基于动态分时电价的电动汽车充电站有序充电策略_徐智威

关键词：电动汽车；充电站；有序充电；分时电价；经济效 益；蒙特卡罗模拟
0 引言
电动汽车具有良好的节能、环保和低排放潜 力，近年来得到了世界各国政府的普遍重视[1-2]。
大规模的电动汽车接入将对电网的运行与规 划产生不可忽视的影响。特别是电动汽车的接入， 将给电网带来大规模的负荷增长，在缺乏充电协调 的情况下，将进一步加剧配网的负荷峰谷差，对配 电网的安全运行产生负面影响。文献[3-4]对电动汽 车接入对电网的影响进行了详细的综述。
KEY WORDS: plug-in electric vehicle (PEV); charging station; coordinated charging; time-of-use (TOU) pricing; economic benefits; Monte Carlo simulation
ABSTRACT: This paper proposed a coordinated charging strategy for plug-in electric vehicle (PEV) charging stations based on dynamic time-of-use (TOU) tariffs. Based on customer charging requirements and system load profile, the proposed coordinated charging strategy seeks to achieve peak shaving by heuristically setting dynamic time-of-use pricing strategy for newly arrived electric vehicle charging customers and encouraging them to respond. Customers decide whether or not to respond to TOU prices and to delay their charging to lower price periods by themselves. The charging coordination of electric vehicles is then realized. In order to verify the effectiveness of the proposed strategy, the Monte Carlo simulation method was utilized to generate the charging needs of customers based on actual customer charging behaviors. The distribution transformer load profiles, profits of charging service provider and average charging costs per vehicle were simulated under uncoordinated and coordinated charging scenarios correspondingly. Simulation results indicate that under the proposed TOU pricing incentives, charging station operational costs and customer charging costs can be greatly reduced. The peak shaving of distribution transformer loading profile can also be achieved.
第 34 卷 第 22 期 3638 2014 年 8 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.22 Aug.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng.
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.22.008 文章编号：0258-8013 (2014) 22-3638-09 中图分类号：TM 73
电动汽车的分时电价时段，并由用户自主响应，适 用于大规模电动汽车充电站的有序充电控制。
1 充电站有序充电控制方法概述
本文所提的有序充电控制方法面向电动汽车 充电站。一般的情况下，给电动汽车充电站供电的 降压变压器同时接有常规负荷和电动汽车充电负 荷。对于配有专用变压器的电动汽车充电站，可忽 略站用电，近似认为该台变压器下接入的常规负荷 为零。
文献[5]提出了基于二次规划和动态规划数学 模型的配电网内电动汽车充电协调控制方法，有效
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徐智威等：基于动态分时电价的电动汽车充电站有序充电策略
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降低了配网的有功网损。文献[6]通过分析配电网馈 线网损、配电网负载率以及负荷波动方差三者之间 关系，提出了可降低网损的快速有序充电控制方 法。文献[7]提出了一种以降低配网网损为目标的电 动汽车有序充电在线控制方法。文献[8]提出了面向 电动汽车换电模式的两阶段有序充电方法。文献[9] 提出了集中求解接入同一变压器下少量电动汽车 的有序充电策略的数学模型，并采用对偶上升 (dual-ascent)算法进行求解。文献[10-11]提出了基于 博弈理论的分布式电动汽车充电负荷协调控制方 法。总体而言，目前该类方法主要基于求解数学优 化模型，通过动态控制电动汽车的充电功率以实现 有序充电。该类方法的主要不足在于：1）难以适 用于大规模电动汽车有序充电策略求解的在线应 用；2）有序充电过程可能频繁调节充电桩充电功 率，对电池和充电机的寿命产生负面影响，难以获 得用户的支持和实际应用。
第 2 类是电价引导方法。该类方法由充服务 提供商根据系统运行状况提供分时优惠电价，由用 户自主根据充电需求和电价激励响应，以达到有序 充电的目的。目前文献中对基于电价引导的有序充 电方法研究较少。
在电动汽车发展较好的城市，如深圳，率先试 点 出 台电 动 汽车 充 电峰 谷电 价 [12] 以引 导 用 户 将 电 动汽车充电负荷转移到夜间低谷。但分时电价的费 率和时段不随系统实际运行情况动态调整。文 献[13-14]研究表明，在静态分时电价模式下，通过 有序充电，虽可有效地将电动汽车充电负荷转移到 夜间低廉电价时段，但可能导致系统负荷在夜间出 现另外一个高峰，影响配网的安全运行。针对这个 问题，文献[15]提出了基于遗传算法、以峰谷差率 最小为目标的峰谷电价时段优化方法。文献[16]则 研究了考虑电动汽车参与 V2G 的最优峰谷充放电 电价制定方法。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51261130473); The National Basic Research Program of China (973 Program)(2013CB228202); The Charging Method Has Applied Chinese National Patent (Patent Application NO.: CN201310694545.2 ).
每当有新的电动汽车客户接入充电站第 i(i1,2,,N)号充电机时，充电站充电控制系统按照 如下 3 个步骤实现站内电动汽车的有序充电。
1）获取电动汽车充电需求。 充电站通过电动汽车上的电池管理系统获取 电动汽车电池容量 Bi，以及电池当前荷电状态(state of charge，SOC) siA (即电动汽车当前电池电量与其 电池总容量的比例)。为了合理制定用户的充电分时 电价时段，客户需要告知充电站内充电控制系统该 电动汽车预期的停留时间 ti 以及客户离开时期望的 电动汽车 SOC 水平 siD 。 2）根据充电需求和系统运行状态制定分时 电价。 电动汽车充电站以实现削峰填谷为目标，以满 足客户充电需求以及充电站变压器不过载为约束， 动态制定面向该用户的分时电价。 3）用户自主响应分时电价，确定充电计划。 充电站下达制定的分时电价后，用户自主响应 选择充电模式，可选择延迟电动汽车充电开始时间 至低电价时段或立即开始充电，充电站根据用户选 择确定电动汽车充电计划，实现站内接入电动汽车 的有序充电控制。 后文将重点介绍面向用户的动态分时电价时 段的制定方法。
2 用户分时充电电价时段制定方法
设充电站内第 i(i1,2,,N)号充电机的额定充
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电功率为 Pi，系统每 15 min 改变系统充电状态。在
15 min 内，考虑锂电池的充电特性，假设充电过程 为恒功率 Pi 充电[13]，则对于接入充电站第 i 号充 电机的电动汽车，其充电至 siD 需要的充电时间段 个数为 Ji，该电动汽车停车时间段数为 Ti 分别计算 如下：
电动汽车充电站作为电动汽车充电服务的提 供商，其运营成本主要是按购电电价(分时电价)向 电网公司支付电费，其主要收入来源于按照制定给 用户的充电电价收取的充电费用。充电站运营商通 过两者的差价来实现盈利。本文旨在研究充电站分 时充电电价时段的制定方法，以期通过用户的自主 响应，以达到有序充电的目的。
基于动态分时电价的电动汽车充电站有序充电策略
徐智威，胡泽春，宋永华，张洪财，陈晓爽
(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084)
Coordinated Charging Strategy for PEV Charging Stations Based on Dynamic Time-of-use Tariffs
根据我国电动汽车及充电设施发展规划，电动 汽车充电站及加装电动汽车充电桩的商业及住宅 停车场等将成为电动汽车的主要充电场所，也是实 现电动汽车有序充电控制的理想场所。在本文中， 我们将专用电动汽车充电站和停车场两类充电场所 统称为“充电站”。本文旨在研究充电站内基于动态 分时电价的有序充电控制方法。该方法在综合考虑 用户的充电需求和电网负荷水平的基础上，以削峰 填谷为目标，采用启发式算法动态求解接入充电站