综合能源充电站有序充电策略的研究与设计_胡道栋.pdf

综合能源充电站有序充电策略的研究与设计胡道栋，邱俊宏，王玉芳，徐鹏，苏杭（许继电气股份有限公司，河南 许昌；河南升环劳务派遣合作有限公司，郑州）摘要：随着电动汽车的发展，充电用户越来越多，同时也出现了一系列问题，尤其是无序充电带来的充电成本高、充电排队时间长和电网负荷安全影响等问题，制约着电动汽车和充电设施的发展。为解决此类问题，文章研究和设计有序充电策略。通过研究电动汽车充电过程数据，分析充电电压、电流、和充电时间的关系曲线，在不同的电价时段和车多桩少情形下制定了合理的中止充电 值；为了提高充电站运营效益，针对充电站服务车辆对象的不同，设计了不同充电桩限功率有序充电策略。充电站有序充电策略的实现能够提高运行收益、减低成本，让用户充电时间更合理，提高了充电体验性，使充电站与电网互动，对电网削峰填谷，减小负荷波动率，提高了电网的安全性。关键词：有序充电；分时电价；功率调节；充电桩：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）oo，o，（cc，cg，g c，g 5，）：o o ，o o ，o o，o，o o o o o，o o o o o，o o o ，o o o，o o o o o o o o oo o oo o o o，o o o o o o o o o o o oo o，o，o o，o ，o o，o o，o o，o o o：o，o ，o o，基金项目：国家重点研发计划项目（）引 言近年来，随着化石能源的枯竭以及清洁新型能源技术的崛起，电动汽车和与之相应的充电站、充电桩和充电技术得到迅速发展。随着互联网 充电桩的技术发展，充电服务设备建设越来完善，但仍存在诸多问题，一方面是用户充电难、找桩难、排队长等现象，另一方充电桩存在利用率不高、长期空闲、运营成本高的问题；除此之外，充电设施的大量使用对电网运行带来一定负荷安全影响，尤其是无序的电动汽车充电负荷会给配电网带来电压下降、线路过载、电网负荷峰值、网络损耗等一系列问题，因此研究有序充电策略解决充电难，提高充电桩效益和减少充电对电网第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，负荷影响变得愈发必要。电动汽车有序充电在当前没有严格的定义，文中提出的有序充电策略是指在车多桩少、充电站功率变动和合理利用峰谷电价情况下设计的一种充电控制方法。通过分析研究车辆充电时充电电压、电流、与充电时间的关系曲线，制定一个最佳的中止充电的 值来提高充电排队效率；尽可能将充电时间安排在电价低的谷时段以降低充电运营成本，通过充电桩限功率方式对电网进行削峰填谷提高电网运行安全性。有序充电方案设计文中从三方面综合定义有序充电，一是针对充电桩短缺设计的电动汽车排队有序充电，通过计算电动汽车剩余充电时间和中止充电时的 来提供充电桩的充电效率和规划排队等候车辆充电次序；二是根据峰谷电价差异，合理安排有序充电时间，降低充电成本；三是对电网负荷曲线进行削峰填谷，减小负荷曲线方差，使充电设施与电网负荷协调互动而设计的有序充电策略。离散充电桩因分散无法有序充电管理难度大，因此，目前有序充电且主要应用于集中充电站。集中充电站的充电桩规模一般为 台 台，主要服务对象为电动公交大巴，根据运营商需求，充电站主要分为专用充电站和公用充电站，专用充电站只对运营商制定的专用车（电动公交大巴等）提供充电服务，不对外运营；公用充电站除了服务专用车，同时对外营运，可以为所有社会电动车辆充电，文章将以两类充电站为对象进行有序充电研究。充电站服务系统如图 所示，站内充电桩通过等物联网或互联网接入充电服务平台，充电服务平台为运营商提供给运营监控客户端，充电用户可以使用充电卡和手机 方式充电，为了使充电站与电网负荷协调互动，充电服务平台接入充电站配电设备，该设备实时上送充电站可用功率信息至充电服务平台。针对集中式充电站文中设计的有序充电策略具有以下功能。（）减少车辆排队时间，通过计算在充车辆剩余充电时间和选择最佳中止充电 值来提供充电站服务效率和减少充电用户排队时间；（）降低充电成本，通过有序充电策略设计让车辆尽可能在电价低的谷时段充电。