電動汽車充放電控制研究范文

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《電力建設雜志》2016年第9期

摘要:

大規模電動汽車入網參與電網調度需要在某一區域設置一個機構，作為電力公司調度部門和電動汽車的中介。針對機構對所管轄電動汽車的控制，首先，以1天為1個周期把電動汽車可能被控制的區域分為辦公區、居住區和超市購物區。然后，機構根據各電動汽車狀態信息把各區域的電動汽車分為充電集群和放電集群。之后，機構根據可調度容量、可調度時長、電動汽車車主違約度制定評價體系對集群內電動汽車在每個時段的充電或放電的順序進行排隊。最后，在保證電動汽車車主行駛和電池安全約束的情況下，對電動汽車進行充放電調度，使機構充放電盡可能滿足電力公司調度部門的調度計劃。

關鍵詞:

電動汽車;機構;分區;充放電集群;評價體系;充放電順序

0引言

能源危機、環境污染和氣候變化是當今人類面臨的三大挑戰，為了應對挑戰新一輪的能源變革勢在必行，基本方向是以實施清潔替代和電能替代為重點，加快能源結構從以化石能源為主向以清潔能源為主的根本轉變［1］。電動汽車是以電能替代化石能作為驅動能源，是電能替代的重要內容。隨著電池技術的逐漸成熟、充電站修建的不斷完善和成本的不斷降低，在不久的將來電動汽車將大批量替代燃油汽車［2-3］。對汽車行駛行為模式的研究表明，1天之中90%以上的時間電動汽車是處于停駛狀態，可以與電網互動(vehicle-to-grid，V2G)［4］，文獻［5］圍繞電動汽車與電網互動的調控技術、市場機制和基礎設施這3方面的關鍵問題進行了分析。文獻［6］針對電動汽車與電網互動對配電網規劃的影響進行了分析。另外研究表明，電動汽車具有規模大、接入點分散、單機容量小的特性，電動汽車V2G服務若采用集中控制將對調度系統的復雜性、通信能力、計算處理能力提出很高的要求。同時，允許用戶參與電力市場的門檻通常為MW級，而單輛電動汽車并不達到此容量級［7-8］?；诖?，文獻［9］提出了電動汽車集群的概念，也可稱為電動汽車機構。電動汽車機構管轄著某區域內一定數量的電動汽車，具有一定容量的可調度負荷和儲能容量，可以作為調度部門和每輛電動汽車的中介。目前，針對電動汽車集群并網對電網的影響及電動汽車集群的約束研究相對較多也比較完善［10］，但是，針對機構對每輛電動汽車控制的研究雖相對較多但側重點不同，有待完善和深入。文獻［11］為實現電動汽車機構與電動汽車之間的互動策略，在計及電動汽車用戶用車便利性的前提下，建立了基于優先權的電動汽車集群充放電優化模型。文獻［12］對停駛的電動汽車根據狀態進行分群，對可控狀態的電動汽車的充電行為進行控制。文獻［13］設計了一種用于協調電動汽車充電的多機構。文獻［14］把電動汽車分為充電集群和放電集群，然后根據需要動態管理每個電動汽車集群。文獻［15］提出了一種電動汽車根據自身以及附近電動汽車的信息進行決策的分布式控制策略。文獻［16］提出了一種停車場通過管理電動汽車參與V2G進行套利的調度模型。文獻［17］對電動汽車進行本地控制，為電力系統提供調頻輔助服務。雖然，上述文獻考慮了每輛電動汽車的影響，但是，并未全面考慮每輛電動汽車的調度優先順序、每次調度時每輛電動汽車的調度功率和車主違約對調度的影響。以1天為1個周期對電動汽車進行充放電調度，需要機構管轄的區域包括電動汽車1天所有可能長時間停駛的區域。研究表明，除了個別時間個別車輛遠距離行駛外，大多數車輛都是在一定區域內的辦公區、居住區、超市購物區循環行駛的。因此，本文把機構管轄的區域分為辦公區、居住區、超市購物區3個停駛區域，3個區域都是以充放電站的形式對電動汽車進行充放電管理。機構根據電動汽車的停駛區域和停駛時申報的停駛起始時刻、終止時刻、停駛時荷電狀態、結束時荷電狀態，把停駛區域內的電動汽車分為充電集群和放電集群，每輛電動汽車在每個停駛處只能選擇充電或放電，因為研究表明隨著充放電切換次數的增多，電動汽車的壽命會加速衰減［14］。除此之外，本文還制定一個評價標準對充電集群和放電集群的電動汽車在每時段調度的順序進行排列。最后，在考慮約束條件的情況下，使機構充放電盡量滿足調度計劃。

