电动汽车充放电控制研究范文

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《电力建设杂志》2016年第9期

摘要:

大规模电动汽车入网参与电网调度需要在某一区域设置一个机构，作为电力公司调度部门和电动汽车的中介。针对机构对所管辖电动汽车的控制，首先，以1天为1个周期把电动汽车可能被控制的区域分为办公区、居住区和超市购物区。然后，机构根据各电动汽车状态信息把各区域的电动汽车分为充电集群和放电集群。之后，机构根据可调度容量、可调度时长、电动汽车车主违约度制定评价体系对集群内电动汽车在每个时段的充电或放电的顺序进行排队。最后，在保证电动汽车车主行驶和电池安全约束的情况下，对电动汽车进行充放电调度，使机构充放电尽可能满足电力公司调度部门的调度计划。

关键词:

电动汽车;机构;分区;充放电集群;评价体系;充放电顺序

0引言

能源危机、环境污染和气候变化是当今人类面临的三大挑战，为了应对挑战新一轮的能源变革势在必行，基本方向是以实施清洁替代和电能替代为重点，加快能源结构从以化石能源为主向以清洁能源为主的根本转变［1］。电动汽车是以电能替代化石能作为驱动能源，是电能替代的重要内容。随着电池技术的逐渐成熟、充电站修建的不断完善和成本的不断降低，在不久的将来电动汽车将大批量替代燃油汽车［2-3］。对汽车行驶行为模式的研究表明，1天之中90%以上的时间电动汽车是处于停驶状态，可以与电网互动(vehicle-to-grid，V2G)［4］，文献［5］围绕电动汽车与电网互动的调控技术、市场机制和基础设施这3方面的关键问题进行了分析。文献［6］针对电动汽车与电网互动对配电网规划的影响进行了分析。另外研究表明，电动汽车具有规模大、接入点分散、单机容量小的特性，电动汽车V2G服务若采用集中控制将对调度系统的复杂性、通信能力、计算处理能力提出很高的要求。同时，允许用户参与电力市场的门槛通常为MW级，而单辆电动汽车并不达到此容量级［7-8］。基于此，文献［9］提出了电动汽车集群的概念，也可称为电动汽车机构。电动汽车机构管辖着某区域内一定数量的电动汽车，具有一定容量的可调度负荷和储能容量，可以作为调度部门和每辆电动汽车的中介。目前，针对电动汽车集群并网对电网的影响及电动汽车集群的约束研究相对较多也比较完善［10］，但是，针对机构对每辆电动汽车控制的研究虽相对较多但侧重点不同，有待完善和深入。文献［11］为实现电动汽车机构与电动汽车之间的互动策略，在计及电动汽车用户用车便利性的前提下，建立了基于优先权的电动汽车集群充放电优化模型。文献［12］对停驶的电动汽车根据状态进行分群，对可控状态的电动汽车的充电行为进行控制。文献［13］设计了一种用于协调电动汽车充电的多机构。文献［14］把电动汽车分为充电集群和放电集群，然后根据需要动态管理每个电动汽车集群。文献［15］提出了一种电动汽车根据自身以及附近电动汽车的信息进行决策的分布式控制策略。文献［16］提出了一种停车场通过管理电动汽车参与V2G进行套利的调度模型。文献［17］对电动汽车进行本地控制，为电力系统提供调频辅助服务。虽然，上述文献考虑了每辆电动汽车的影响，但是，并未全面考虑每辆电动汽车的调度优先顺序、每次调度时每辆电动汽车的调度功率和车主违约对调度的影响。以1天为1个周期对电动汽车进行充放电调度，需要机构管辖的区域包括电动汽车1天所有可能长时间停驶的区域。研究表明，除了个别时间个别车辆远距离行驶外，大多数车辆都是在一定区域内的办公区、居住区、超市购物区循环行驶的。因此，本文把机构管辖的区域分为办公区、居住区、超市购物区3个停驶区域，3个区域都是以充放电站的形式对电动汽车进行充放电管理。机构根据电动汽车的停驶区域和停驶时申报的停驶起始时刻、终止时刻、停驶时荷电状态、结束时荷电状态，把停驶区域内的电动汽车分为充电集群和放电集群，每辆电动汽车在每个停驶处只能选择充电或放电，因为研究表明随着充放电切换次数的增多，电动汽车的寿命会加速衰减［14］。除此之外，本文还制定一个评价标准对充电集群和放电集群的电动汽车在每时段调度的顺序进行排列。最后，在考虑约束条件的情况下，使机构充放电尽量满足调度计划。