目前大多充电站根据电网电价将充电时间分为平、谷、峰三个时段，分别对应正常计费、优惠计费以及高价计费，充电电价及阶梯时段如表 所示；充电用户运营商监控物联网/移动互联网充电服务平台充电桩配电设备集中式充电站图 充电站服务系统 o 表 充电电价及阶梯时段 o时段区间电价（元 度）服务费（元 度）峰：平：谷：（）优化电网负荷，因用电高峰时期电网负荷压力增大会造成网损和降低电能质量，文章设计充电桩功率调节策略使充电站用电功率随电网需求动态调整。专用充电站有序充电策略目前专用集中式充电站大多用于电动公交大巴充电，文章以规模 台 直流桩服务 辆电动公交车的充电站为设计对象。为提高充电桩使用效率，减少车辆排队时间，文章分析了 多个充电数据，发现同类充电桩的充电过程数据曲线基本一致，文章提取一个 从 充电到 的车辆充电过程数据为样本进行图形处理分析，充电过程数据如表 所示（充电电压单位为，电流单位为，时间单位为）。如图 所示为其中一个充电桩充电电压、电流、与充电时间的关系曲线，如图 为充电电流、与充电时间的关系曲线，从图 可看出整个充电过程电压基本保持平稳不变，小于 的区间里，充电电流波动较小，达到 后充电桩输出电流开始明显下降，尤其在 之间，电流出现多次变化，充电时间相对过长。充电过程数据变化分析如表 所示。第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，表 充电过程数据表 o 时间（）充电电压 充电电流 时间（）充电电压 充电电流 时间（）充电电压 充电电流 时间（）充电电压 充电电流 时间（）充电电压 充电电流 时间（）充电电压 充电电流 时间（）充电电压 充电电流 010020030040050060070019 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105充电电压充电电流SOC图 充电过程曲线 o 0204060801001201 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105充电电流SOC图 充电过程曲线 o 表 充电过程数据分析 o o充电电压 充电电流 充电时间 ，峰平时段与排队有序充电策略设计充电站内车辆运行模式一般是白天使用晚上充电，充电集中在谷电价时段，但因特殊情况需要白天峰或平电价时段充电时，为了降低充电成本，同时不影响车辆运营，采取设定车辆中止充电的 上限值的充电策略，峰和平电价时段车辆 分别达到 和第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，时结束充电，谷时段不设定 上限值。另一方面，在车多桩少，车辆排队等候的情况，为了提高充电桩使用效率，增加充电站运营效益，也设定了车辆 充电上限，文章对充电排队的定义是因急需用车而排队充电，对于晚上谷时段没有使用需求排队依次充电不属于文章定义的排队充电的范畴。假设站内充电桩数为，排队等候充电车辆数为，则有排队车辆比例（）关系式：（）充电时段、与充电中止 的关系如表 所示，具体设定方式为：（）充电时段为峰时段和 大于 二者满足之一时，车辆充电到达的 上限为；（）充电时段为平时段和 为 二者满足之一时，车辆充电到达的 上限为；（）谷时段，当 在 区间时车辆充电到达的 上限为；（）谷时段，当 时车辆充电到达的 上限为。表 充电中止 划分 o o o充电中止 充电时段排队车辆比例峰时段 平时段谷时段 谷时段谷时段 充电桩限功率有序充电策略设计专用充电站的车辆充电优先级没有严格要求，充电过程中充电站输出功率受到电网负荷限制时，在保证车辆享有同等充电权限前提下，设计有序充电策略调整充电桩输出功率。充电桩功率调整分为下调和上调两种，当充电站输出总功率大于功率限定值时需进行下调，反之上调。假设站内功率限定值和总输出功率分别为 限、充，其下调策略设计如下：（）假设充电中车辆 大于 且充电电流大于 的充电桩数为，充电电压和电流为 充和 充，其中最大的充电电流为，则有关系式：充充（）充（）充（）c充（）上述式中 为 个充电桩的充电功率；为 个充电桩电流都下调为 后的充电功率功率；为将电流为 的充电桩电流下降 后下调的功率值。