0、引言

隨著全球變暖問題和能源枯竭問題的日益嚴(yán)峻,越來越多的人開始提倡和追求綠色環(huán)保的生概念。電動(dòng)汽車(EV)的零*放和不依賴化石燃料的潛力,得到了世界各國政府的普遍重視,汽車開進(jìn)電動(dòng)時(shí)代[1]。除了政府的補(bǔ)貼和大力支持,相關(guān)的汽車生產(chǎn)廠家也紛紛開始關(guān)注電動(dòng)車的未來發(fā)展,并且在電動(dòng)汽車領(lǐng)域不斷投入資金和技術(shù)。 據(jù)工業(yè)和信息化部電動(dòng)汽車發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告預(yù)測,到2030年全國電動(dòng)汽車保有量將達(dá)到6000萬輛 。大規(guī)模的電動(dòng)汽車群無序并網(wǎng)充電,尤其是在負(fù)荷高峰期接入充電,加劇了配網(wǎng)的峰谷差,威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

目前控制電動(dòng)汽車有序充電的策略研究主要是基于求解數(shù)學(xué)優(yōu)化模型,這要建立在充電樁準(zhǔn)確采集電動(dòng)汽車SOC 的前提下 。 考慮到當(dāng)前我國慢充充電樁與電動(dòng)汽車 BMS 的通信標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范,許多型號(hào)的電動(dòng)汽車 SOC 不能被小區(qū)內(nèi)慢充充電樁準(zhǔn)確采集。 因此,本文提出了一種不采集電動(dòng)汽車SOC 來實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)大規(guī)模電動(dòng)汽車群有序充電的控制方法。 該方法中引入電動(dòng)汽車群的概念,通過分析居民私家車日行駛里程規(guī)律,確定每輛電動(dòng)汽車的充電持續(xù)時(shí)間;通過尋找充電過程中電網(wǎng)總負(fù)荷的最*點(diǎn)的時(shí)段,安排電動(dòng)汽車在倒序遞推時(shí)段進(jìn)行充電。 最后,以某小區(qū)配電網(wǎng)為例,采用蒙特卡洛方法模擬用戶到達(dá)時(shí)間,仿真分析了電動(dòng)汽車在3種不同充電模式下電網(wǎng)負(fù)荷曲線和經(jīng)濟(jì)效益等。

1、電動(dòng)汽車群和分時(shí)電價(jià)

電動(dòng)汽車群是指在一個(gè)固定區(qū)域(小區(qū)或停車場)內(nèi)至少有 10 臺(tái)以上需要充電的車群組。 電動(dòng)汽車群充電是指對 10 臺(tái)以上的汽車群進(jìn)行同期充電。

分時(shí)電價(jià)( time-of-use price,TOU price)是我國當(dāng)前積極推廣的一種電價(jià)機(jī)制,目的是鼓勵(lì)用戶合理轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷,削峰填谷,提高電力資源的利用效率[13] 。 若制定的充電分時(shí)電價(jià)能夠有效反映電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng),則引入分時(shí)電價(jià)后,在滿足小區(qū)變壓器容量限制的前提下,盡量安排用戶在谷時(shí)段充電,即保證了用戶充電的經(jīng)濟(jì)性,又兼顧了電網(wǎng)的峰谷差。

例如電動(dòng)汽車充電管理商從電網(wǎng)購電的分時(shí)電價(jià)采用國內(nèi)工業(yè)用電分時(shí)電價(jià)劃分方式:峰時(shí)段 (17:00 - 21:00);平時(shí)段(21:00 - 22:00);谷時(shí)段8h(22:00 - 08:00)。 圖 1 為某小區(qū)的典型日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線。 可以看出,傍晚 17 點(diǎn)至次日 8 點(diǎn),電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)的峰谷平時(shí)段與小區(qū)日基礎(chǔ)負(fù)荷的波動(dòng)情況是一致的。 這就保證了在谷時(shí)段對小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車群充電時(shí),用戶充電費(fèi)用最少,且電網(wǎng)不會(huì)出現(xiàn)峰上加峰情況。

