董偉杰，崔全勝，郝瀾欣，王義龍，劉國(guó)琳

（1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.特變電工科技投資有限公司，天津 301799）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人類(lèi)對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)，不可再生能源被大量消耗，產(chǎn)生大量的環(huán)境污染［1-2］。機(jī)動(dòng)車(chē)輛已經(jīng)成為生產(chǎn)生活中不可或缺的一部分，使用燃油車(chē)無(wú)疑會(huì)增加CO2的排放［3］。雖然新能源發(fā)電被越來(lái)越多地引入電網(wǎng)，如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等［4］，但由于二者的功率輸出是隨機(jī)波動(dòng)的，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成影響，產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題［5］。因此，減少燃油車(chē)的使用，從燃油動(dòng)力汽車(chē)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicle，EV）是解決汽車(chē)造成的環(huán)境污染的有效手段［6］。當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)的有序充電對(duì)智能電網(wǎng)的發(fā)展起著越來(lái)越大的作用［7］。隨著EV 的大規(guī)模使用，有序充電對(duì)電網(wǎng)及分布式能源的重要性日益增強(qiáng)［8］，需要解決EV充電問(wèn)題。

目前針對(duì)EV 充電的研究?jī)?nèi)容主要涉及充電負(fù)荷預(yù)測(cè)［9］、V2G［10-11］、EV 參與輔助服務(wù)［12］、配電網(wǎng)規(guī)劃［13］、充電站規(guī)劃［14］等，也有一些學(xué)者對(duì)EV 充電分層分區(qū)調(diào)度策略進(jìn)行了研究［15-17］。

居民小區(qū)具有用車(chē)規(guī)律性強(qiáng)、可控性強(qiáng)、方便調(diào)研等優(yōu)勢(shì)，因此將居民小區(qū)作為研究對(duì)象，針對(duì)EV 在居民小區(qū)充電過(guò)程中隨機(jī)停放且無(wú)序充電對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的嚴(yán)重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出一種采用延遲充電的EV有序充電控制策略。

1 EV有序充電策略

1.1 EV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(fù)荷分布的影響等方面展開(kāi)研究。結(jié)合概率收費(fèi)模型和電力消費(fèi)數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)中定義的不同充電功率下，隨機(jī)模擬不受控制、限制和價(jià)格優(yōu)化的EV 充電產(chǎn)生的影響［18］。將大量EV 推遲至用電谷時(shí)段進(jìn)行充電以減小EV 充電對(duì)小區(qū)變壓器的沖擊，并且考慮到分時(shí)電價(jià)可減少用戶(hù)充電費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)性，保證EV 與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動(dòng)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Fig.1 EV orderly charging control framework

