居民小區(qū)電動汽車如何實現(xiàn)有序充電

1 引言

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類對能源需求的不斷增長，能源被大量消耗，產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。機動車輛已經(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，風力發(fā)電等，但由于二者的功率輸出是隨機波動的，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，從燃油動力汽車轉(zhuǎn)向電動汽車是解決汽車造成的環(huán)境污染的有效手段。當前電網(wǎng)系統(tǒng)的有基金項目：北京市教委科研計劃項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，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，也有一些學者對EV充電分層分區(qū)調(diào)度策略進行了研究。

居民小區(qū)具有用車規(guī)律性強、可控性強、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)充電過程中隨機停放且無序充電對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴重隱患及充電間時過長的問題，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)劃原則和負荷分布的影響等方面展開研究。結(jié)合概率收費模型和電力消費數(shù)據(jù)，在標準中定義的不同充電功率下，隨機模擬不受控制、限制和價格優(yōu)化的EV充電產(chǎn)生的影響。將大量EV推遲至用電谷時段進行充電以減小EV充電對小區(qū)變壓器的沖擊，并且考慮到分時電價可減少用戶充電費用，提高經(jīng)濟性，保證EV與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動發(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返回后駐車時長的計算方法為TS = tout - tback ，（1）式中：TS為用戶駐車時長，h；tout為用戶外出時刻；tbac 為用戶返回時刻。EV 結(jié)束充電時刻tover的表達式為tover = tstart+ Tcha ，（2）式中：tstart 為充電開始時刻；Tcha 為充電時長，h。設(shè)t時刻共有m輛EV進行充電，則EV充電總功率 Pt，EV和功率Pa.t的表達式為Pt，EV =EV，（3）

式中：PEV 為EV荷電功率。Pa.t = Pmax - Pload - Pt，EV，（4）式中：Pmax為功率限值，kW；Pload為除EV充電之外的日常負荷，kW。EVi進行有序充電的優(yōu)先級計算方法為，（5）式中：γ為EV充電優(yōu)先級。

在設(shè)計EV的充電優(yōu)先級時，設(shè)置當γ= 1時的優(yōu)先級高，EV優(yōu)先進行充電；當γ=0時的優(yōu)先級低，EV最后進行充電。為了讓EV在車主離開小區(qū)時處于滿電狀態(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。當用戶把EVi連接到充電樁時,可通過充電樁的人機交互界面對EV的期望荷電狀態(tài)、用戶預(yù)計離開時刻進行設(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的充電負荷信息上傳至有序充電控制器，有序充電控制器獲得各個EV的充電負荷信息后對EV的充電進行控制，其實施流程如圖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時刻將已經(jīng)充電完成的EV從計算充電序列中剔除。

（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離開時刻在谷時段開始之后，且用戶返回時刻到遲充電完成時刻的時長大于EV充電所需時間。若上述延遲充電條件均滿足則EV進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時刻該小區(qū)實時 負荷信息，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命令使其對EV進行充電，若充電先級γ≠1，則采用當日制定的功率限制值計算t時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進行充電，記錄開始時間，計算結(jié)束時間。并更新功率裕度，繼續(xù)尋找本時刻高優(yōu)先級的EV，判斷是否可以進行充電，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EV在t時刻到完成充電時刻等于充電所需時長時開始充電、當停留時長等于充電時長時開始充電 。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行充電）。

（7）判斷t時刻是否晚于谷時段開始時刻，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)先級進行有序充電的情況下，對上述控制邏輯進行簡單的模擬，結(jié)果如圖 3 所示，并與即充即走的無序充電模式進行對比 。圖3中藍色為 EV充電時間，紅色為 EV 可以進行充電的時間 。 由圖3可見：C，G， H，I，J，K，L號 EV 均可在峰谷時進行充電 。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在到達小區(qū)時就立即開始充電，導(dǎo)致用電高峰時有大量EV接入電網(wǎng)進行充電，給小區(qū)的變壓器帶來很大的負擔，甚至會產(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 前用電高峰階段進行充電的 EV 數(shù)量明顯減少，從9 輛減少為5 輛。 同時，21：00 后用電峰谷時段的充電EV由3 輛增加至7輛，顯著降低用電高峰期變壓器負荷，同時利用夜晚用電谷時段進行充電，達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有序充電策略進行試驗算例分析，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)的時間如圖5所示。所采訪小區(qū)的用電負荷高峰出現(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)的時間和EV充滿電所用時間分別如圖6及圖7所示。

