15821697760

摘要：鑒于眾多型號(hào)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)與居民小區(qū)慢充充電樁通信不暢的狀況，本文依確定性分析法，遵循倒序遞推原則確定電動(dòng)汽車充電起始時(shí)間，探索出一種無需采集電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車群有序充電的控制手段。以小區(qū)配電網(wǎng)為實(shí)例，運(yùn)用蒙特卡洛方法模擬用戶到達(dá)時(shí)間，對(duì)電動(dòng)汽車在無序充電、總負(fù)荷最低時(shí)段充電以及倒序遞推時(shí)段充電這三種模式下配電變壓器的負(fù)載情形展開仿真與剖析。結(jié)果顯示，倒序遞推時(shí)段充電能夠顯著縮減電網(wǎng)峰谷差率，且不會(huì)引發(fā)新的負(fù)荷尖峰，具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分時(shí)電價(jià)；有序充電；電動(dòng)汽車群；蒙特卡洛模擬；峰谷差率

0. 引言

隨著全球環(huán)境與能源問題的加劇，電動(dòng)汽車因其環(huán)保優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。然而，大規(guī)模電動(dòng)汽車群的無序并網(wǎng)充電，尤其是在負(fù)荷高峰期，會(huì)加劇配網(wǎng)峰谷差，危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出諸多電動(dòng)汽車有序充電控制策略，但多數(shù)基于準(zhǔn)確采集電動(dòng)汽車 SOC，而當(dāng)前我國(guó)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)電動(dòng)汽車 SOC 無法被準(zhǔn)確采集。因此，本文提出一種不依賴 SOC 采集的小區(qū)內(nèi)大規(guī)模電動(dòng)汽車群有序充電控制方法，引入電動(dòng)汽車群概念，通過分析私家車行駛里程規(guī)律確定充電時(shí)長(zhǎng)，依據(jù)電網(wǎng)總負(fù)荷最低點(diǎn)時(shí)段安排倒序遞推充電，并以某小區(qū)配電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析。

1. 電動(dòng)汽車群和分時(shí)電價(jià)

電動(dòng)汽車群指在特定區(qū)域內(nèi)至少 10 臺(tái)以上需充電的車群組，其充電是指同期對(duì)這些車輛充電。分時(shí)電價(jià)旨在鼓勵(lì)用戶合理用電，削峰填谷。以某小區(qū)為例，若充電分時(shí)電價(jià)能反映電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，在谷時(shí)段對(duì)小區(qū)電動(dòng)汽車群充電，既能保障用戶經(jīng)濟(jì)性，又可避免電網(wǎng)峰上加峰。

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)汽車多采用鋰電池，以三段式恒功率充電為主。以江淮 iEV5 等車型為例，其電池容量、續(xù)航里程、每百公里耗電量及充電功率等參數(shù)有相應(yīng)范圍，慢充一般需 5 - 8 小時(shí)充滿。

2.2 出行需求和習(xí)慣
用戶出行里程、時(shí)間等因素決定充電開始與持續(xù)時(shí)間。參考美國(guó)交通部數(shù)據(jù)及國(guó)內(nèi)相關(guān)調(diào)查，私家車日行駛里程多在一定范圍內(nèi)，且多數(shù)車主下班后即回家，為確定電動(dòng)汽車充電時(shí)間提供依據(jù)。

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(duì)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(guó)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[17] 。如圖 3 所示,采用對(duì)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
采用 “群控群管” 接入模式，將小區(qū)電動(dòng)汽車群充電系統(tǒng)分為設(shè)備、控制、調(diào)度和云平臺(tái)四層結(jié)構(gòu)。各層分別承擔(dān)高低壓轉(zhuǎn)換與充電、充電控制管理、電能分配與時(shí)間安排以及人機(jī)交互與數(shù)據(jù)處理等功能，實(shí)現(xiàn)小區(qū)充電樁的優(yōu)化接入和控制，提升服務(wù)質(zhì)量和管理效率。,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(duì)接入的每路交直流充電進(jìn)行控制管理,包括對(duì)充電樁(機(jī))狀態(tài)量、模擬量的監(jiān)測(cè),對(duì)各路充電過程的控制以及電度計(jì)量;③為調(diào)度層,對(duì)服從調(diào)度的車輛進(jìn)行有序充電,實(shí)現(xiàn)電能最優(yōu)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(yíng)角度,云平臺(tái)可對(duì)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)荷最低點(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)荷最低點(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)荷的最低點(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)荷最低點(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(guó)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)荷最低時(shí)段充電,總負(fù)荷最低時(shí)段充電時(shí)序如圖 5 所示。 總負(fù)荷最低時(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)荷最低點(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(zhǎng)(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)荷最低點(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)荷最低點(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(guó)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(duì)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(gòu)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)荷最低時(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(duì)上述 3 種充電模式進(jìn)行對(duì)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。