1机构的控制结构

机构有2方面的功能:一方面把自已管辖的电动汽车信息上传给电力公司调度部门，并执行调度部门的调度计划，从而从电力公司获得收益;另一方面协调控制所辖各区的电动汽车充放电，为系统稳定运行、提高电能质量等创造条件，同时给予所管辖电动汽车车主一定收益。机构与各电动汽车只进行信息与资金交流，不进行能量交流，电动汽车与电网间的能量交换是通过现存的电力网络进行的［18］。考虑到电动汽车由于紧急情况可能需要快速充电，所以机构具备一定的零散快速充电桩，但是，由于需要快速充电的电动汽车数量少且接入电网时间短，不适合于调度［19］。所以本文只考虑接入办公区、居住区和超市购物区的选择慢速充放电的电动汽车。机构具体控制框图如图1所示。

2充放电集群的划分机构

给所管辖的每个区和每辆电动汽车都设置一个编号，作为区和电动汽车的标识。每辆电动汽车在1天中任意时段可以在任意区做长时间停驶，停驶开始时，车主把电动汽车停驶的状态信息告知机构，电动汽车车主提供给机构的状态信息为S=［m，n，TS，TE，eSOC0，eSOCmin］(1)式中:m为电动汽车停驶区域编号;n为电动汽车编号;TS和TE分别为停驶的起始时刻和终止时刻;eSOC0为停驶起始时刻时电动汽车电池的荷电状态;eSOCmin为电动汽车停驶结束时刻用户设置的电动汽车电池的最小荷电状态。机构根据每辆电动汽车的状态信息可把在每个区的每辆电动汽车划分为充电集群或放电集群，划分的依据为:若eSOC0≤eSOCmin则把电动汽车划分为充电集群，至于充电起始时刻及充电结束时的电池荷电状态视调度计划和优先顺序而定，但是在停驶区间内充电结束时刻电池的荷电状态必须大于等于eSOCmin以保证电动汽车用户出行;若eSOC0＞eSOCmin则把电动汽车划分为放电集群，放电起始时刻及放电结束时的电池荷电状态同样视调度计划和优先顺序而定，但放电集群中的电动汽车在停驶区间，放电终止时的荷电状态应该大于等于eSOCmin，以满足用户用车。通过充放电集群的划分可以使电动汽车在某一区的停驶时间内，只进行充电或放电，减少充放电切换次数，这样有利于对电池寿命衰减的减缓，维护电动汽车车主的利益。

3电动汽车调度优先顺序的判定

在第2节对各区的电动汽车划分为充电集群和放电集群的基础上，还需对电动汽车在每个时段充电或放电的优先顺序进行判定，优先级高的电动汽车首先充电或放电以满足调度计划，优先级低的可以规划在以后的某个时段被调度。影响电动汽车充电或放电优先顺序的因素是以下3个:可调度容量、可调度时长、电动汽车车主违约度，本文首先对3个指标进行分析，然后使用直线型标准化的方式进行标准化处理［20］，最后建立优先顺序的综合评价体系。

3.1可调度容量计算及标准化

m区编号为n的电动汽车某时刻可调度容量为该时刻电池容量和停驶结束时刻可达到容量的差。若充电则为式(2)，若放电则为式(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)为编号为n的电动汽车该时刻的电池荷电状态;eSOCn．min、eSOCn．max分别为编号为n的电动汽车的停驶结束时刻最小荷电状态、最大荷电状态，通常最大荷电状态取1，最小荷电状态视用户出行计划而定;Sn．EV为编号为n的电动汽车电池最大容量。编号为n的电动汽车可调度容量的标准化是该电动汽车此时可调度容量与此时所有电动汽车可调度容量中的最小值的差，和此时所有电动汽车可调度容量中的最大值与此时所有电动汽车可调度容量中的最小值的差的比值，充电如式(4)、放电如式(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)分别为编号为1、2、N的电动汽车t时刻可调度容量，共N辆电动汽车。αn．C(t)或αn．D(t)越大说明编号为n的电动汽车在该时刻可调度的充电容量或放电容量越大，调度优先顺序越靠前。

