黃其新，戶 帥（三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江蘇南京，210012）

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電動汽車有序充放電控制研究與應(yīng)用綜述

黃其新，戶 帥
（三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江蘇南京，210012）

隨著政府對電動汽車的重視，電動汽車規(guī)模日益增大，電動汽車的充放電有序控制不僅減小對電網(wǎng)的負(fù)面影響，還能將其應(yīng)用于系統(tǒng)的調(diào)峰，調(diào)頻，事故備用等方面。本文介紹了電動汽車充電對電網(wǎng)影響的研究方向，從時(shí)間維度和空間維度兩方面總結(jié)了目前采用的研究方法和存在的問題，并總結(jié)了常用的優(yōu)化方法、目標(biāo)函數(shù)和重要的約束條件.指出完善電價(jià)激勵(lì)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能充電導(dǎo)航，開發(fā)便捷友好的控制終端是有序充電控制未來的研究方向。

電動汽車；充放電控制；V2G；電價(jià)機(jī)制

0　引言

近年來世界各國政府出臺了一系列政策以推動電動汽車的發(fā)展。我國國務(wù)院在2015年出臺了關(guān)于加快電動汽車充電設(shè)施的指導(dǎo)意見，極大地促進(jìn)了充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展起到了指導(dǎo)性的作用。截止到2016年1月底根據(jù)中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，全國已建成公共充電設(shè)備58758個(gè)，其中交流充電樁38312個(gè)，直流充電機(jī)12101個(gè)，交直流一體充電樁8345個(gè)，另外私人充電樁50241個(gè)。電動汽車的巨大發(fā)展?jié)摿σ鹧芯空邔ζ鋸V泛關(guān)注。電力研究工作者已做了大量的工作。

文獻(xiàn)［1］從輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)角度對電動汽車接入電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，指出電動汽車的充電行為和儲能特性對未來電網(wǎng)的影響，電動汽車充電站是發(fā)展電動汽車所必須的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，電動汽車充放電控制策略和充電設(shè)施布局規(guī)劃是研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］對電動汽車的充電需求進(jìn)行了分析，提出了發(fā)展電動汽車對充電技術(shù)的要求，分析了影響電動汽車充電站規(guī)劃的幾方面因素，并對其布局規(guī)劃提出了原則性建議。

電動汽車大量接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，無序隨機(jī)的充電行為會對電網(wǎng)造成多方面的不利影響。已有的研究成果主要集中在對電網(wǎng)負(fù)荷峰值、電網(wǎng)的網(wǎng)損、諧波污染、電網(wǎng)電壓以及對配電變壓器的使用壽命等幾方面的影響。文獻(xiàn)［3］分析了影響電動汽車功率需求的因素，建立了電動汽車功率需求的模型，指出多臺電動汽車充電時(shí)會使電網(wǎng)負(fù)荷峰值增大，對充電負(fù)荷集中的線路，這種影響更為顯著。文獻(xiàn)［4］指出大量電動汽車蓄電池接入電網(wǎng)充電時(shí)，不僅加重了供電系統(tǒng)（用電高峰）的負(fù)擔(dān)，而且還存在著諧波污染。文獻(xiàn)［5-6］分析了電動汽車充電機(jī)負(fù)荷對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗的影響。文獻(xiàn)［7］研究了電動汽車對配電變壓器的功率損耗、使用壽命的影響。電動汽車的充電行為具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，電動汽車的充電裝置中使用的整流裝置會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)造成污染。