2、電動(dòng)私家車充電負(fù)荷特性分析

2.1 電池特性

當(dāng)前電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池以鋰電池為主,鋰電池一般采用三段式充電方式進(jìn)行充電,充電過程近似恒功率充電。 本文主要以市面有代表性的江淮 iEV5 等車型的動(dòng)力電池作為研究對象。 綜合選取的動(dòng)力電池參數(shù)如下:電池容量為 28 kW·h,每 100 公里耗電量為 13. 3 kW·h,電池續(xù)航里程為200 公里,正常充電功率 PC在 3 ~ 4 kW(C 為電池容量,單位 kW·h)。 慢充充電電流在 0. 1C ~ 0. 5C(如 0. 2C 表示電池在理想狀態(tài)下 5 h 充滿)范圍內(nèi), 一般 5 ~ 8 h 充滿。

2.2 出行需求和習(xí)慣

用戶出行需求和習(xí)慣指的是用戶的行駛里程, 出行及返回時(shí)間等。 這些因素決定了用戶的充電開始時(shí)間與充電持續(xù)時(shí)間。 當(dāng)前缺乏電動(dòng)汽車出行的可靠的歷史數(shù)據(jù),一般認(rèn)為電動(dòng)汽車對傳統(tǒng)汽車的替代使用不會(huì)對用戶的出行習(xí)慣產(chǎn)生影響。 根據(jù)2009 年美國交通部統(tǒng)計(jì)的家庭車輛行駛調(diào)查數(shù)據(jù)(national household travel survey,NHTS),一天中有14% 的家用車輛不被使用,有 43. 5% 的私家車日行駛里程在 32 km 以內(nèi),有 83. 7% 的私家車日行駛里程在 97 km 以內(nèi)。 將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)歸一化處理后,采用極大似然參數(shù)估計(jì)方法將車輛日行駛里程近似為對數(shù)正態(tài)分布,其概率密度函數(shù)為

式中:d 為日行駛里程,期望值 μ = 3. 7;標(biāo)準(zhǔn)差 б = 0. 9。

根據(jù)青島市地區(qū)統(tǒng)計(jì),青島市工薪族上下班和休閑用車?yán)锍堂吭缕骄?900 公里,即日平均行駛里程在 30 公里。 某汽車商家通過對潛在的車主每日行駛里程進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果如圖 2 所示,其中 93% 的車主日行駛里程在 80 公里以內(nèi)。

我國大部分地區(qū)正常下班時(shí)間為 17 時(shí),多數(shù)車主下班后即返回家中,這樣大多數(shù)電動(dòng)汽車能在19時(shí)之前回到家中。如圖 3 所示,采用對數(shù)正態(tài)分布描述電動(dòng)汽車最后一次行程結(jié)束時(shí)刻,其概率密度函數(shù)為

式中:t 表示時(shí)間,17 表示下午17時(shí)。

2.3 電動(dòng)汽車充電時(shí)間

電動(dòng)汽車充電持續(xù)時(shí)間計(jì)算公式大致為

式中:TC為電動(dòng)汽車充電持續(xù)時(shí)間,h;S 為日行駛里程,km;W100為每百公里的耗電量,kW·h / km;PC為充電功率,kW。

3、小區(qū)充電樁接入模式控制

為了有效地實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)充電樁的優(yōu)化接入和控制,采用“群控群管"的接入控制模式,將整個(gè)小區(qū)的電動(dòng)汽車群充電系統(tǒng)分為設(shè)備層、控制層、調(diào)度層和云平臺(tái)四層結(jié)構(gòu),如圖 4 所示。