3.2可调度时长的计算及标准化

m区编号为n的电动汽车在某时刻的可调度时长为停驶结束时刻减去该时刻的差，如式(6)所示:Tn(t)=Tn．E－T(t)(6)式中:Tn(t)、T(t)、Tn．E分别为编号为n的电动汽车该时刻可调度的时长、调度时刻、停驶结束时刻。编号为n的电动汽车可调度时长的标准化是此时所有电动汽车可调度时长中的最大值与该电动汽车此时可调度时长的差，和此时所有电动汽车可调度时长中的最大值与此时所有电动汽车可调度时长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)分别为编号为1、2、N的电动汽车t时刻可调度时长，共N辆电动汽车。βn(t)越大说明编号为n的电动汽车可调度时长越小，越应该优先调度。

3.3电动汽车用户的违约度及标准化

机构应建立每辆电动汽车的历史互动数据库，记录每辆电动汽车是否按申报计划在某个区结束停驶。若某辆电动汽车在某个区每次都是按照申报计划结束停驶(在不影响调度计划的情况下，为了反应电动汽车用户用车的便利性可以给结束时间设置一定区间)则认为该辆电动汽车的违约度为0。若电动汽车用户不是在申报的时刻离开停驶区，而是提前离开，则电动汽车用户有一定的的违约度。除此之外，提前离开的程度也会影响违约度，提前的程度越大违约度越高，则编号为n的电动汽车违约度计算公式可用式(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表示机构记录的编号为n的电动汽车在管辖区域停驶的次数;mn表示提前驶离停驶区的次数;mn/Mn表示该电动汽车的违约概率;Tm．n．S、Tm．n．E、Tm．n．L分别为该电动汽第m次停驶开始时刻、计划离开时刻、实际离开时刻;∑mnm=1(Tm．n．E－Tm．n．L)/∑mnm=1(Tm．n．E－Tm．n．S)可表示该电动汽车的违约的程度，Mn和mn是根据机构的统计不断更新变化的。编号为n的电动汽车违约度的标准化是该电动汽车的违约度与所有电动汽车中违约度最小值的差，和所有电动汽车中违约度最大值与所有电动汽车中违约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分别为编号为1、2、N的电动汽车的违约度，共N辆电动汽车。由此可得χn越大，编号为n的电动汽车违约度越高，针对违约度高的电动汽车应该优先调度。

3.4评价体系的建立

由第3.1—3.3节建立如下某时刻优先调度指标体系:可调度容量越大即αn．C(t)或αn．D(t)越大，越优先调度;可调度时长越短即βn(t)越大，越优先调度;违约度越高即χn越大，越优先调度。基于多项指标综合评价决定某时刻电动汽车调度的优先顺序，需考虑每项指标的权重，由于不同机构，考虑不同特性计算方式不同，本文设可调度容量的权重为0.3，可调度时长的权重为0.3，违约度的权重为0.4，综合指标评价公式如式(10):V=0.3α(t)+0.3β(t)+0.4χ(10)

4模型建立

机构根据每辆电动汽车上传的状态信息确定充放电集群的最大、最小充放电容量，为了使实际负荷/出力和调度计划偏差最小，以式(11)为目标函数，以式(12)、(13)为约束条件确定各时段可调度电动汽车的实际总的负荷/出力。

4.1目标函数

目标函数如式(11)所示:minf=∑T2t=T1［PN(t)－P(t)］2(11)式中:P(t)为t时段的调度计划;PN(t)为t时段所调度电动汽车的实际总的负荷/出力;T1、T2分别为开始调度时间、结束调度时间。

4.2约束条件

为了维护电动汽车电池的安全和保证用户的出行条件，电动汽车充放电必须满足一定的约束条件。如式(12)、(13)分别给出了维护电池安全的最大充放电功率约束和满足用户出行条件的停驶结束时电池荷电状态约束:－PD≤Pn(t)≤PC(12)eSOCn．min≤eSOCn．L≤1(13)式中:PC、PD分别为编号为n的电动汽车最大充电功率和最大放电功率;eSOCn．min、eSOCn．L分别为编号为n的电动汽车停驶时间结束时最小荷电状态和实际荷电状态。由第3节给定的评价体系和第4节模型确定的每个时段可调度电动汽车实际总的负荷/出力，可以确定每个时段每辆电动汽车的优先顺序和实际负荷/出力，每个时段每辆电动汽车的优先顺序和实际负荷/出力是不断更新的。电动汽车接受机构的管理进行额外的充放电调度，不可避免地会对电池造成损耗。为了弥补电池损耗成本，同时为了鼓励车主参与机构调度使车主获得一定收益，机构应通过建设智能充放电装置及给车主固定经济补偿和可变经济利益的方式来引导电动汽车车主参与充放电调度。固定经济补偿为只要用户签约参与充放电调度就会相应的得到对电池损耗的补偿;可变经济利益为充电价格优惠，使放电价格价格大于充电价格，根据充放电电量的多少得到可变的经济收益。