若 充 限，说明无须将 大于 的充电桩电流都下调至 ，此时将电流最大的 个充电桩电流下降 ，若 充 限，则充电服务平台对电流为 的充电桩下发功率下调指令，电流各下调 即完成了功率调节需求；（）若 充 限，则继续计算电流下调值，上式中 为将电流为 的充电桩电流下降 后再对电流为 的充电桩电流下降 后下调的功率值，充 限，则表示已计算出充电桩下调的电流值，然后通过充电服务平台对充电桩下发功率下调指令，充 限 ，则按此方法依次类推计算出充电桩的下调电流值；（）若 充 限 ，则表示将 大于的充电桩充电电流都限制为 后，充电站输出功率仍大于限定功率，继续对充电中车辆 在 的充电桩进行功率下调，充电电流限制下限为，充电服务平台对充电桩的下调电流值计算方法与步骤（）和步骤（）相同；（）若执行以上功率限制调节后，充电站输出功率仍大于充电站限定功率，则依次类推，继续对充电桩进行限功率调节，直到所有充电站充电输出功率等于限制功率为止，充电电流限制下限值如表 所示，将 分为 个区间，每个区间设定一个电流限制下限值。表 充电输出电流限制下限值 o o o 充电中车辆 电流限制下限值 第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，充电桩功率上调时，充电服务平台计算电流下调值与下调计算策略相反，假设站内功率限定值和总输出功率分别为 限、充，其上调策略设计如下：（）充电服务平台计算出充电中车辆 处于 的充电桩充电总需求功率值 需和当前总使用功率 用，对比 需 用与 限 充的大小；（）若 需 用 限 充，则表示不能讲所有 处于 的充电桩功率上调至充电需求功率，假设充电桩中最小的充电电流为，计算策略是先将电流为 的充电桩电流上调 ，若此时还不满足功率上调条件，再将上述调整后的电流为的 的充电桩电流上升 ，则按此方法依次类推计算出充电桩的下调电流值；（）若 需 用 限 充，则表示将处于 的充电桩充电电流上调至需求值，充电站输出功率仍小于限定功率，继续对充电中车辆 在 的充电桩进行功率上调，充电服务平台对充电桩的上调电流值计算方法与步骤（）和步骤（）相同。专用充电站有序充电策略实现专用充电站从峰谷电价充电成本、桩少车多充电排队效率和与电网负荷互动三方面设计了有序充电策略，其策略实现如下：（）在峰平电价时段，充电桩全被占用，而后来车辆因某些原因需要急用而充电则可以通用手机 申请排队充电；（）充电服务平台将不同电价时段和排序充电的充电中止 策略以及当前排队车辆数下发给每个充电桩，充电桩根据实际情况计算充电中止 值，当车辆 达到指定值时停止充电；（）充电服务平台实时采集来自充电站配电设备的功率限定值，根据站内充电桩充电输出总功率和需求总功率选择功率调节策略，假设站内功率限定值、总输出功率和总需求功率分别为 限、充、需，则有关系式：充充充（）需需需（）上述式中 充、充为充电桩充电输出电压和电流，需、需为充电车辆需求电压和电流，为充电中的充电桩数量。）当 限 需，站内充电桩设置为不限功率状态；）当 充 限，则需下调充电桩输出功率，首先下调充电中车辆 高的充电桩功率，即下调 大于的充电桩功率，充电服务平台计算该部分充电桩功率下调值，计算方法是循环地将充电输出电流降低后对比充电站输出功率与功率限制值，直到充电站输出功率与功率限制值相等，在循环计算中电流降低后不能小于电流限制下限值；若 大于 的充电桩输出电流降低至下限值仍未达到功率调节要求，则按上述 循环计算法继续对 为 的充电桩进行功率下调，依次类推直到充电站输出功率与功率限制值相等；）当 需 限 充，则启动充电桩功率上调策略，首先上调 在 区间的充电桩功率，按 设置区间依次进行充电桩充电电流上调，直到充电站输出功率与功率限制值相等为止，充电服务平台计算充电桩功率上调值的方法是循环地将充电输出电流增加后对比充电站输出功率与功率限制值，在循环计算中充电桩上调后的输出功率不能大于车辆充电需求功率。公用充电站有序充电策略与专用充电站相