熊 煒 王 凱 吳勝聰 鄒 宇 鮑 剛

(1.三峽大學 電氣與新能源學院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室,湖北宜昌 443002;3.三峽大學 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002;4.廣西電網(wǎng)有限責任公司 欽州供電局,廣西 欽州 535000)

近年來,世界各國逐步減少傳統(tǒng)燃油汽車的規(guī)模,促進電動汽車發(fā)展已達成共識[1].電動汽車在無序充電狀態(tài)下,有可能導致電網(wǎng)容量不足,從而對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響.通過有效的技術和經(jīng)濟手段引導電動汽車用戶有序充換電,在不影響電動汽車用戶使用的前提下,合理地分配電動汽車的充電時間和充電地點,不但可以降低對電網(wǎng)的負荷沖擊以及減少不必要的發(fā)電容量建設與電網(wǎng)建設,還可以減小負荷峰谷差,提高電網(wǎng)運行效益,使電動汽車與電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展[2-3].另一方面,積極改變電力結構,增加新能源的開發(fā)使用.新能源分散性廣,具有很大的隨機性和間歇性,通過調度常規(guī)發(fā)電機組提高電網(wǎng)對其消納能力的空間有限.當然前人在能源互補上[4],時空調度上[5],電網(wǎng)規(guī)劃上[6]都做了很多的研究提高新能源消納容量.分布式新能源既可以并入電網(wǎng),也可以以微網(wǎng)的方式運行.而電動汽車作為一種分布式儲能元件,充分利用電動汽車充電與分布式能源協(xié)調互補特性,對于擴大電力終端用電市場,降低需求側峰谷差,提高電力供需平衡和電力設備負荷效率,改善電網(wǎng)的負荷特性,減少為維持電網(wǎng)低負荷運轉而引起的調峰費用等,具有重要的現(xiàn)實意義.在此基礎上,研究電動汽車充換電平臺,前期工作就是研究對電動汽車運行狀態(tài)的監(jiān)測,為后期的平臺建設提供基礎數(shù)據(jù)支持,實現(xiàn)電池數(shù)量規(guī)劃,配送站規(guī)劃,換電站規(guī)劃,物流規(guī)劃,新能源聯(lián)合優(yōu)化消納.

1 電動汽車充換電與新能源消納聯(lián)合運行

電動汽車與新能源消納聯(lián)合運行的實現(xiàn)需要綜合平臺的建設.平臺主體結構包含3個部分:電動汽車狀態(tài)監(jiān)測;云數(shù)據(jù)綜合服務系統(tǒng);客戶終端APP.如圖1所示.

電動汽車狀態(tài)監(jiān)測初步研究實現(xiàn)兩個方面的數(shù)據(jù)采集:動力電池實時電壓和實時位置,并且在緊急情況下的遠程斷電控制.動力電池實時電壓的采集目的是采用較高性價比的方法監(jiān)測動力電池的實時電量,從而為電動汽車充換電的時間調度提供基礎數(shù)據(jù).實時位置為經(jīng)緯度,為電動汽車充換電的空間調度提供基礎數(shù)據(jù).

圖1 電動汽車充換電與新能源消納聯(lián)合運行結構圖

綜合處理及服務系統(tǒng)對于采集的數(shù)據(jù)進行分析交換,其采集的數(shù)據(jù)不僅包含電動汽車運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù),同時包含風光能源的儲能數(shù)據(jù).風光分布式電源的電量采集數(shù)據(jù)可直接通過電網(wǎng)的營銷系統(tǒng),各分布式電源均有電能計量裝置,數(shù)據(jù)上傳至營銷系統(tǒng),所以可在營銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中直接讀取采集分布式電源的電能基礎數(shù)據(jù).并且建立時間空間上的目標函數(shù)與約束條件,進行有序調度.客戶終端APP讓終端用戶方便查看車輛及充換點的相關信息、實時充電的成本信息和推薦信息.

2 電動汽車狀態(tài)監(jiān)測工作原理

2.1 動力電池實時電壓檢測

蓄電池是各類電動汽車中最常用的儲能元件,其剩余電量的精確測量在電動汽車的發(fā)展中一直是一個非常關鍵的問題,因為只有對電池剩余電量進行精確測量才能使駕駛員及時掌握正確的信息,預測自己的后續(xù)行駛里程,并及時進行充電.因此很有必要對電動汽車電池電量進行實時監(jiān)測,這樣就可以讓車主對電池剩余電量有了充分的了解,大大提高了電動汽車的實用性.

運用霍爾電壓傳感器采集電動汽車電池的電壓信息,因電動汽車電池電壓可以看作是電池SOC(荷電狀態(tài))的表征量,故可將采集到的電壓轉換成電池SOC,即電池電量.

霍爾電壓傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器.如圖2所示,霍爾電壓傳感器主要包括初級線圈、磁環(huán)、次級線圈、放大電路及與初級線圈串聯(lián)的限流電阻Rm.拋開限流電阻Rm,剩余部分相當于一個閉環(huán)霍爾電流傳感器.

圖2 閉環(huán)霍爾電壓傳感器結構圖

采用CHV-25P/400霍爾電壓傳感器.閉環(huán)霍爾電壓傳感器的輸入與輸出具有良好的線性關系(線性度為0.1%),且被測電壓為額定電壓400 V時,輸出電壓為5V,由此可得輸入電壓Vi與輸出電壓Vo的關系為Vi=80Vo(1)

在原邊電壓輸入加上被測電壓,經(jīng)過閉環(huán)霍爾電壓傳感器,在輸出端使用單片機模數(shù)轉換采集輸出端電壓,經(jīng)過換算得出被測電壓大小.