1.2 延遲充電的充電變量定義

EV返回后駐車(chē)時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算方法為［19］

式中：TS為用戶(hù)駐車(chē)時(shí)長(zhǎng)，h；tout為用戶(hù)外出時(shí)刻；tback為用戶(hù)返回時(shí)刻。

EV結(jié)束充電時(shí)刻tover的表達(dá)式為

式中：tstart為充電開(kāi)始時(shí)刻；Tcha為充電時(shí)長(zhǎng)，h。

設(shè)t時(shí)刻共有m輛EV 進(jìn)行充電，則EV 充電總功率Pt，EV和功率Pa.t的表達(dá)式為

式中：PEV為EV荷電功率。

式中：Pmax為功率限值，kW；Pload為除EV 充電之外的日常負(fù)荷，kW。

EVi進(jìn)行有序充電的優(yōu)先級(jí)計(jì)算方法為

式中：γ為EV充電優(yōu)先級(jí)。

在設(shè)計(jì)EV的充電優(yōu)先級(jí)時(shí)，設(shè)置當(dāng)γ=1時(shí)的優(yōu)先級(jí)最高，EV 最優(yōu)先進(jìn)行充電；當(dāng)γ=0 時(shí)的優(yōu)先級(jí)最低，EV 最后進(jìn)行充電。為了讓EV 在車(chē)主離開(kāi)小區(qū)時(shí)處于滿(mǎn)電狀態(tài)，需要設(shè)置車(chē)主的優(yōu)先級(jí)γ=1，確保EV電池狀態(tài)達(dá)到滿(mǎn)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(jì)最重要的部分是對(duì)延遲充電條件的設(shè)置，通過(guò)對(duì)滿(mǎn)足條件的EV 延遲充電且不影響用戶(hù)的期望充電量為基礎(chǔ)，完成對(duì)居民小區(qū)EV有序充電的控制。當(dāng)用戶(hù)把EVi連接到充電樁時(shí)，可通過(guò)充電樁的人機(jī)交互界面對(duì)EV 的期望荷電狀態(tài)、用戶(hù)預(yù)計(jì)離開(kāi)時(shí)刻進(jìn)行設(shè)定。充電樁通過(guò)充電控制系統(tǒng)獲得EVi的電池信息，并將EV 的充電負(fù)荷信息上傳至有序充電控制器，有序充電控制器獲得各個(gè)EV 的充電負(fù)荷信息后對(duì)EV 的充電進(jìn)行控制，其實(shí)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Fig.2 EV orderly charging process with delayed charging

（1）在t時(shí)刻將已經(jīng)充電完成的EV 從計(jì)算充電序列中剔除。

（2）檢測(cè)有無(wú)EV 接入，若有則判斷是否符合延遲充電條件，若無(wú)EV接入則轉(zhuǎn)入步驟（4）。

（3）延遲充電條件：EV 離開(kāi)時(shí)刻在谷時(shí)段開(kāi)始之后，且用戶(hù)返回時(shí)刻到最遲充電完成時(shí)刻的時(shí)長(zhǎng)大于EV 充電所需時(shí)間。若上述延遲充電條件均滿(mǎn)足則EV 進(jìn)入有序充電控制器的充電等待序列中，否則立即對(duì)EV 充電以保證充電結(jié)束時(shí)的電池電量最大程度接近用戶(hù)期待荷電。

（4）有序充電控制中臺(tái)采集t時(shí)刻該小區(qū)實(shí)時(shí)負(fù)荷信息，尋找充電等待序列優(yōu)先級(jí)最高的EV。

（5）若EV 充電優(yōu)先級(jí)γ=1，則有序充電控制器對(duì)充電樁下達(dá)命令使其對(duì)EV 進(jìn)行充電，若充電優(yōu)先級(jí)γ≠1，則采用當(dāng)日制定的功率限制值計(jì)算t時(shí)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(duì)EV 進(jìn)行充電，記錄開(kāi)始時(shí)間，計(jì)算結(jié)束時(shí)間，并更新功率裕度，繼續(xù)尋找本時(shí)刻最高優(yōu)先級(jí)的EV，判斷是否可以進(jìn)行充電，直到充電優(yōu)先級(jí)γ≠1 且功率裕度小于EV 充電功率（判定優(yōu)先級(jí)γ=1 的邏輯為：當(dāng)EV 在t時(shí)刻到最遲完成充電時(shí)刻等于充電所需時(shí)長(zhǎng)時(shí)開(kāi)始充電、當(dāng)停留時(shí)長(zhǎng)等于充電時(shí)長(zhǎng)時(shí)開(kāi)始充電。其他充電優(yōu)先級(jí)γ≠1的車(chē)輛均根據(jù)功率裕度判斷是否進(jìn)行充電）。

（7）判斷t時(shí)刻是否晚于谷時(shí)段開(kāi)始時(shí)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(guò)程，通過(guò)問(wèn)卷收集了15條居民小區(qū)EV充電數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 居民小區(qū)EV充電數(shù)據(jù)Table 1 EV charging data of a residential area

假設(shè)該小區(qū)的峰谷時(shí)段為21：00至次日08：00。在不考慮功率限制、僅滿(mǎn)足優(yōu)先級(jí)但不具體根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行有序充電的情況下，對(duì)上述控制邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，結(jié)果如圖3所示，并與即充即走的無(wú)序充電模式進(jìn)行對(duì)比。圖3中藍(lán)色為EV 充電時(shí)間，紅色為EV 可以進(jìn)行充電的時(shí)間。由圖3 可見(jiàn)：C，G，H，I，J，K，L 號(hào)EV 均可在峰谷時(shí)進(jìn)行充電。但由于沒(méi)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(dá)小區(qū)時(shí)就立即開(kāi)始充電，導(dǎo)致用電高峰時(shí)有大量EV 接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，給小區(qū)的變壓器帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。