2)總負(fù)荷最低時(shí)段充電。 通過尋找總負(fù)荷最低點(diǎn)所在的時(shí)段直接進(jìn)行充電,其負(fù)荷曲線如圖8(b)所示。 可以看出:電動(dòng)汽車基本被安排到電價(jià)最低的谷時(shí)段進(jìn)行充電,且在 2:00 時(shí)開始出現(xiàn)新的負(fù)荷尖峰,隨著接入電動(dòng)汽車數(shù)量的增多,新負(fù)荷尖峰甚至?xí)^基礎(chǔ)負(fù)荷的峰值。

3)倒序遞推時(shí)段充電。 電動(dòng)汽車在倒序遞推時(shí)段充電所得的負(fù)荷曲線如圖 8(c)所示。 可以看出:該模式下電動(dòng)汽車基本全部被安排到電價(jià)最低的谷時(shí)段進(jìn)行充電,且電動(dòng)汽車接入后可以使低谷時(shí)段變得平坦,沒有明顯的新負(fù)荷尖峰出現(xiàn)。

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)荷峰谷差率最低,僅為總負(fù)荷最低時(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(yíng)商每天的利潤(rùn)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(yíng)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(yíng)管理平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，用戶可預(yù)約充電，平臺(tái)能監(jiān)控充電樁參數(shù)并處理故障，控制充電功率，避免對(duì)電網(wǎng)造成過大負(fù)荷，提高充電樁利用率和充電效率，提升用戶體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。

7、安科瑞充電樁云平臺(tái)具體的功能

平臺(tái)除了對(duì)充電樁的監(jiān)控外，還對(duì)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(yíng)成本，平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖2充電樁運(yùn)營(yíng)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(yíng)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(yíng)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)：顯示運(yùn)營(yíng)信息查詢、站點(diǎn)對(duì)比曲線、日月年報(bào)表、站點(diǎn)對(duì)比列表等功能。

圖6運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)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(shì)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(yíng)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

安科瑞提供多種類型充電樁，包括慢充和快充、便攜式、壁掛式、落地式等，涵蓋不同功率型號(hào)，如智能 7kW/21kW 交流充電樁、30kW 直流充電樁及更高功率直流一體式充電樁，滿足新能源汽車市場(chǎng)需求。這些充電樁具備智能監(jiān)測(cè)、計(jì)量、云平臺(tái)連接、遠(yuǎn)程升級(jí)、多種保護(hù)功能以及適配國(guó)標(biāo)充電接口等特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了各型號(hào)充電樁的技術(shù)參數(shù)，為用戶選擇合適的充電樁提供參考。

9、現(xiàn)場(chǎng)圖片

10. 結(jié)論
本文提出的基于分時(shí)電價(jià)的倒序遞推時(shí)段充電方法，在不采集電動(dòng)汽車 SOC 的情況下，綜合考慮用戶充電需求和電網(wǎng)負(fù)荷水平。通過仿真分析得出，與無序充電相比，兩種有序充電模式均能降低總負(fù)荷峰谷差率，其中倒序遞推時(shí)段充電模式谷時(shí)段更平坦，填谷效果更佳，且不會(huì)產(chǎn)生新負(fù)荷尖峰。在經(jīng)濟(jì)效益方面，有序充電模式降低了用戶充電費(fèi)用，提高了運(yùn)營(yíng)商收益，同時(shí)提高了配電變壓器的使用效率和壽命，實(shí)現(xiàn)了多方共贏，為小區(qū)電動(dòng)汽車群的有序充電提供了可行的解決方案，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。

審核編輯 黃宇