充电站内电动汽车有序充电策略

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；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ３ ０ ３ ２ ０ １ １ １ ２ ０ ７ － － － － 国家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ ８ ６ ３ 计 划 ）资 助 项 目 （ ；国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ２ ０ １ １ ＡＡ ０ ５ Ａ １ １ ０） （ ） ； ； 质检公益科研专项项目 （ 国家电网 ５ １ １ ０ ７ ０ ６ ０ ２ ０ １ ０ １ ０ ２ ３ ２） 公司 科 技 项 目 ；已 申 请 国 家 发 明 专 利 （ 专 利 申 请 号： ） 。 Ｃ Ｎ ２ ０ １ １ １ ０ ０ ２ ３ ６ ６ ８． ４
０ 引言
温室 气 体 的 过 度 排 放， 导致全球气候变暖趋势 。 加剧 电动汽车作为新一代的交通工具 ， 其在节 能减排 、 减少人类对传统化石能源的依赖方面 ， 相较 。 ， 传统汽车具备不 可 比 拟 的 优 势 目 前 世 界 各 国 纷 纷出台相应政策 ， 推动电动汽车的发展与应用 。 ， 可以预计 随着未来电动汽车的普及 ， 大规模电 动汽车接入电网充电将对电力系统的规划与运行产 重要影响之一在于大规 生不可忽视的影 响 。 其 中 ， 模电动汽车充电将 带 来 新 一 轮 的 负 荷 增 长 ， 尤其是 电动汽车在高峰期充电将进一步加剧电网负荷峰谷 ］ ３ ４ － 、 差， 可能导致配电网线路过载 、 电压跌落 ［ 配电网 ［ ］ ［ ］ ５ ６ ７ ８ － － 、 损耗增 加 配电变压器过载 等 一 系 列 问 题。 另一方面 ， 电动汽车作为新型的移动负载 ， 其充电行 ， 为具有较强的时空 不 确 定 性 大 量 电 动 汽 车 的 广 泛 接入必将加大电网的运行控制难度 。 电动汽车有序 充电控制对于降低 电 网 运 行 风 险 ， 提高电网运行效 益与可靠性具有重要意义 。 对于在充电站 （ 包括安装有多个充电桩和充电 监控系统的停车场 ， 下文统称为充电站 ） 中实现电动 汽车有序充电控制是必要的 。 有序充电的控制方式 ］ 多样 ， 文献 ［ 将每一辆电动汽车看做独立的能源消 ９ 其充电统一由电动汽车控制中心实时控制 ， 利 费者 ，
徐智威 ，胡泽春 ，宋永华 ，罗卓伟 ，占恺峤 ，石 恒
（ ） 清华大学电机系 ，北京市 １ ０ ０ ０ ８ ４
摘要 ：以充电站运营收益最大化为目标 ， 以配电变压器容量及最大限度满足用户充电需求为约束 ， 条件 建立了充电站内电动汽车有序充电的数学模型 。 根据用户充电规律 ， 采用蒙特卡洛模拟法模 拟用户充电需求 ， 对电动汽车在有序充电和无序充电 ２ 种情形下 充 电 站 运 行 的 经 济 效 益 及 配 电 变 压器负载情况进行了仿真计算和分析 。 研究结果表明 ， 通过动态响应电网分时电价 ， 有序充电控制 方法可显著提高电动汽车充电站的经济效益 ， 并具备很高的计算效率 。 同时 ， 由于相对便宜电价的 夜间采用有序充电方式也可能使大量的电动汽车集中充电而导致另外一个用电高峰的出现 。 激励 ， 关键词 ：电动汽车 ；充电站 ；有序充电 ；经济效益 ；蒙特卡洛模拟法
Ｊ Ｎ
（ ｍ ａ ｘ Ｓｎ ＰΔ ｔ ｃ ｐ ｊ ｊ ｊ－ ｊ） ∑ ∑Ｃｎ
ｊ＝１ ｎ＝１
（ ） １
模型及控制算法 ２ 有序充电控制策略 、