5算例分析

本文以某个区为例，设机构分配给超市购物区的任务为:19时段充电功率25kW;20时段充电功率20kW;21时段放电功率30kW;22时段放电功率20kW。实际超市购物区在可调度时间段停靠了12辆电动汽车，其状态信息如表1所示，设每辆电动汽车的最大充放电功率均为5kW，电池最大容量均为30kW•h。由表1可把编号为1，2，6，7，11，12的电动汽车归入充电集群，经计算充电集群最小充电容量为36kW•h时才能保证车主用车，设每辆电动汽车都可以充满，则充电集群最大充电容量为105kW•h。把编号为3，4，5，8，9，10的电动汽车归入放电集群，经计算放电集群在不影响车主出行的情况下最大放电容量为48kW•h，最小放电容量为0kW•h。根据式(11)目标函数和式(12)、(13)约束条件为了使偏差最小，可以确定19时段充电集群充电功率为25kW，20时段充电集群的充电功率为20kW，21时段放电集群放电功率为29kW，22时段放电集群放电功率为19kW。4个时段总的偏差为2。19时段充电集群各电动汽车评价指标如表2所示。由于受每辆电动汽车最大充电功率限制，19时段应有5辆电动汽车以最大功率充电才能满足实际总的充电功率，按优先顺序可知编号为6，11，7，1，12的电动汽车优先考虑，所以编号6，11，7，1，12的电动汽车在19时段以5kW的功率充电，满足实际总的充电功率。充电结束时编号6，11，7，1，12的电动汽车的荷电状态变为0.467，0.567，0.567，0.567，0.667。20时段充电集群各电动汽车评价指标如表3所示。20时段调度的优先顺序排列是编号为6，11，7，2，1，12的电动汽车。但是由于编号为1，2，6，11，12的电动汽车目前的荷电状态还未满足车主行驶要求，而后续停驶时刻又不再进行充电，所以为了满足车主用车，首先确定编号为1，2，6，11，12的电动汽车的充电功率分别为1，3，4，4，1kW;为了满足实际总的充电功率，同时考虑最大充电功率限制，不足的充电功率按优先调度顺序添加，即编号为6，11，7的电动汽车在原有充电功率基础上再分别增加1，1，5kW，即编号为6，11，7，2，1，12的电动汽车20时段总的充电功率分别为5，5，5，3，1，1kW。充电结束时编号为1，2，6，7，11，12的电动汽车电池荷电状态分别为:0.6，0.6，0.633，0.733，0.733，0.7满足车主出行最小荷电状态约束。21时段放电集群各电动汽车评价指标如表4所示。由表4可知21时段电动汽车调度的优先顺序排列是编号为10，5，8，3，9，4的电动汽车，为了满足实际总的放电功率和考虑最大放电功率约束，以上编号的电动汽车放电功率分别为5，5，5，5，5，4kW。22时段放电集群中所有电动汽车将剩余可调度容量释放出来参与调度才能满足实际总放电功率，编号为3，4，5，8，9，10的电动汽车放电功率分别为1，2，4，4，4，4kW，共19kW，放电结束时编号为3，4，5，8，9，10的电动汽车的荷电状态分别为0.4，0.6，0.5，0.5，0.5，0.4，满足车主用车的最小荷电状态约束。除此之外，由算例分析可以看出，电动汽车实际调度与调度任务存在偏差及电动汽车车主存在违约脱网的可能，如果把偏差及违约信息上传，修正调度任务，存在信息延迟，所以机构需具备常备储能设备，弥补调度偏差及车主违约对调度的影响。

6结论

本文针对机构对所管辖的电动汽车充放电控制进行了研究，首先机构把电动汽车调度区域分为办公区、居住区、超市购物区，然后机构根据电动汽车车主上传的电动汽车状态信息，把各区的电动汽车分为充电集群、放电集群，之后针对电动汽车在某时段充放电顺序问题，提出并建立了基于可调度容量、可调度时长、车主违约度的电动汽车优先级综合评价体系，确定充放电顺序。最后根据调度计划及充放电约束条件确定每辆电动汽车充放电情况。由于存在调度偏差和车主违约的可能，所以机构在设计过程中应具备一定常备储能设备。

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作者:李文华 范新涛 孔梅娟 单位:河北工业大学电气工程学院