①為設(shè)備層,包含箱變中 10 / 0. 4 kV 的高低壓轉(zhuǎn)換和一系列交直流充電樁(機(jī)),將小區(qū) 10 kV 電力接入,配電、變電模塊集成一體化,完成供電和交直流充電功能;②為控制層,通過群管群控實(shí)現(xiàn)對接入的每路交直流充電進(jìn)行控制管理,包括對充電樁(機(jī))狀態(tài)量、模擬量的監(jiān)測,對各路充電過程的控制以及電度計(jì)量;③為調(diào)度層,對服從調(diào)度的車輛進(jìn)行有序充電,實(shí)現(xiàn)電能最*分配,另外按照用戶的預(yù)約充電需求,合理安排充電時(shí)間;④為云平臺(tái),支持車主通過 APP 智能查詢周圍可用充電樁,實(shí)時(shí)了解充電進(jìn)度和費(fèi)用,與②③通過 CAN 總線或 GPRS 相互通信,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互以及充電樁的狀態(tài)監(jiān)控等功能。 且在運(yùn)營角度,云平臺(tái)可對車輛數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、用戶行駛數(shù)據(jù)等海量信息進(jìn)行處理、分析、挖掘,便于供應(yīng)商提供更精細(xì)化的服務(wù)。

4、有序充電控制策略

基于小區(qū)典型日基礎(chǔ)負(fù)荷曲線,提出不采集電動(dòng)汽車 SOC 來實(shí)現(xiàn)小區(qū)電動(dòng)汽車群有序充電的控制方法。在交通工程實(shí)踐中,一般以 15 min 的交通流量為基礎(chǔ)進(jìn)行劃分,基于此將一天劃分96個(gè)控制時(shí)間段,小區(qū)第 i(i = 1,2,…,96)個(gè)時(shí)段內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷為 Pi,單臺(tái)電動(dòng)汽車功率為 p0 。 考慮到電動(dòng)汽車SOC 獲取不到的情況,即電動(dòng)汽車所需的充電時(shí)間無法準(zhǔn)確得到,采用確定分析法得到單輛電動(dòng)汽車的充電持續(xù)時(shí)間 T0 ,通過尋找充電過程中總負(fù)荷最*點(diǎn)所在的時(shí)段 Tminj,采用倒序遞推原則選取電動(dòng)汽車的充電開始時(shí)段(指該時(shí)段的開始時(shí)刻),盡可能在低谷時(shí)段給電動(dòng)汽車充電。

4.1 尋找總負(fù)荷最*點(diǎn)時(shí)段

第 i 個(gè)時(shí)間段電網(wǎng)總負(fù)荷 Psumi為該時(shí)間段參與充電的 m 臺(tái)電動(dòng)汽車負(fù)荷與基礎(chǔ)負(fù)荷 Pi的疊加,即

每一輛電動(dòng)汽車安排充電后,重新計(jì)算 96 時(shí)段電網(wǎng)總負(fù)荷,找到總負(fù)荷的最*點(diǎn)所在的時(shí)段 Tminj, 為下一輛電動(dòng)汽車安排充電時(shí)間。 第 m 輛電動(dòng)汽車安排充電時(shí)間后,電網(wǎng)總負(fù)荷的最小值表示為

4.2 兩種控制策略比較

尋找到電網(wǎng)總負(fù)荷最*點(diǎn)所在時(shí)間段后,本文的策略方法沒有安排電動(dòng)汽車在該時(shí)段直接進(jìn)行充 電,而是采用倒序遞推的原則,重新選擇充電時(shí)間段。

當(dāng)前我國居民小區(qū) 17 時(shí)至次日 6 時(shí)用電分時(shí)電價(jià)劃分如表 1 所示。 其中,Tf - b 、Tp - b和 Tg - b分別為峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段的開始時(shí)刻;Tf - o、Tp - o和Tg - o分別為峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段的結(jié)束時(shí)刻。

總負(fù)荷最*時(shí)段充電,總負(fù)荷最*時(shí)段充電時(shí)序如圖 5 所示。 總負(fù)荷最*時(shí)段充電是指,新的電動(dòng)汽車接入時(shí),直接安排 EV 在上一輛電動(dòng)汽車負(fù)荷計(jì)入電網(wǎng)后總負(fù)荷最*點(diǎn)所在的時(shí)段 Tminj進(jìn)行充電,充電持續(xù)時(shí)間 T0 。 若谷時(shí)段可用充電時(shí)間大于 T0 ,則 Tminj為充電開始時(shí)段(如圖 5(a)所示);若谷時(shí)段可用充電時(shí)間小于 T0 ,那么距離谷時(shí)段結(jié)束T0前那一時(shí)段是充電開始時(shí)段。