1機構的控制結構

機構有2方面的功能:一方面把自已管轄的電動汽車信息上傳給電力公司調度部門，并執行調度部門的調度計劃，從而從電力公司獲得收益;另一方面協調控制所轄各區的電動汽車充放電，為系統穩定運行、提高電能質量等創造條件，同時給予所管轄電動汽車車主一定收益。機構與各電動汽車只進行信息與資金交流，不進行能量交流，電動汽車與電網間的能量交換是通過現存的電力網絡進行的［18］?？紤]到電動汽車由于緊急情況可能需要快速充電，所以機構具備一定的零散快速充電樁，但是，由于需要快速充電的電動汽車數量少且接入電網時間短，不適合于調度［19］。所以本文只考慮接入辦公區、居住區和超市購物區的選擇慢速充放電的電動汽車。機構具體控制框圖如圖1所示。

2充放電集群的劃分機構

給所管轄的每個區和每輛電動汽車都設置一個編號，作為區和電動汽車的標識。每輛電動汽車在1天中任意時段可以在任意區做長時間停駛，停駛開始時，車主把電動汽車停駛的狀態信息告知機構，電動汽車車主提供給機構的狀態信息為S=［m，n，TS，TE，eSOC0，eSOCmin］(1)式中:m為電動汽車停駛區域編號;n為電動汽車編號;TS和TE分別為停駛的起始時刻和終止時刻;eSOC0為停駛起始時刻時電動汽車電池的荷電狀態;eSOCmin為電動汽車停駛結束時刻用戶設置的電動汽車電池的最小荷電狀態。機構根據每輛電動汽車的狀態信息可把在每個區的每輛電動汽車劃分為充電集群或放電集群，劃分的依據為:若eSOC0≤eSOCmin則把電動汽車劃分為充電集群，至于充電起始時刻及充電結束時的電池荷電狀態視調度計劃和優先順序而定，但是在停駛區間內充電結束時刻電池的荷電狀態必須大于等于eSOCmin以保證電動汽車用戶出行;若eSOC0＞eSOCmin則把電動汽車劃分為放電集群，放電起始時刻及放電結束時的電池荷電狀態同樣視調度計劃和優先順序而定，但放電集群中的電動汽車在停駛區間，放電終止時的荷電狀態應該大于等于eSOCmin，以滿足用戶用車。通過充放電集群的劃分可以使電動汽車在某一區的停駛時間內，只進行充電或放電，減少充放電切換次數，這樣有利于對電池壽命衰減的減緩，維護電動汽車車主的利益。

3電動汽車調度優先順序的判定

在第2節對各區的電動汽車劃分為充電集群和放電集群的基礎上，還需對電動汽車在每個時段充電或放電的優先順序進行判定，優先級高的電動汽車首先充電或放電以滿足調度計劃，優先級低的可以規劃在以后的某個時段被調度。影響電動汽車充電或放電優先順序的因素是以下3個:可調度容量、可調度時長、電動汽車車主違約度，本文首先對3個指標進行分析，然后使用直線型標準化的方式進行標準化處理［20］，最后建立優先順序的綜合評價體系。