2　電動汽車有序充電控制

電動汽車的充電需求體現(xiàn)在接入時(shí)間、接入地點(diǎn)和充電量。接入地點(diǎn)可以通過充電設(shè)施規(guī)劃對充電負(fù)荷在空間上進(jìn)行分布和引導(dǎo)。充電量則與汽車的行使里程和電池特性密切相關(guān)。接入電網(wǎng)的時(shí)間與車主的用車習(xí)慣和行使特性有關(guān)，用戶的行為模式?jīng)Q定了充電負(fù)荷的時(shí)間分布?？紤]到人們在用車習(xí)慣和使用時(shí)間上的隨機(jī)性和相似性，充電時(shí)間、充電地點(diǎn)和充電容量的無序疊加，造成電網(wǎng)容量不足或者影響電網(wǎng)負(fù)荷，造成“峰上加峰”的情況。通過對電動汽車充電的有序控制，在不影響車主用車計(jì)劃的前提下，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗允钩潆娯?fù)荷有序接入，達(dá)到對電網(wǎng)沖擊最小的目的，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.1時(shí)間維度控制的有序充電

有序充電控制的問題可以通過制定不同的電價(jià)機(jī)制對充電用戶進(jìn)行引導(dǎo)，改變起始充電時(shí)間如峰谷電價(jià)，階梯電價(jià)、分區(qū)電價(jià)、協(xié)議電價(jià)、分時(shí)電價(jià)等。靜態(tài)電價(jià)如峰谷電價(jià)，階梯電價(jià)等因其電價(jià)機(jī)制固定，容易使充電用戶集中于低價(jià)時(shí)段充電造成新的負(fù)荷高峰。動態(tài)電價(jià)則根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷水平和用戶的接入情況動態(tài)制定每個(gè)用戶的充電電價(jià)，通過用戶自主響應(yīng)，調(diào)整起始充電時(shí)間，達(dá)到有序控制充電負(fù)荷的目的。動態(tài)電價(jià)因其靈活性已被研究者廣泛關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)。目前大多數(shù)的研究側(cè)重于時(shí)間維度的有序充電控制，制定各種電價(jià)措施引導(dǎo)車主響應(yīng)，對調(diào)動充電站參與積極性的激勵(lì)研究較少涉及，在充電站層面，電網(wǎng)可以制定相關(guān)激勵(lì)政策鼓勵(lì)充電站參與，使有序充電控制更加順利有序地推進(jìn)。

2.2空間維度控制的有序充電

由于充電站的選址不僅需要考慮電網(wǎng)條件和充電需求，還要考慮地理?xiàng)l件、環(huán)境影響、道路交通等因素，已有研究者考慮從空間尺度出發(fā)控制的有序充電問題，空間維度的有序充電控制優(yōu)化充電負(fù)荷的空間分配，需要考慮用戶改變充電點(diǎn)的運(yùn)行成本與充電排隊(duì)等待時(shí)間的問題，對充電設(shè)施規(guī)劃有重要的意義。

3　目標(biāo)函數(shù)與優(yōu)化算法

電動汽車的有序充電控制實(shí)質(zhì)是對目標(biāo)函數(shù)在定義域內(nèi)求解最優(yōu)值問題。如何構(gòu)建適合的目標(biāo)函數(shù)是有序充電的控制的關(guān)鍵所在。目標(biāo)函數(shù)的建立經(jīng)歷了從單一目標(biāo)函數(shù)到多目標(biāo)、分層優(yōu)化的過程。常規(guī)的約束的條件主要有以下一些：

1）車主用電需求

在車主設(shè)定的充電時(shí)間內(nèi)能最大限度滿足車主的對電量的要求。

2）充電時(shí)間

表示充電狀態(tài)，上述表達(dá)式表示即在停車時(shí)長內(nèi)能盡快完成充電過程。

3）配電變壓器容量

電動汽車接入電網(wǎng)充電時(shí)，與電網(wǎng)原始負(fù)荷的疊加不會導(dǎo)致變壓器超載。

4）車主電費(fèi)支出

有序控制策略下車主的電費(fèi)支出少于無序充電下的支出。車主電費(fèi)支出可以作為約束條件，也可以車主電費(fèi)支出最小作為目標(biāo)函數(shù)。

