[科普中国]-电动汽车有序充电策略

简介

交通运输是人类能源消耗最大的领域之一。如果电动汽车能够替代燃油汽车得到广泛使用，全球能源消耗结构将得到巨大的转变，人类将向清洁能源利用，实现可持续发展迈进一大步。

在能源及环境压力下，对可再生清洁能源的利用己成为未来电网发展的确定趋势，由于波动性强、可控性差的特点，大规模可再生能源发电接入己对电网的安全稳定性造成了直接影响。同时由于负荷快速增长，引起的输配电升级改造需求也为电网的运行造成了压力。在发展清洁、经济、高效电网的目标下，对用户侧资源的利用己成为智能配电网建设的重要目标和应用领域之一，需求响应技术是目前智能配电网技术的热点内容，国内外己开展了多项研究和实践项目，并取得了一定的成。需求响应技术以用户侧的负荷和电源为控制对象，改变用户的用电方式，使用户参与电网的运行，实现发电和用电的平衡。电动汽车是位于用户侧的可控负荷和储能单元，电动汽车与电网的互动(Vehicle to grid, V2G) 可纳入需求响应的研究范畴。

但随着电动汽车规模化发展，大量电动汽车接入电网时，电动汽车对电网的影响是不容忽视的。对电网带来的不利影响有:

1.负荷的增长。电动汽车接入电网充电增加了电力系统负荷，若在负荷曲线高峰期接入大量电动汽车充电，则进一步拉大电网负荷曲线峰谷差，可能导致配电网线路过载、电压跌落、配电网损耗增加、配电变压器过载等一系列问题，甚至会超出局部配电网的承受能力，给电网安全运行带来负担。电网需要新增装机容量、改造相应输配电设备，使得电网运行效率降低。

2.电网运行优化控制难度的增加。由于电动汽车用户选取充电时间和空间的不确定性，则产生具有随机性的电动汽车充电负荷，对电网的优化控制提出更高的要求。

3.电动汽车充电负荷作为一种恒功率负荷，可能恶化电网频率电压特性，增加电网调频、调压的难度。

4.电动汽车充电过程主要完成交直流功率变换，充电负荷属于非线性负荷，所使用的电力电子设备将产生大量谐波，降低电网和用户的电能质量，减少电气设备使用寿命。

5.大规模接入的电动汽车充电负荷及大量建设的充电设施将改变配网拓扑结构(增加网络节点、线路改造等)以及负荷布局，对配电系统规划及运行方式提出了新的要求与挑战。

电动汽车有序充电的研究意义开展大规模电动汽车接入电网后对电网影响的定量评估及以减少负面影响为目标的充电控制策略研究，已日益成为人们关注的热点问题，而有序充电的概念随之产生。从电网角度讲，指在满足电动汽车充电需求的前提下，运用实际有效地经济或技术措施引导、控制电动汽车进行充电，对电网负荷曲线进行削峰填谷，使负荷曲线方差较小，减少了发电装机容量建设，保证了电动汽车与电网的协调互动发展2。

在V2G环境下，可以依据电网分时电价划分原则引导、鼓励用户主动调整用车行为和充电习惯等，进而保证电动汽车的有序充电。合理的电价机制能够有效的协调和控制社会生产、制造、消费等方方面面，促进人类更有效的利用电能。最为常用的电价类型峰谷分时电价，是依据电网负荷曲线状况，将一日24h均匀合理地划分峰、平、谷三个时段，利用不同时段的电价差异对电力用户产生价格刺激，从而促使电力用户在电能消费时段和消费方式上采取措施，比如进行移峰填谷、主动避峰，缓解负荷高峰期电力供应紧张的压力，提高电力系统的负荷率和整体效益。

如何充分考虑电动汽车充电负荷的时空随机分布特性，研究考虑时空分布的电动汽车充电负荷预测方法，并在此基础上，研究用户响应分时电价对电动汽车进行有序充电，对于有效降低电动汽车充电对电网的负面影响，实现削峰填谷、降低电动汽车充电成本，经济、有效的推广电动汽车的大规模运用至关重要。

电动汽车有序充电的研究现状目前，大规模电动汽车接入电网的研究范畴分为以下几个方面3:

1.研究电动汽车充电负荷特性和负荷需求计算

电动汽车充电负荷研究涉及动力电池、充电设施、用户行为等多种因素，是后续研究的基础。

2.研究电动汽车的接入对电力系统影响

电动汽车大规模接入对电力系统的直接影响是导致负荷的增长。目前的研究，包括对电动汽车发展的不同场景，分析电动汽车接入对电源建设、配电网的影响，以及电动汽车充电设施规划和电网规划。