倒序遞推時(shí)段充電,倒序遞推時(shí)段充電是指,新的電動(dòng)汽車接入時(shí),沒有直接安排其在 Tminj進(jìn) 行充電,而是采用倒序遞推原則安排充電時(shí)間。 若谷時(shí)段可用充電時(shí)間大于 T0 ,且 Tminj與谷時(shí)段開始時(shí)刻 Tg - b的時(shí)間差 Δt 大于 T0 / 2,則充電開始時(shí)段為 Tminj向前平移 T0 / 2 時(shí)長(如圖 6(a)所示);若谷時(shí)段可用充電時(shí)間大于 T0 ,且 Tminj與谷時(shí)段開始時(shí)刻 Tg - b的時(shí)間差 Δt 小于T0 / 2,則充電開始時(shí)段為谷時(shí)段開始時(shí)段 Tg - b ;若谷時(shí)段可用充電時(shí)間小于T0 ,那么距離谷時(shí)段結(jié)束 T0前那一時(shí)段是充電開始時(shí)段。 倒序遞推時(shí)段充電如圖 6 所示。

4. 3 有序充電控制流程

小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車群有序充電控制流程如圖 7 所示。 在調(diào)度平臺(tái)獲取當(dāng)前電網(wǎng)負(fù)荷信息后,根據(jù)得到的負(fù)荷最*點(diǎn)時(shí)段,制定電動(dòng)汽車的充電時(shí)段。將安排好的電動(dòng)汽車負(fù)荷與安排前的總負(fù)荷疊加, 尋找新的電網(wǎng)總負(fù)荷最*點(diǎn)時(shí)段,安排下一輛車的充電時(shí)段。

5、算例分析

5.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證本文方法的有效性,以某小區(qū)為例進(jìn)行仿真 驗(yàn) 證。 小 區(qū) ( 150 套 住 房, 平 均 每 套 住 房100 m 2 )總負(fù)荷包括居民日常基礎(chǔ)負(fù)荷和電動(dòng)汽車充電負(fù)荷。 配電變壓器容量為 630 kVA,電動(dòng)汽車采用交流慢充充電方式,充電功率為 3. 6 kW,充電效率為 0. 92。 小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷最大值占變壓器容量的 80% 。

基于概率密度分布,利用蒙特卡洛抽樣模擬電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí)間。 默認(rèn)所有車輛在早上 6:00 前結(jié)束充電。 根據(jù) 2009 年 NHTS 數(shù)據(jù),結(jié)合我國私家車行駛特點(diǎn)可知,90% 左右的用戶日行駛里程在100 公里以內(nèi),采用確定分析法計(jì)算電動(dòng)汽車的充電持續(xù)時(shí) 間 T0 。 根 據(jù) 公 式 ( 3 ), 取 S = 100 km,W100 = 13. 3 kW·h / km ,PC = 3. 3 kW,得到 T0 = 4. 03 h。

經(jīng)過 4 小時(shí)的持續(xù)充電,90% 左右的私家車能充至滿電狀態(tài)。 假設(shè)日行駛里程 100 公里以上的車輛不參與調(diào)度過程。 可見,對于參與有序充電控制過程的用戶,T0 = 4 基本能滿足他們的充電需求。電動(dòng)汽車商家從電網(wǎng)購電的分時(shí)電價(jià)及商家收取的充電分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分如表 2 所示。

5.2 仿真結(jié)果

通過蒙特卡洛法分別模擬 20 ~ 100 輛電動(dòng)汽車在 17:00 ~ 6:00 的充電情況,得到不同數(shù)量的電動(dòng)汽車在無序充電、總負(fù)荷最*時(shí)段充電和倒序遞推時(shí)段充電 3 種充電模式下的電網(wǎng)負(fù)荷曲線(如圖 8所示)。 表 3 是以 100 輛電動(dòng)汽車的充電數(shù)據(jù)為例,從充電經(jīng)濟(jì)性、峰谷差率等方面對上述 3 種充電模式進(jìn)行對比。