圖3 即充即走的無(wú)序充電模式Fig.3 Disordered plug?and?charge mode

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(jìn)行充電的EV 數(shù)量明顯減少，從9輛減少為5 輛。同時(shí)，21：00 后用電峰谷時(shí)段的充電EV 由3 輛增加至7 輛，顯著降低了用電高峰期的變壓器負(fù)荷，同時(shí)利用夜晚用電谷時(shí)段進(jìn)行充電，達(dá)到了削峰填谷的目的。

圖4 有序充電模式Fig.4 Orderly charging mode

2 EV有序充電算例分析

對(duì)提出的EV 有序充電策略進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行仿真分析，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查獲取小區(qū)EV回到社區(qū)的時(shí)間如圖5所示。所采訪(fǎng)小區(qū)的用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在20：00，功率峰值約900 kW，其次為12：00，功率峰值約600 kW。EV 返回后電池平均剩余容量為50%。通過(guò)問(wèn)卷獲取EV 離開(kāi)社區(qū)的時(shí)間和EV充滿(mǎn)電所用時(shí)間分別如圖6及圖7所示。

圖5 EV返回小區(qū)時(shí)間Fig.5 Arriving time of the EV （back to the residential area）

圖7 EV充電時(shí)長(zhǎng)Fig.7 Charging time of the EV

對(duì)用戶(hù)充電行為進(jìn)行如下假設(shè)。

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

（3）EV 每天返回后均進(jìn)行充電，用戶(hù)期望駕車(chē)離開(kāi)時(shí)EV電池電量為100%。

（4）變壓器的負(fù)荷紅線(xiàn)為1 100 kW。

2.2 仿真結(jié)果

利用提出的EV 有序充電策略對(duì)案例進(jìn)行仿真分析，可得出有序充電和無(wú)序充電波動(dòng)曲線(xiàn)如圖8所示。從有序充電和無(wú)序充電曲線(xiàn)的波動(dòng)可以看出，不采用有序充電策略，EV 充電處于大規(guī)模無(wú)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(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)的用電量即為負(fù)荷的最高峰，電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷壓力也最大。

圖8 EV有序充電與無(wú)序充電負(fù)荷對(duì)比Fig.8 Comparison of EV charging results taking orderly charging or disordered charging strategy

而在有序充電模式下，通過(guò)合理地安排EV 充電順序，可有效縮短EV 充電時(shí)間，并將原本在用電高峰期充電的EV 安排到其他時(shí)間段充電，提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行，降低電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷壓力。

為了更直觀地體現(xiàn)有序充電的控制效果，計(jì)算44 輛EV 在無(wú)序充電充電模式和有序充電模式下的峰谷差，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 無(wú)序充電模式和有序充電模式下的負(fù)荷對(duì)比Table 2 Comparison of the load under orderly charging or disordered charging mode

從表2無(wú)序充電充電模式和有序充電模式下負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)：在EV 數(shù)量相同的情況下，有序充電模式的負(fù)荷總峰值遠(yuǎn)小于無(wú)序充電充電模式時(shí)的總峰值，且無(wú)序充電充電模式已經(jīng)超過(guò)負(fù)荷的紅線(xiàn)（1 100 kW），而有序充電模式可以保證負(fù)荷的穩(wěn)定性；從負(fù)荷的峰谷差可以看出，有序充電模式的峰谷差僅為無(wú)序充電充電模式峰谷差的1/2?？梢?jiàn)提出的基于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(dá)到削峰填谷、錯(cuò)峰充電的目的，對(duì)EV的推廣具有一定的積極意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

EV 的充電周期與人們的生活習(xí)慣密切相關(guān)。隨著全國(guó)EV 保有量逐年增多，EV 大量無(wú)序充電的充電模式將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，因此有必要對(duì)居民區(qū)的EV 充電進(jìn)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(yùn)行。

（1）從EV 充電的選擇策略著手進(jìn)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(guò)程中遇到的問(wèn)題。

（3）介紹了EV 充電策略的理論基礎(chǔ)，對(duì)EV 充電的模式進(jìn)行了分析，然后針對(duì)居民小區(qū)EV 無(wú)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(duì)充電策略的總體框架進(jìn)行了分析。

（3）以實(shí)際居民小區(qū)EV 充電為例進(jìn)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)崿F(xiàn)EV 有序充電，并有效降低充電總峰值，達(dá)到削峰填谷、錯(cuò)峰充電的目的，表明提出的有序充電策略方法設(shè)計(jì)的有效性。