3.研究电动汽车作为储能单元的充放电控制与利用

电动汽车用动力电池可作为分布式储能单元，具有一定的可控性并能够向电网反向馈电。

电动汽车充电负荷电动汽车动力电池特性动力电池作为连接电动汽车和电网的元件，其建模是研究充电负荷的基础。对动力电池的建模，在研究不同问题时，做一定程度的近似或简化。

基于对电池比能量、效率、比功率等方面的对比得出结论，离子电池具备最佳的综合性能。研究了动力电池的几种常用的电路模型，各种模型在精确性和复杂性上各有优劣。动力电池工作周期通常包括2个阶段:恒流限压和恒压限流。前者基本为恒定功率输出，时间长，效率高，是主要充电方式;后者处于充电结束期，功率会逐渐减小。随着电池和充电技术的发展，恒压限流阶段趋向于缩短或取消，从而提高充电速度及其综合效率。因此在分析电动汽车对配电网影响时，可以采用恒功率负荷模型，将充电负荷作为恒功率负荷。

电动汽车行车规律国内对于电动汽车行车规律的研究一般结合中国电动汽车发展路线，将电动汽车分为公交车、公务车、出租车和私家车四类。不同种类电动汽车的用户用车行为和充电行为差别较大。因此，把电动汽车运行模式分为三种:公交运行模式、出租车运行模式、公务车或社会车辆运行模式.

公交车运行模式:线路定线定点即、站点固定，应保证在营运时段通过更换电池或利用夜间低谷时段进行常规充电实现电能补充4。

出租车运行模式:白天停放时间较短，充电时间较为紧迫，日行驶里程较长，宜根据出行范围提供必要的充电换设施，应保证在营运时段通过快充或更换电池实现电能补充。

公务车或社会车辆运行模式:白天停放时间较长，适宜在车辆集中区域建设相应充电设施，提供慢充、快充或更换电池等多样化能量供给服务。

结合中国国内的实际情况对上述四类电动汽车的充电时间进行了调研，采用蒙特卡罗(Monte-Carlo )模拟的方法对电动汽车充电负荷分布特性进行了分析。并概括了中国电动汽车的发展规划，分为2010-2015年(公交车、出租车、公务车示范运营)、2016-2020年(公交车、出租车、公务车规模化发展，少量私家车)、2021-2030年(私家车大规模发展)三个阶段。]在简化充电模型的基础上，以电池初始荷电状态(initial state of charge, SOC)和开始充电时间的随机分布为变量，建立基于日充电负荷曲线的电动汽车充电站泊松分布集聚模型，并对集聚特性进行模拟分析。

国外对电动汽车行车规律的研究偏重于研究用户驾驶行为，一般基于用户用车行为来分析用户的电动汽车充电时间和空间分布，并对充电负荷进行统计或预测。]采用的方法是利用在用户车上安装的GPS仪器，对76个用户进行跟踪调查，研究电动汽车用户的驾驶行为，记录每天离家和回家的时间以及行驶的距离数据，提出了一种基于条件概率的预测模型。

电动汽车电能补充方式目前的电动汽车充电方式主要有充电和换电两种。国际电工委员会和美国汽车工程师学会等组织也制定了IEC 62196标准，包括4种充电模式，并在进一步地完善中国于2011年12月发布了电动汽车充电接口和通信协议4项国家标准，规定了通过传导方式充电的标准充电电压和电流。2011年1月国家电网公司确定了“换电为主，插充为辅，集中充电，统一配送”的电动汽车服务网络发展策略，推出充电设施标准。而2012年7月国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划》基本确定了“充电为主，换电为辅”的路径。

电动汽车接入对电力系统的影响1.电动汽车接入对电源建设的影响

电动汽车大规模接入对电力系统的直接影响是导致负荷的增长，因此电源容量是否能满足电动汽车大规模发展必须得到保障。

电动汽车在不同充电方式(无序、家庭充电、谷荷充电、双向V2G)下对电网不同类型新增装机的影响。通过仿真发现，新增装机与电动汽车的充电方式直接相关，在双向V2G模式下，需要新增装机最小。文献[[26]研究则认为，在美国大部分地区供应电动汽车充电负荷的电源为燃气机组，目前美国具有足够的装机容量支撑美国84%的汽车电气化，需要新增的备用容量不大。

