過模糊搜索和地圖搜索的功能，可查詢可用的電樁和電站等詳細(xì)信息。掃碼充電，在線支付:掃描充電樁二維碼，完成支付，微信支付完成后，即可進(jìn)行充電。

3.4.8資源管理

充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。

4.5選型配置

4結(jié)束語

EV的充電周期與人們的生活習(xí)慣密切相關(guān)。隨著全國EV保有量逐年增多，EV大量無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(qū)的EV充電進(jìn)行合理規(guī)劃，提出合理的家用EV充電策略，確保電網(wǎng)充電區(qū)域的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）從EV充電的選擇策略著手進(jìn)行研究，介紹了EV有序充電的基礎(chǔ)理論，分析了大規(guī)模EV充電過程中遇到的問題。

（2）介紹了EV充電策略的理論基礎(chǔ)，對EV充電的模式進(jìn)行了分析，然后針對居民小區(qū)EV無序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(qū)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?qū)崿F(xiàn)EV有序充電，并有效降低充電總峰值，達(dá)到削峰填谷、錯(cuò)峰充電的目的，表明提出的有序充電策略方法設(shè)計(jì)的有效性。

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作者簡介

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。