3.1可調度容量計算及標準化

m區編號為n的電動汽車某時刻可調度容量為該時刻電池容量和停駛結束時刻可達到容量的差。若充電則為式(2)，若放電則為式(3)。Sn．C(t)=［eSOCn．max－eSOCn(t)］×Sn．EV(2)Sn．D(t)=(eSOCn(t)－eSOCn．min)×Sn．EV(3)式中:eSOCn(t)為編號為n的電動汽車該時刻的電池荷電狀態;eSOCn．min、eSOCn．max分別為編號為n的電動汽車的停駛結束時刻最小荷電狀態、最大荷電狀態，通常最大荷電狀態取1，最小荷電狀態視用戶出行計劃而定;Sn．EV為編號為n的電動汽車電池最大容量。編號為n的電動汽車可調度容量的標準化是該電動汽車此時可調度容量與此時所有電動汽車可調度容量中的最小值的差，和此時所有電動汽車可調度容量中的最大值與此時所有電動汽車可調度容量中的最小值的差的比值，充電如式(4)、放電如式(5)所示。αn．C(t)=Sn．C(t)－min{S1．C(t)，S2．C(t)，…，SN．C(t)}max{S1．C(t)，S2．C(t)，…，SN．C(t)}－min{S1．C(t)，S2．C(t)，…，SN．C(t)}(4)αn．D(t)=Sn．D(t)－min{S1．D(t)，S2．D(t)，…，SN．D(t)}max{S1．D(t)，S2．D(t)，…，SN．D(t)}－min{S1．D(t)，S2．D(t)，…，SN．D(t)}(5)式中:S1．C(t)、S1．D(t)、S2．C(t)、S2．D(t)、SN．C(t)、SN．D(t)分別為編號為1、2、N的電動汽車t時刻可調度容量，共N輛電動汽車。αn．C(t)或αn．D(t)越大說明編號為n的電動汽車在該時刻可調度的充電容量或放電容量越大，調度優先順序越靠前。

3.2可調度時長的計算及標準化

m區編號為n的電動汽車在某時刻的可調度時長為停駛結束時刻減去該時刻的差，如式(6)所示:Tn(t)=Tn．E－T(t)(6)式中:Tn(t)、T(t)、Tn．E分別為編號為n的電動汽車該時刻可調度的時長、調度時刻、停駛結束時刻。編號為n的電動汽車可調度時長的標準化是此時所有電動汽車可調度時長中的最大值與該電動汽車此時可調度時長的差，和此時所有電動汽車可調度時長中的最大值與此時所有電動汽車可調度時長中的最小值的差的比值，如式(7)所示:βn(t)=max{T1(t)，T2(t)，…，TN(t)}－Tn(t)max{T1(t)，T2(t)，…，TN(t)}－min{T1(t)，T2(t)，…，TN(t)}(7)式中:T1(t)、T2(t)、TN(t)分別為編號為1、2、N的電動汽車t時刻可調度時長，共N輛電動汽車。βn(t)越大說明編號為n的電動汽車可調度時長越小，越應該優先調度。

3.3電動汽車用戶的違約度及標準化

機構應建立每輛電動汽車的歷史互動數據庫，記錄每輛電動汽車是否按申報計劃在某個區結束停駛。若某輛電動汽車在某個區每次都是按照申報計劃結束停駛(在不影響調度計劃的情況下，為了反應電動汽車用戶用車的便利性可以給結束時間設置一定區間)則認為該輛電動汽車的違約度為0。若電動汽車用戶不是在申報的時刻離開停駛區，而是提前離開，則電動汽車用戶有一定的的違約度。除此之外，提前離開的程度也會影響違約度，提前的程度越大違約度越高，則編號為n的電動汽車違約度計算公式可用式(8)表示:γn=mnMn∑mnm=1(Tm．n．E－Tm．n．L)∑mnm=1(Tm．n．E－Tm．n．S)(8)式中:Mn表示機構記錄的編號為n的電動汽車在管轄區域停駛的次數;mn表示提前駛離停駛區的次數;mn/Mn表示該電動汽車的違約概率;Tm．n．S、Tm．n．E、Tm．n．L分別為該電動汽第m次停駛開始時刻、計劃離開時刻、實際離開時刻;∑mnm=1(Tm．n．E－Tm．n．L)/∑mnm=1(Tm．n．E－Tm．n．S)可表示該電動汽車的違約的程度，Mn和mn是根據機構的統計不斷更新變化的。編號為n的電動汽車違約度的標準化是該電動汽車的違約度與所有電動汽車中違約度最小值的差，和所有電動汽車中違約度最大值與所有電動汽車中違約度最小值的差的比值，如式(9)所示:χn=γn－min{γ1，γ2，…，γN}max{γ1，γ2，…，γN}－min{γ1，γ2，…，γN}(9)式中:γ1、γ2、γN分別為編號為1、2、N的電動汽車的違約度，共N輛電動汽車。由此可得χn越大，編號為n的電動汽車違約度越高，針對違約度高的電動汽車應該優先調度。