圖5 EV返回小區(qū)時間

圖6 EV離開小區(qū)時間

圖7 EV充電時長

對用戶充電行為進行如下假設(shè)。

（1）用戶出行數(shù)據(jù)取自圖5—7，共計44輛 EV，充電樁的配比為1∶1，可隨時接入充電樁，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，谷時段為22：00—次日08：00。

（3）EV 每天返回后均進行充電，用戶期望駕車離開時EV電池電量為100%。

（4）變壓器的負荷紅線為1100kW。

2.2仿真結(jié)果

利用提出的EV有序充電策略對案例進行仿真分析，可得出有序充電和無序充電波動曲線如圖8所示。從有序充電和無序充電曲線的波動可以看出，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。此時電網(wǎng)系統(tǒng)的用電量即為負荷的達高峰，電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷壓力也大。

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充電時間，并將原本在用電高峰期充電的EV安排到其他時間段充電，提高電網(wǎng)的安全運行，降低電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷壓力。

圖8 EV有序充電與無序充電負荷對比

為了更直觀地體現(xiàn)有序充電的控制效果，計算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荷對比

從表2無序充電充電模式和有序充電模式下負荷數(shù)據(jù)對比可見：在EV數(shù)量相同的情況下，有序充電模式的負荷總峰值遠小于無序充電充電模式時的總峰值，且無序充電充電模式已經(jīng)超過負荷的紅線（1100kW），而有序充電模式可以保證負荷的穩(wěn)定性；從負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?/span>于EV 延遲充電的有序充電策略可以有效控制EV充電安全，并達到削峰填谷、錯峰充電的目的，對EV的推廣具有一定的積極意義。

3 安科瑞充電樁收費運營云平臺

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的汽車充電站、電動自行車充電站以及各個充電樁進行不間斷地數(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(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資源管理、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(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)交換機等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動采集現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進行規(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)故障時將數(shù)據(jù)存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時從中斷的位置繼續(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端或移動端實現(xiàn)實時監(jiān)測充電站配電系統(tǒng)運行狀態(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

總覽當日、當月開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，累計的開戶數(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。

3.4.3交易結(jié)算

充電價格策略管理，預(yù)收費管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表。

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、故障分析等管理項，為用戶管理故障和查詢提供方便。

4結(jié)束語

EV的充電周期與人們的生活習慣密切相關(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)定運行。

（1）從EV充電的選擇策略著手進行研究，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行了分析。

（3）以實際居民小區(qū)EV充電為例進行仿真分析，證明了本文提出的EV有序充電策略的方法能夠?qū)?/span>現(xiàn)EV有序充電，并有效降低充電總峰值，達到削峰填谷、錯峰充電的目的，表明提出的有序充電策略方法設(shè)計的有效性。

參考文獻

[1]葛磊蛟，崔慶雪，李明瑋，等.風光波動性電源電解水制氫技術(shù)綜述［J］.綜合智慧能源，2022，44(5)：1-14.

[2]李景麗，時永凱，張琳娟，等.考慮電動汽車有序充電的光儲充電站儲能容量優(yōu)化策略［J].電力系統(tǒng)保護與控制,2021，49（7）：94- 102.

[3]賀瑜環(huán)，楊秀媛，陳麒宇，等.電動汽車智能充放電控制與應(yīng)用綜述［J].發(fā)電技術(shù)，2021，42（2）：180- 192.

[4]董偉杰等.居民小區(qū)電動汽車有序充電策略研究第一期. 綜合智慧能源

[5]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2020.06