２． １ 控制策略 设充电站内所有充电机的额定充电功率均为 配 电 变 压 器 的 额 定 容 量 为 ＳＴ ， 充电负荷功率因 Ｐ， 数平均为λ。 锂电池一般 采 用 三 段 式 充 电 方 法 进 行 充电 ， 分别是预充电阶段 、 恒流充电阶段和恒压充电 １ ３］ 。 当从较低的起始荷电 状 态 开 始 充 电 时 ， 为 阶段 ［ 了避免大电流对电 池 的 冲 击 ， 一般需要经过短时间 的预充电阶段 。 在 恒 流 充 电 阶 段 ， 电池的两端电压 因此该过程充电功率基本维持不变 。 基本维持不变 ， 当荷电状态接近 １ 时 ， 电池进入恒压阶段进行充电 ， 该阶段充电功率持 续 减 小 ， 但该阶段占整个充电时 间的比例非常小 。 因 此 ， 本文研究假设充电过程为 １ ４］ ， 恒功率充电 ［ 以此计算得到的充 电 决 策 基 本 能 够 保证客户的充电需求 。 根据变压器历史 常 规 负 荷 （ 除电动汽车负荷以 ） ， 外的其他负荷 数 据 可 预 测 当 日 ９ ６点常规负荷曲 。用 Ａ 线， 时间间隔为 １ 表示一日中第 ５ｍ ｉ ｎ ｊ（ ｊ＝ ｊ ， ， …， ） １２ ９ ６ 个时间段内允许充电站对电动汽车充电 的功率占变压器 容 量 的 比 例 ， 取 值。 对 Ａ ０， １］ ｊ 在［ ， 。 配有专供配电变压器的电动汽车充电站 Ａ ｊ ＝１ 充电站当日的电价信息主要包括充电站从电网 购电的电价和向电 动 汽 车 用 户 收 取 的 充 电 电 价 ， 分 ， ， ， …， 。 别用ｃ 和 表示 ＝１ ２ ９ ６ ｐｊ ｊ ｊ 根据当前时间与充电站内所有车辆的预期停留 时间设定值 ， 确定从 当 前 时 刻 起 的 所 有 车 辆 停 留 时 间的最大值ｔ 得 到 充 电 协 调 控 制 的 时 间 段 数 Ｊ， ｍ ａ ｘ， 系统每 １ 则 Ｊ＝ ５ｍ ｉ ｎ 改变一次充电状态 ，
第３ ６ 卷 第 １ １期 ２ ０ １ ２年６月１ ０日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． １ １ Ｊ ｕ ｎ ｅ １ ０， ２ ０ １ ２
： ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ０ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ １ ０ ２ ６． ２ ０ １ ２． １ １． ０ ０ ７ － ｊ
充电站内电动汽车有序充电策略
用这种控制方式可有效降低配电系统运行损耗 。 文 ］ 献［ 在分析配电 系 统 馈 线 网 络 损 耗 、 配电网负载 １ ０ 率以及负荷波动方 差 三 者 之 间 关 系 的 基 础 上 ， 研究 用于降低损耗的有序充电控制方法 。 在不影响电动 文献［ 提出通 汽车动力电池使用寿 命 的 基 础 上 ， １ １］ 过有序充 电 控 制 方 法 降 低 电 动 汽 车 用 户 的 充 电 成 本， 并研究了电动汽 车 提 供 辅 助 服 务 的 有 序 充 放 电 控制方法 。 另一方面 ， 利用电动汽车有序充电控制 ， 可以与新能源出力 配 合 ， 降低因为新能源出力不确 定性与电动汽车充电时空分布不确定性对电网造成 ］ 的负面影响 。 文献 ［ 研究了考虑电动汽车充电以 １ ２ 及风电出力不确定性的随机经济调度问题 。 随着 电 动 汽 车 的 发 展 ， 采用集中控制方式对数 量巨大的电动汽车进行有序充电控制将对电网电动 汽车控制中心的计算能力提出很高的要求 。 同时较 大区域内电动汽车与控制中心的实时通信速度和可 靠性也面临挑战 。 相 反 ， 作为只有相对少量电动汽 车的充电场所 ， 充电 站 能 够 迅 速 实 时 采 集 电 动 汽 车 充电信息 ， 并根据电网实时状态 ， 兼顾客户的充电需 求， 对其进行有序充电控制 。 以此为基础 ， 结合分站 分区控制便能迅速而经济地实现区域电网的有序充 电协调控制 。 本文旨在研究电 动 汽 车 充 电 站 （ 特别是配备多 个充电桩和充电监 控 系 统 的 停 车 场 ） 的有序充电协 。 调控制策 略 以 充 电 站 运 行 经 济 效 益 最 大 化 为 目 标， 以变压器运行不 过 载 以 及 最 大 限 度 满 足 电 动 汽 车用户充电需求为 约 束 条 件 ， 建立电动汽车有序充 电控制的优化模型 ， 从而实现充电站内电动汽车的 协调充电控制 。
…， ２， Ｊ ∑Ｃ Ｓ Ｐ ≤ ＡＳ λ ｊ ＝ １，
ｎ ｊ ｎ ｊ ｊ
Ｔ
（ ） ２
式中 ： λ 为充电负荷的平均功率因数 。 在 Ｊ 个时间段内 ， 被充电的电动汽车的电池荷 电状态应当至少达到充电开始时所需求的最终荷电 状态 Ｙｎ， 同时 在 充 满 的 情 况 下 应 该 停 止 充 电 。 充 Ｄ， 电需求约束如下 ：