2.电动汽车的接入对配电网影响

规模化电动汽车接入电网主要影响配电网的负荷平衡。电动汽车无序充电可能导致局部地区的用电紧张，集中在负荷高峰时段充电拉大负荷曲线峰谷差，加重配电网负担。

描述了充电负荷较常规负荷具有时空随机性强的特点，分析了在多种电动汽车接入情景下配电网的负载情况，通过电动汽车交错充电等有序充电策略能有效地平滑负荷、消除配电过载利用蓄电池充电特性建立了电动汽车的随机充电模型，假设一定区间内电动汽车在充电数量和充电时间均服从正态分布，得到电网负荷曲线的调节曲线。分析在电网用电高峰时对电动汽车蓄电不但不能对电网负荷起负荷调整作用，反而增加电网负荷，对电网造成电动汽车对配电网的电能质量和经济性也会带来影响。

电动汽车充放电控制与利用电动汽车有序充电根据电网的安全运行状态，电动汽车有序充电控制一般以充电时间和充电功率为控制变量，综合考虑用户充电需求与电池性能等约束，以对电网影响最小或经济性最优为目标，协调电动汽车充放电过程

(1)以经济性最优为目标

以充电站运营收益最大化为目标，建立了充电站内电动汽车有序充电的数学模型，通过动态响应电网分时电价，可显著提高电动汽车充电站的经济效益。以减小电网峰谷差作为主要目标，结合电网分时电价时段划分与局域配电网负荷波动情况，建立了以用户充电费用最小和电池起始充电时间最早为控制目标的数学模型。通过电动汽车响应充电分时电价，能够有效减小峰谷差，并提高用户满意度。基于未来电价预测值，采用动态规划优化电动汽车的充电时间以节省客户充电成本。基于目前电价和电动汽车充电负荷的预测，建立了以电动汽车中间商购电成本最小化为目标的优化模型，通过动态负荷调度，实现电动汽车的有序充电。基于动态响应分时电价，在考虑充电约束前提下，以客户充电成本最小化和削峰填谷为目标，提出有序充电启发式算法2。基于动态响应实时电价，以充电成本最小化为目标，通过线性规划建立电动汽车有序充电模型。

(2)以对电网影响最小为目标

以配电网网损最小为目标，考虑了用户的充电需求以及电压幅值等约束，建立了电动汽车充电优化模型，有效降低配电网的网损，还起到平抑负荷变化和改善电压水平的作用。基于己有配电网络和常规用电约束，优化电动汽车大规模接入情况下的充电功率，使之能最大限度地利用己有配电网，提高配网运行的经济性。依据网损灵敏度高低对电动汽车进行充电排序，以充电成本和网损最小为目标建立实时有序充电模型，不仅能有效降低配电网的网损，而且改善了配电网节点电压波形。

建立了基于二次规划和动态规划2种方法的有序充电模型来评估多J清景下电动汽车充电对配电网的影响。文中考虑了负荷预测的误差，比较了在无电动汽车接入、电动汽车无序充电和有序充电3种情景下配电网网损的大小。仿真结果表明，电动汽车无序充电时配电网网损增加显著，有序充电时网损则增加很小。

分别以馈线损耗、负载率和负荷变化方差最小化为目标建立有序充电模型，其中优化配电网负载率和负荷波动方差的有序充电模型可有效降低网损，并具有更快的计算速度。通过结合本地最优充电控制与必要的低频减载措施，建立了分级有序充电控制的数学模型，提高了电网运行的可靠性。

换电模式下电动汽车充电负荷模型及优化的研究还比较少。针对换电模式在中国推广的现状，文献[[48]基于分时电价机制，在满足用户换电需求的约束下，建立了2种换电模式(即充换电模式和集中充电统一配送模式)下的有序充电优化模型。建立以总充电费用最小为目标的第1阶段优化模型，再以第1阶段求得结果为约束上限，建立以日负荷曲线波动最小为目标的第2阶段优化模型，结果表明换电模式下无序充电情景峰荷较充电模式时增加较小，有序充电情景电网峰荷将不会增加。

电动汽车削峰填谷大规模电动汽车的电池可以作为分布式储能系统，在电网负荷高峰选择放电，低谷选择充电，合理优化协调其充放电过程，起到“削峰填谷”作用。

电动汽车参与调频电动汽车作为分布式储能资源，可参与电力系统的频率调节。相比于传统的系统调频电源，电动汽车参与调频具有响应速度快的优势。

电动汽车用户充电控制策略家庭充电

对拥有独立住宅的电动汽车用户，电动汽车与其他家庭设备一样，利用家庭供电系统进行充电。此时，其可纳入家庭局域网络(House Area Network, HAN通过智能家居EMS接口进行与电网的互动。电动汽车充电费用可能不同于其他家电设备，因此应采用独立的计量，此时电动汽车计量表可作为子表与入户电表进行通讯。