5）充電站運(yùn)營商收益

電動車主充電通過充電站與電力系統(tǒng)相聯(lián)，為調(diào)動運(yùn)營商的參與積極性，將運(yùn)營商收益作為約束條件有利于有序充電的推廣，也可以運(yùn)營商的收益最大作為目標(biāo)函數(shù)。

6）節(jié)點(diǎn)電壓水平

7）電網(wǎng)峰谷負(fù)荷

式（8）（9）給出了充電過程中對系統(tǒng)的影響。式（8）考慮了各節(jié)點(diǎn)電壓的約束條件，式（9）中有序控制后的峰谷負(fù)荷的差值小于無序控制下的平均值。

8）充電啟停次數(shù)

在有序充電控制中采用電價(jià)信號吸引車主的響應(yīng)，但頻繁的啟停充電機(jī)會影響電池的使用壽命。在優(yōu)化過程中，應(yīng)使充電機(jī)啟停次數(shù)最少。

4　有序充放電與智能調(diào)度控制

電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度是在考慮電力系統(tǒng)安全約束的前提下，分配各機(jī)組的有功出力，使系統(tǒng)運(yùn)行成本最小。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度在主要考慮水電和火電機(jī)組。電動汽車作為一種規(guī)模日益增大的分布式儲能單元，由于其能量流動的雙向性和可控性，使其參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、應(yīng)急電源和備用輔助服務(wù)等成為可能，可以改變電力系統(tǒng)的潮流分布，改善系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，改善電網(wǎng)對風(fēng)能、太陽能等可再生能源的接納，減緩電網(wǎng)的建設(shè)。

5　結(jié)論與展望

隨著政府對電動汽車相關(guān)扶持政策的出臺，相關(guān)法律法規(guī)和充電設(shè)施的不斷完善，電動汽車的普及已成為趨勢，大規(guī)模電動汽車接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)的運(yùn)行和控制帶來深刻影響。電動汽車充電負(fù)荷的有序控制和有效利用將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。未來的研究工作中應(yīng)關(guān)注以下幾個(gè)方面的問題：

1）電價(jià)引導(dǎo)方面的有序控制，落實(shí)到物理層面，開發(fā)界面友好的有序控制裝置。

2）充電智能導(dǎo)航，將交通擁堵情況與充電樁占用情況錄入系統(tǒng)，結(jié)合車輛剩余電量和車輛可達(dá)范圍，根據(jù)個(gè)性化的需求推薦用戶選擇最優(yōu)的充電路徑和最經(jīng)濟(jì)充電方式。

3）開發(fā)便捷的遠(yuǎn)程控制手段，將充電設(shè)置與手機(jī)終端連接，通過手機(jī)終端登錄客戶端，方便用戶實(shí)時(shí)管理充電狀態(tài)。

4）完善經(jīng)濟(jì)回報(bào)激勵(lì)機(jī)制，使車主主動自愿注冊為可調(diào)度電動汽車加入V2G參與系統(tǒng)的調(diào)度。

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黃其新，女，（1980-），講師，湖北潛江人，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。工作單位：三江學(xué)院

A Survey of Electric Vehicles Coordinated Charging and Discharging Control Research and its Application

Huang Qixin，Hu Shuai
（Mechanical and Electrical Engineering School，Sanjiang University，Nanjing，210012，Jiangsu，China）

With the government's emphasis on electric vehicles，which scale becomes lager，Electric vehicles coordinated charging and discharging can not only reduce adverse effects on the grid but also be applied to peak load regulation，frequency adjustment and emergency power supply.We reviewed the impacts of electric vehicle charge on the grid，summarized recent research methods and problems from the time angle and spatial angle，commonly used optimization algorithms，objective functions and important constraint conditions in this paper.We point out that perfect power price incentives mechanism，smart charging navigation and friendly and convenient control terminal are the potential research directions.

electric vehicle；charging and discharging control；V2G；power price mechanism

TM71

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