电站状态 矩 阵 Ｓ， 其元素Ｓ ｎ ｊ为从当前时刻算起第 Ｓ ｊ 个时间段上充 电 机ｎ 的 停 车 状 态 ： ｎ ｊ ＝１ 表 示 有 。 车； 表示无车 Ｓ ｎ ｊ ＝０ ， 每隔 １ 充电站内电动汽车充电控制系 统 ５ｍ ｉ ｎ 用户需求 、 电网负 根据充电站内电动汽车停车状况 、 载和电价信息 ， 调用有序充电优化程序 ， 计算确定每 从 台充电机在未来 Ｊ 个 时 间 段 内 充 电 和 停 机 状 态 ， 而实现电动汽车充电站运营效益最大化 。 ２． ２ 数学优化模型 以充 电 站 的 运 营 经 济 效 益 最 大 化 为 目 标 ， 目标 函数如下 ：
１ 充电站有序充电目标与输入信息
一般电动汽车充电站的结构为在配电变压器下
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· 绿色电力自动化 · 徐智威 ， 等 充电站内电动汽车有序充电策略
接有常规负荷和电动汽车充电负荷 。 对于配有专供 配电变压器的充电站 ， 常规负荷较小 ， 可忽略 。 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 ， 按购电电 通过两者的差价实现盈利 。 价向电网公司支付电费 ， 设充电站有 Ｎ 台充电机 ， 每当有新的电动汽车 …， 客户接入 充 电 站 第 ｎ 台 （ 充 电 机 时， ｎ＝１， ２， Ｎ） 充电控制系统可通过客户电动汽车上的电池管理系 以及电池当前荷电状 统获取电动汽车电池容量 Ｂ ｎ， 态 Ｙｎ， 即电动汽车 当 前 电 池 电 量 与 其 电 池 总 容 量 Ａ（ ） 。 的比例 为了制定电动汽车有序充电策略 ， 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ｔ ｎ 以及客户离开时期望的电动汽车电池荷 电状态 Ｙｎ， 以满足客户需求以及充 Ｄ 。 在此 基 础 上 ， ， 电站变压器不过载为前提 通过有序充电控制 ， 实现 充电站经济效益的最大化 。
式中 ： Ｃ ｎ ｊ 为第ｎ 个充电机以当前时刻为起始 点 的 第 ， 个时间段的控制决策 Ｃ ｊ ｎ ｊ ＝１ 表 示 该 充 电 机 开 启 ， Ｃ ｔ为一个时间段的长 Δ ｎ ｊ ＝０ 表 示 该 充 电 机 关 闭 ； ， 。 度 本文取 １ ５ｍ ｉ ｎ 配电变压器容量约束如下 ：
Ｎ
ｎ＝１
Ｊ
Ｙｎ， ＤＢ ｎ ≤
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ｊ＝１
ｔ＋Ｙ ∑Ｃ Ｓ ＰΔ
ｎ ｊ ｎ ｊ
ｎ， Ａ
Ｂ ｎ ≤Ｂ ｎ
（ ） ３
…， 式中 ： ｎ＝１， ２， Ｎ。 设 Ｃ 为由决策变 量 Ｃｎ ｊ组成的充电机开停决策 矩阵 ， 上述优化模型 是 以 Ｃ 为 决 策 变 量 的 线 性 整 数 ［５］ 规划模型 。 本文使用 Ｃ 优化工具包进行求 Ｐ Ｌ Ｅ Ｘ１ 计算效率较高 。 解， ２． ３ 异常处理 在解决客户的实际需求时可能会遇到这样的问 ： 在短时间内需要充电站为之提 题 客户的需求急切 ， 。 供大量的 电 能 （ 例 如 较 大 的 Ｙｎ， 较 小 的ｔ Ｄ和 Ｂ ｎ， ｎ） （ 此时由于充电设备硬件约束 充 电 功 率 Ｐ 不 可 能 很 ， 以及变压器容 量 约 束 ， 充电站不能满足客户的 大） ， 需求 即出现不能满 足 电 动 汽 车 用 户 离 开 时 电 池 荷 电状态至少达到 Ｙｎ， Ｄ 的情况 。 在优化问题求解时表 。 现出优化无解 为解决此问题 ， 当用户输入 Ｙｎ， 求解优 化 Ｄ 之后 ， ， ， 控制策略 若无解 提示用户此时系统不能满足客户 充电需求 ， 并 将 该 用 户 Ｙｎ， 再 次 求 解， 直 Ｄ 递 减 ２％ ， 。 到有 解 为 止 优 化 系 统 告 知 顾 客 最 终 调 整 后 的 若客户满意 ， 即按照 调 整 后 的 Ｙｎ， Ｙｎ， Ｄ， Ｄ执行优化控 制 。 若客户不满 意 ， 只 能 放 弃 这 位 客 户 。 若 Ｙｎ， Ｄ降 ， ， 到Ｙｎ， 时 上述问题仍无解 则此时充电站不能满足 Ａ — ３ ９ —