无论有无外部系统控制，电动汽车用户是电动汽车充放电过程控制的最终决策者，电动汽车用户的控制目标包括:

1.保证电动汽车电量满足正常的行驶需求2;

2.充放电收益(除去电池寿命折损费用)最大。

电动汽车用户接收到的信息可能包括:电价信息、奖励和惩罚信息、充放电功率限制、充放电时间限制等。这些信息可能来自于不同的主体，电动汽车用户根据这些信息结合自身的行驶需求，对各种信息做出选择和响应决策。电动汽车用户行驶需求带来的约束包括:下一次行程时间、目标SOC等。同时电动汽车用户的决策也将受到动力电池管理系统(Battery Management System, BMS)的约束，需要掌握电池的状态，保证充放电过程的安全。

电动汽车用户的控制策略可由车载或非车载的智能装置完成，本章将其定义为充放电控制器，该控制器作为用户对车辆充放电控制的接口，实现用户预先设定的控制策略，如图3.1所示，最终的充放电控制命令可由充放电控制器下达给车载充放电机执行。

多辆电动汽车协调充电控制策略居民小区、办公、商业及类似场所充电

在居民小区等公共充电场所下，同一充电设施可能被多个用户使用，电动汽车用户并不是直接的电力用户。在这些公共停车位上，包含了长时间充电或快速充电的需求，可具备功率较大的交流充电或者直流充电设施。这些充电设施应具备用户识别和充电费用结算功能，如通过射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)读卡器进行充电授权、解锁和计费。对每个公共充电设施进行单独计量是必须的，同样，充电设施的计量装置作为子表与主表进行通讯，如图3.4所示。此时电动汽车及各充电设施可纳入上级EMS，如智能小区、智能楼宇管理系统。 在集成管理控制层、充电站控制层乃至提供多个充电接口的充电设施，都存在对多辆电动汽车进行协调控制的问题。这些控制层接收上级系统对其整体的充放电控制命令，将充放电功率分配给管辖的各个电动汽车。 多辆电动汽车充放电协调控制的目标包3括:

1.最大程度执行上级控制命令;

2.最大程度满足各电动汽车用户的充电需求。

在控制过程中，电动汽车接入、退出，各控制对象的状态在不断地变化中因此，协调控制策略应实时、动态地进行。

充电站间电动汽车有序充电控制方法基于数学优化模型的站内电动汽车有序充电控制方法，能够在分时电价机制下，在满足客户充电需求的前提下，有效最小化用户支出费用。但对于在实际系统中大规模应用，该控制方法依然存在如下几个方面的缺陷:

1.从控制方法来看，该方法主要基于混合整数规划模型，求解依赖于较复杂的算法包，在实际运用中，现场可能不具备调用算法包的环境。另外，对于大规模问题，求解效率可能受到一定负面的影响。因此，在实际系统运行时，需要一种对控制程序运行环境要求低，对大规模问题运行速度快的控制方法。

2.从控制效果来看，该控制方法由于只考虑用户的充电需求和变压器容量约束，若同片区域内存在多个电动汽车充电站，则可能导致电网局部负荷的过高，影响电网的安全经济运行。因此，在实际系统运行时，需要省、市、站三层电动汽车运营系统的相互协调，做到既能为客户提供满意的充电服务，又能避免系统的用电高峰。

针对上述考虑，本章进一步提出了基于简单线性规划和启发式算法的市站级两层电动汽车有序充电控制方法。

在一台本地配电变压器接有常规负荷和电动汽车充电负荷。一台配电变压器下对于配有专供配电变压器的电动汽车充电站，可以认为该台配电变压器下接入的常规负荷为零。在上层配电变压器处设有市级充电控制中心，以协调管辖范围内多充电站的充电，防止在夜间车辆较多时另外一个负荷高峰的出现4。

在本地变压器处，作为电动汽车充电服务的提供商，电动汽车充电站按照充电电价收取充电服务的费用并按购电电价向电网公司支付电费，通过两者的差价实现盈利。但充电服务商依旧要接受市级充电控制中心的负荷调度，以满足配电网总体充电负荷的控制目标。另一方面，市级充电控制中心应当充分考虑各充电服务提供商管辖的充电站或停车场内用户的充电需求和盈利需求及配网的负荷控制目标来实现站与站之间的充电协调。