3.4評價體系的建立

由第3.1—3.3節建立如下某時刻優先調度指標體系:可調度容量越大即αn．C(t)或αn．D(t)越大，越優先調度;可調度時長越短即βn(t)越大，越優先調度;違約度越高即χn越大，越優先調度?；诙囗椫笜司C合評價決定某時刻電動汽車調度的優先順序，需考慮每項指標的權重，由于不同機構，考慮不同特性計算方式不同，本文設可調度容量的權重為0.3，可調度時長的權重為0.3，違約度的權重為0.4，綜合指標評價公式如式(10):V=0.3α(t)+0.3β(t)+0.4χ(10)

4模型建立

機構根據每輛電動汽車上傳的狀態信息確定充放電集群的最大、最小充放電容量，為了使實際負荷/出力和調度計劃偏差最小，以式(11)為目標函數，以式(12)、(13)為約束條件確定各時段可調度電動汽車的實際總的負荷/出力。

4.1目標函數

目標函數如式(11)所示:minf=∑T2t=T1［PN(t)－P(t)］2(11)式中:P(t)為t時段的調度計劃;PN(t)為t時段所調度電動汽車的實際總的負荷/出力;T1、T2分別為開始調度時間、結束調度時間。

4.2約束條件

為了維護電動汽車電池的安全和保證用戶的出行條件，電動汽車充放電必須滿足一定的約束條件。如式(12)、(13)分別給出了維護電池安全的最大充放電功率約束和滿足用戶出行條件的停駛結束時電池荷電狀態約束:－PD≤Pn(t)≤PC(12)eSOCn．min≤eSOCn．L≤1(13)式中:PC、PD分別為編號為n的電動汽車最大充電功率和最大放電功率;eSOCn．min、eSOCn．L分別為編號為n的電動汽車停駛時間結束時最小荷電狀態和實際荷電狀態。由第3節給定的評價體系和第4節模型確定的每個時段可調度電動汽車實際總的負荷/出力，可以確定每個時段每輛電動汽車的優先順序和實際負荷/出力，每個時段每輛電動汽車的優先順序和實際負荷/出力是不斷更新的。電動汽車接受機構的管理進行額外的充放電調度，不可避免地會對電池造成損耗。為了彌補電池損耗成本，同時為了鼓勵車主參與機構調度使車主獲得一定收益，機構應通過建設智能充放電裝置及給車主固定經濟補償和可變經濟利益的方式來引導電動汽車車主參與充放電調度。固定經濟補償為只要用戶簽約參與充放電調度就會相應的得到對電池損耗的補償;可變經濟利益為充電價格優惠，使放電價格價格大于充電價格，根據充放電電量的多少得到可變的經濟收益。

5算例分析

本文以某個區為例，設機構分配給超市購物區的任務為:19時段充電功率25kW;20時段充電功率20kW;21時段放電功率30kW;22時段放電功率20kW。實際超市購物區在可調度時間段?？苛?2輛電動汽車，其狀態信息如表1所示，設每輛電動汽車的最大充放電功率均為5kW，電池最大容量均為30kW•h。由表1可把編號為1，2，6，7，11，12的電動汽車歸入充電集群，經計算充電集群最小充電容量為36kW•h時才能保證車主用車，設每輛電動汽車都可以充滿，則充電集群最大充電容量為105kW•h。把編號為3，4，5，8，9，10的電動汽車歸入放電集群，經計算放電集群在不影響車主出行的情況下最大放電容量為48kW•h，最小放電容量為0kW•h。根據式(11)目標函數和式(12)、(13)約束條件為了使偏差最小，可以確定19時段充電集群充電功率為25kW，20時段充電集群的充電功率為20kW，21時段放電集群放電功率為29kW，22時段放電集群放電功率為19kW。4個時段總的偏差為2。19時段充電集群各電動汽車評價指標如表2所示。由于受每輛電動汽車最大充電功率限制，19時段應有5輛電動汽車以最大功率充電才能滿足實際總的充電功率，按優先順序可知編號為6，11，7，1，12的電動汽車優先考慮，所以編號6，11，7，1，12的電動汽車在19時段以5kW的功率充電，滿足實際總的充電功率。充電結束時編號6，11，7，1，12的電動汽車的荷電狀態變為0.467，0.567，0.567，0.567，0.667。20時段充電集群各電動汽車評價指標如表3所示。20時段調度的優先順序排列是編號為6，11，7，2，1，12的電動汽車。但是由于編號為1，2，6，11，12的電動汽車目前的荷電狀態還未滿足車主行駛要求，而后續停駛時刻又不再進行充電，所以為了滿足車主用車，首先確定編號為1，2，6，11，12的電動汽車的充電功率分別為1，3，4，4，1kW;為了滿足實際總的充電功率，同時考慮最大充電功率限制，不足的充電功率按優先調度順序添加，即編號為6，11，7的電動汽車在原有充電功率基礎上再分別增加1，1，5kW，即編號為6，11，7，2，1，12的電動汽車20時段總的充電功率分別為5，5，5，3，1，1kW。充電結束時編號為1，2，6，7，11，12的電動汽車電池荷電狀態分別為:0.6，0.6，0.633，0.733，0.733，0.7滿足車主出行最小荷電狀態約束。21時段放電集群各電動汽車評價指標如表4所示。由表4可知21時段電動汽車調度的優先順序排列是編號為10，5，8，3，9，4的電動汽車，為了滿足實際總的放電功率和考慮最大放電功率約束，以上編號的電動汽車放電功率分別為5，5，5，5，5，4kW。22時段放電集群中所有電動汽車將剩余可調度容量釋放出來參與調度才能滿足實際總放電功率，編號為3，4，5，8，9，10的電動汽車放電功率分別為1，2，4，4，4，4kW，共19kW，放電結束時編號為3，4，5，8，9，10的電動汽車的荷電狀態分別為0.4，0.6，0.5，0.5，0.5，0.4，滿足車主用車的最小荷電狀態約束。除此之外，由算例分析可以看出，電動汽車實際調度與調度任務存在偏差及電動汽車車主存在違約脫網的可能，如果把偏差及違約信息上傳，修正調度任務，存在信息延遲，所以機構需具備常備儲能設備，彌補調度偏差及車主違約對調度的影響。

6結論

本文針對機構對所管轄的電動汽車充放電控制進行了研究，首先機構把電動汽車調度區域分為辦公區、居住區、超市購物區，然后機構根據電動汽車車主上傳的電動汽車狀態信息，把各區的電動汽車分為充電集群、放電集群，之后針對電動汽車在某時段充放電順序問題，提出并建立了基于可調度容量、可調度時長、車主違約度的電動汽車優先級綜合評價體系，確定充放電順序。最后根據調度計劃及充放電約束條件確定每輛電動汽車充放電情況。由于存在調度偏差和車主違約的可能，所以機構在設計過程中應具備一定常備儲能設備。

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作者:李文華 范新濤 孔梅娟 單位:河北工業大學電氣工程學院