1)無序充電。無序充電模式下,大量的電動(dòng)汽車集中在傍晚充電,與小區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷高峰重疊,出現(xiàn)峰上加峰的情況。 本例中,100 輛電動(dòng)汽車進(jìn)行無序充電會(huì)超出變壓器最大負(fù)載限制,威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

從表 3 可以看出,無序充電模式下最大總負(fù)荷達(dá)到變壓器容量的 1. 2 倍,采用倒序遞推時(shí)段充電模式時(shí)電網(wǎng)總負(fù)荷峰谷差率最*,僅為總負(fù)荷最*時(shí)段充電模式時(shí)的一半;經(jīng)濟(jì)效益方面,與無序充電模式相比,兩種有序充電模式下用戶平均充電費(fèi)用降低了 36. 7% ,運(yùn)營商每天的利潤增加了 2. 8% 。可見,倒序遞推時(shí)段充電模式能夠?qū)崿F(xiàn)用戶、運(yùn)營商和電網(wǎng)公司的多贏。

6、解決方案

圖1平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

充電運(yùn)營管理平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊(duì)等待的情況，同時(shí)也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過平臺(tái)可對充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對充電樁的功率進(jìn)行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對電網(wǎng)造成過大的負(fù)荷。

7、安科瑞充電樁云平臺(tái)具體的功能

平臺(tái)除了對充電樁的監(jiān)控外，還對充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)營成本，平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖2充電樁運(yùn)營管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計(jì)、使用率排行、運(yùn)營統(tǒng)計(jì)圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

圖3大屏展示界面

站點(diǎn)監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖4站點(diǎn)監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實(shí)時(shí)曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖5設(shè)備監(jiān)控界面

運(yùn)營趨勢統(tǒng)計(jì)：顯示運(yùn)營信息查詢、站點(diǎn)對比曲線、日月年報(bào)表、站點(diǎn)對比列表等功能。

圖6運(yùn)營趨勢界面

收益查詢：提供收益匯總、實(shí)際收益報(bào)表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢分析、故障類型餅圖等功能。

圖8故障分析界面

訂單記錄：提供實(shí)時(shí)/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導(dǎo)出、運(yùn)營商應(yīng)收信息、充電明細(xì)、交易流水查詢、充值余額明細(xì)等功能。

圖9訂單查詢界面

8、產(chǎn)品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營管理的市場需求。實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力電池快速、高效、安全、合理的電量補(bǔ)給，同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性，具有有智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護(hù)的功能；智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能；云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等；遠(yuǎn)程升級(jí)：具備完善的通訊功能，可遠(yuǎn)程對設(shè)備軟件進(jìn)行升級(jí)；保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能；適配車型：滿足國標(biāo)充電接口，適配所有符合國標(biāo)的電動(dòng)汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)。

9、現(xiàn)場圖片

10、結(jié)論

本文在不采集電動(dòng)汽車 SOC 前提下,綜合考慮用戶的充電需求和電網(wǎng)負(fù)荷水平,提出了基于分時(shí)電價(jià)的倒序遞推時(shí)段充電方法。 通過仿真分析,得到如下結(jié)論:

1)峰谷差率方面,相比較無序充電模式,兩種有序充電模式均能夠降低總負(fù)荷峰谷差率。 倒序遞推時(shí)段充電模式下的谷時(shí)段更加平坦,填谷效果更加明顯。 而總負(fù)荷最*時(shí)段充電模式會(huì)產(chǎn)生新的負(fù)荷尖峰,甚至?xí)^基礎(chǔ)負(fù)荷的峰值。

2)經(jīng)濟(jì)效益方面,兩種有序充電模式下車均充電費(fèi)用和運(yùn)營商的日利潤是相同的。 相比無序充電模式,有序充電模式大幅度降低了用戶每次充電的費(fèi)用,提高了用戶的滿意度和響應(yīng)有序充電策略的積極性。

3)采用倒序遞推時(shí)段充電模式在降低用戶充電成本、提高運(yùn)營商收益的同時(shí),也提高了配電變壓器的使用效率和壽命,實(shí)現(xiàn)了用戶、運(yùn)營商和供電部門的多贏。