2.2 電動汽車實時位置檢測

在電動汽車運行過程中,直流電壓傳感器實時監(jiān)測動力電池的電壓,并將收集到的數(shù)據(jù)信息以RS485通信方式傳遞到中央處理單元.同時GPS定位模塊將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳到中央處理單元,另外預留一路R485作為功能擴展.無線通訊模塊將中央處理單元處理所得的電壓值與GPS定位信息通過GSM短信和GPRS通訊方式上傳至服務器中.服務器和終端手機一方面收集電壓和位置數(shù)據(jù),另一方面也可通過指令實現(xiàn)遠程控制繼電器開合.同時也添加了一個LCD屏和一個按鍵,可以即時采集電壓和位置信息并且顯示,便于測試,如圖3所示.

圖3 在線監(jiān)測功能結構圖

實圖中開發(fā)板接線柱7個端子,含繼電器接口,RS485端子和供電端子.含一路繼電器,1個手機卡槽,GPS天線和手機天線接線柱,屏幕接線和按鍵,遠程通訊模塊和中央處理單元,如圖4所示.

圖4 實物圖

在位置監(jiān)測中,暫未考慮地下車庫等情況的定位.后期根據(jù)需要,研究室內WIFI輔助定位.

3 電動汽車狀態(tài)監(jiān)測測試環(huán)境

兩臺雙路直流電源,1張SIM卡.兩臺直流電源其中一臺作為供電,一路供電給電路板,一路供電給直流電壓采集器.均為12 V.另一臺直流電源接到直流電壓采集器上,作為輸入電壓測試用.

參數(shù)設置如圖5所示,設置數(shù)據(jù)上傳手機時間間隔為1 min;設置授權手機號碼;設置繼電器的開關指令為“設備1開”“設備1關”;由于室內信號不好,容易使GPS定位不準確,故采用了外接長GPS天線.電壓和位置信號同步傳至服務器的時間間隔為固定500 ms.

圖5 參數(shù)設置

因設置1 min發(fā)送一次采集數(shù)據(jù),所以每隔1 min發(fā)一條短信到目的地手機,信息內容為電壓和地理經(jīng)緯度,測試結果如圖6所示.并且每隔500 ms,電壓和位置經(jīng)緯度信息發(fā)送到服務器,在服務器中的信息管理系統(tǒng)中標注在地圖中.電壓信號因為返回值為寄存器返回的電阻值.根據(jù)公式(2)

圖6 測試結果

換算為真實測量電壓值,該直流電壓傳感器最大可測量電壓為300 V,所以真實電壓為1 028×300×0.000 1=30.84 V,后期也將在服務器系統(tǒng)中轉換數(shù)據(jù),顯示實測電壓值.手機發(fā)送指令“設備1開”,繼電器動作聲音傳出.手機發(fā)送指令“設備1關”,繼電器動作聲音傳出.

遠程繼電器為預留功能接口.根據(jù)需求方要求,可實現(xiàn)特殊情況下的電動汽車遠程斷電,遠程開關空調,遠程開關后備箱收發(fā)快遞.

4 狀態(tài)監(jiān)測的通用性及擴展性

通過RS485口可以連接各種傳感器進行工業(yè),體育,電氣方面的應用.如可以接入投入式液位傳感器,進行水桶,廢油桶的定位及液位實施監(jiān)測.可以接入加速度傳感器,裝在體育背心上,作為運動軌跡和運動步數(shù)的監(jiān)測等等.在電動汽車狀態(tài)監(jiān)測中采集的電壓數(shù)據(jù)沒有直接換算,而是考慮將數(shù)據(jù)最終傳至綜合服務平臺服務器中進行換算和分析,同樣是為了保持其在線狀態(tài)監(jiān)測通用性.

圖7 擴展及通用性

綜合服務平臺將采集的數(shù)據(jù)結合地圖信息系統(tǒng),形象地展示監(jiān)測點的位置和狀態(tài).在數(shù)據(jù)中,通過電壓判斷動力電池電量,通過新能源的電能計量數(shù)據(jù)判斷所需消納新能源總量.結合距離約束條件,電價的靈敏性調節(jié),有序調度電動汽車充電.

5 結 論

電動汽車的充電具有隨機性,可調節(jié)性,分布性的特點.新能源同樣具有隨機性和分布式的特點.二者規(guī)模化發(fā)展后,一方面電動汽車的無序性將帶來電網(wǎng)短時間內的功率不平衡,負荷波動大,另一方面,新能源消納存在困難.通過電動汽車和新能源消納聯(lián)合運行,優(yōu)化能源配置.則以大數(shù)據(jù)的采集為前提,有如下研究:1)通過綜合服務平臺有序調度電動汽車,對接新能源,盡量就地消納;2)對電動汽車實時在線狀態(tài)監(jiān)測,獲得動力電池狀態(tài)和電動汽車的實時位置,方便時間和空間上的調度;3)研究中充分考慮狀態(tài)監(jiān)測的通用性和擴展性.

后期將進一步研究電動汽車調度的多目標函數(shù)和約束條件,以空間電價和時間電價為手段引導,完善綜合服務平臺的服務器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫.