基于分时电价的电动汽车有序充电控制策略设计

收 稿 日 期 ：２０１２－０９－２９；修 回 日 期 ：２０１２－１１－１９。 国家自然科学基金资助项目（５１２７７０１０）；中央高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 项 目 （Ｅ１２ＲＣ０００２０）。
充 电 需 求 。 文 献 ［９］从 充 电 站 运 营 效 益 的 角 度 出 发 ， 通过动态响应电网 分 时 电 价，采 用 有 序 充 电 控 制 方 法提高电动汽车充电站的经济效益。但该文献研究 过程中假 设 充 电 电 价 相 同 且 没 有 考 虑 电 网 负 荷 波 动，使大量电动汽车 集 中 在 电 价 相 对 便 宜 的 夜 间 时 段 充 电 ，从 而 导 致 另 外 一 个 用 电 高 峰 的 出 现 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
模拟方法。基于概 率 和 统 计 理 论，使 用 随 机 数 进 行
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· 储 能 技 术 及 其 在 电 力 系 统 中 的 应 用 · 孙 晓 明 ，等 基 于 分 时 电 价 的 电 动 汽 车 有 序 充 电 控 制 策 略 设 计
计算机模拟或抽 样，以 获 得 问 题 的 近 似 解。 本 文 根 据已掌握的电动汽 车 充 电 行 为 数 据，建 立 了 电 池 起 始充 电 电 量 Ｓｓ 和 电 池 结 束 充 电 电 量 Ｓｅ 的 概 率 模 型。根据人 们 的 日 常 行 为 习 惯 服 从 正 态 分 布 的 特 点，建立了 用 户 到 达 充 电 地 点 的 时 间 Ｔｃ 和 取 车 时 间 Ｔｇ 的概率模型。 然 后 对 所 得 出 的 概 率 分 布 的 概 率模型进 行 随 机 抽 样。 根 据 Ｓｓ，Ｓｅ，Ｔｃ，Ｔｇ 的 抽 样 结果可近似建立电 动 汽 车 负 荷 模 型，从 而 实 现 采 用 蒙特卡洛方法模拟电动汽车用户的充电行为。 ２．３ 有 序 充 电 控 制 算 法
２．１ 有 序 充 电 控 制 策 略
根据 局 域 配 电 网 的 历 史 常 规 负 荷，可 以 预 测 当
日常规负荷曲线。 本 文 采 用 ９６ 点 日 负 荷 曲 线 预 测
法 ，时 间 间 隔 为 １５ ｍｉｎ，第ｊ（ｊ＝１，２，… ，９６）个 时 段
内的常规负 荷 大 小 为 Ｐｊ。 慢 充 方 式 下 充 电 机 的 额 定充电功率均 为 ΔＰ，且 充 电 机 能 够 根 据 程 序 的 设
充电控制目标函数如下：
９６
∑ 烄ｍｉｎ ＳＳＯＣｊｓｊ
烅
ｊ＝１
烆ｍｉｎＴｓ
式中：ｓｊ 为充电分时服务费。
验证函数如下：
（５）
ｍｉｎ ｖａｒ（Ｐｊ ＋ｐｊ） 式中：ｖａｒ（ｘ）为ｘ 的方差函数。
（６）
２．２ 有 序 充 电 负 荷 模 型
本文采用蒙特卡洛方法模拟用户充电需求从而
建立电动汽车负荷模型。蒙特卡洛模拟是一种随机
段。新的划分结果使得局域配电网的负荷波动情况 与充电分时电价时段划分基本相符。在大量电动汽 车充电时，这样的划 分 方 法 既 保 证 了 局 域 配 电 网 不 出现 “峰 上 加 峰 ”的 情 况，也 使 得 电 网 稳 定、经 济 运行。
２ 有 序 充 电 控 制 策 略 、模 型 及 算 法
第 ３７ 卷 第 １ 期 ２０１３ 年 １ 月 １０ 日
ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１２０９２７４
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．１０，２０１３
基于分时电价的电动汽车有序充电控制策略设计
孙 晓 明 ，王 玮 ，苏 粟 ，姜 久 春 ，徐 丽 杰 ，何 宣 虎
（北京交通大学电气工程学院，北京市 １０００４４）
电网分时电价是针对某一地区非特殊负荷而制 定的。电动汽车接 入 局 域 配 电 网 后，会 出 现 局 域 配 电网实际峰平谷负荷波动不同于电网分时电价中峰 平谷时段划分的 情 况。 例 如：电 动 汽 车 充 电 管 理 机 构从电网购电的分时电价采用国内工业用电分时电 价 划 分 方 式 ，即 峰 平 谷 分 时 电 价 时 段 划 分 为 ：峰 时 段 ８ｈ（０８：００—１２：００， １７：００—２１：００ ）； 平 时 段 ８ｈ（１２：００—１７：００， ２１：００—２４：００ ）； 谷 时 段 ８ｈ（００：００—０８：００）。图 １ 为 某 局 域 配 电 网 的 典 型 工 作 日 负 荷 曲 线 。 可 以 看 出 ，电 网 电 价 为 平 时 段 时 ， 局域配电网负荷却 部 分 呈 现 高 峰 状 态，若 采 用 电 网 分时电价引导电动 汽 车 用 户 充 电，可 能 会 造 成 大 量 电动汽车在负荷高 峰 时 段 充 电，从 而 导 致 局 域 配 电 网出现“峰 上 加 峰 ”的 现 象。 这 既 不 利 于 电 网 的 稳 定、经济运行，也降 低 了 设 备 的 利 用 率，增 大 了 局 域 配电网网损。
定自启动和结束充电操作。本文研究假设充电机给
电动汽车锂电池充电过程为恒功率充电 。 ［１０］
设电动 汽 车 电 池 容 量 为 ω，充 电 时 电 池 起 始 充
电电量为Ｓｓ，用户到 达 充 电 地 点 的 时 间 为 Ｔｃ，用 户
需自行设置结束充电时的 电 池 电 量 Ｓｅ，以 及 取 车 时
间 Ｔｇ，则用户所需充电电量 ＳＳＯＣ的计算方法如下：
针 对 电 动 汽 车 接 入 对 电 网 负 荷 波 动 的 影 响，已 有相关研究成果发 表。 文 献 ［７］建 立 了 以 峰 谷 差 率 最小为目标的优化 模 型，采 用 遗 传 算 法 对 谷 电 价 时 段用户的充电时间进行了优化求解。但该文献未针 对电动汽车在峰电价时段接入电网提出相应的充电 策 略 。 文 献 ［８］分 析 了 电 动 汽 车 用 户 的 使 用 需 求 ，在 此基础上建立了以减小电网负荷峰谷差为有序充电 调度目标的优化模 型，并 采 用 了 考 虑 电 动 汽 车 充 电 不确定性的电网调度随机最优潮流模型。但充电涉 及电网和用户两方 面，该 文 献 没 有 太 多 考 虑 用 户 的
１ 电 动 汽 车 充 电 控 制 目 标
１．１ 控 制 目 标 等 效 处 理 以减小电网峰谷差为电动汽车有序充电的控制
目 标 ，可 以 达 到 减 少 电 网 运 行 和 投 资 成 本 ，提 高 设 备 利用率的目的。由于电动汽车充电涉及电网和用户 两方面的利益，所以 有 序 充 电 控 制 策 略 不 仅 要 能 减 小电网峰谷差，还要 在 电 网 稳 定 运 行 的 前 提 下 尽 量 满足用户的充电需求。电网分时电价是根据用户需 求以及电网在不同 时 段 的 实 际 负 荷 情 况，将 每 天 的 时间划分为峰、谷、平 ３ 个 时 段，对 各 时 段 分 别 制 定 不 同 的 电 价 水 平 ，以 鼓 励 用 户 和 发 电 企 业 削 峰 填 谷 ，
ｐｊ 与常规负荷Ｐｊ 的叠加，即
Ｐｓｕｍｊ ＝ ｐｊ ＋Ｐｊ
（４）
在用户停车 的 时 间 段 （Ｔｃ，Ｔｇ）内，以 用 户 充 电
费用最低且电池起始充电时间最早作为充电控制目
标函数，以平抑电动 汽 车 接 入 给 电 网 带 来 的 负 荷 波
动 ，并 将 电 网 的 峰 谷 差 作 为 控 制 结 果 的 验 证 函 数 。
关 键 词 ：有 序 充 电 ；充 电 分 时 电 价 ；电 动 汽 车 ；蒙 特 卡 洛 模 拟 ；避 峰 填 谷 ；经 济 性 充 电
０ 引 言
根据国务院最 新 规 划，到 ２０１５ 年，纯 电 动 汽 车 和插电式混合动力 汽 车 累 计 产 销 量 力 争 达 到 ５０ 万 辆；到 ２０２０ 年，纯 电 动 汽 车 和 插 电 式 混 合 动 力 汽 车 生产能力达２００万辆、累计产销量超过５００ 万 辆 。 ［１］ 由于电动汽车作为充电负荷在时间和空间上的不确 定性，使得规模化的 电 动 汽 车 充 电 给 电 网 的 运 行 和 控制带来新的挑战 。 ［２－４］ 另一方面，电动汽车 电 池 作 为 分 散 式 的 储 能 装 置 ，若 能 有 效 利 用 ，可 以 作 为 电 网 的可调度资源以平抑电网的峰谷差 。 ［５－６］ 因 此，如 何 通过对电动汽车充 电 的 合 理 控 制，规 避 规 模 化 电 动 汽车充电给电网带 来 的 负 荷 波 动，有 效 平 抑 电 网 峰 谷差以 提 高 电 网 利 用 效 率，成 为 亟 待 解 决 的 重 要 问题。
本文以电动私家车慢充方式为主要研究对象， 在电网分时电价时 段 划 分 的 基 础 上，提 出 充 电 分 时 电 价 （包 括 电 池 充 电 电 费 和 充 电 管 理 费 ）时 段 划 分 方 法，旨在研究基于充 电 分 时 电 价 的 电 动 汽 车 有 序 充 电 控 制 策 略 ，以 达 到 平 抑 电 网 峰 谷 差 的 目 的 ；在 保 证 用户充电经济性的 前 提 下，安 排 电 动 汽 车 尽 快 开 始 充 电 ，以 提 高 用 户 的 满 意 度 。 最 后 ，以 一 个 局 域 配 电 网 为 例 ，采 用 蒙 特 卡 洛 方 法 模 拟 用 户 的 充 电 需 求 ，仿 真分析了采用有序充电策略调控前后电动汽车充电 对 电 网 峰 谷 差 的 影 响 ；在 不 同 的 用 户 响 应 系 数 下 ，对 比分析了有序充电策略的仿真结果。
摘要：文中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 ，提 出 了 电 动 汽 车 充 电 分 时 电 价 时 段 划 分 方 法 ，并 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。利用蒙特卡洛方法模拟电 动 汽 车 用 户 的 充 电 行 为，对 比 分 析 了 电动汽车在无序充电和有序充电模式下的仿真结果，表明：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 。 针 对 电 动 汽 车 用 户 对 有 序 充 电 的 不 同 响 应 系 数 ，仿 真 计 算 了 局域配电网的负荷曲线，结果表明：受充电分时电价影响的用 户 越 多，对 于 抑 制 因 电 动 汽 车 接 入 而 引起的局域配电网负荷的波动越有利。