摘 要：針對電動(dòng)汽車(chē)在居民小區無(wú)序充電對電網(wǎng)系統產(chǎn)生嚴重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(cháng)問(wèn)題，提出一種采用延遲充 電的電動(dòng)汽車(chē)有序充電控制策略，并在分析國內外電動(dòng)汽車(chē)有序充電的研究現狀后，設計了居民小區電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略的總體框架。該策略采用延遲充電對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序充電控制，通過(guò)計算電動(dòng)汽車(chē)的充電優(yōu)先級來(lái) 確定用戶(hù)開(kāi)始充電的時(shí)間以保證離開(kāi)時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的荷電狀態(tài)，很大程度達到用戶(hù)期望荷電狀態(tài)。通過(guò)算例仿真分析，證明提出的延遲充電策略可在滿(mǎn)足用戶(hù)對電動(dòng)汽車(chē)充電量期望的同時(shí)達到削峰填谷的作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；有序充電；延遲充電；削峰填谷；儲能

1 引言

隨著(zhù)世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類(lèi)對能源需求的不斷增長(cháng)，能源被大量消耗，產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。機動(dòng)車(chē)輛已經(jīng)成為生產(chǎn)生活中的一部分，使用燃油車(chē)無(wú)疑會(huì )增加CO₂的排放。雖然新能源發(fā)電被越來(lái)越多地引入電網(wǎng)，如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電等，但由于二者的功率輸出是隨機波動(dòng)的，會(huì )對電力系統造成影響，產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題。因此，減少燃油車(chē)的使用，從燃油動(dòng)力汽車(chē)轉向電動(dòng)汽車(chē)是解決汽車(chē)造成的環(huán)境污染的有效手段。當前電網(wǎng)系統的有基金項目：北京市教委科研計劃項目序充電對智能電網(wǎng)的發(fā)展起著(zhù)越來(lái)越大的作用。隨著(zhù)EV的大規模使用，有序充電對電網(wǎng)及分布式能源的重要性日益增強，需要解決EV充電問(wèn)題。目前針對EV充電的研究?jì)热葜饕婕俺潆娯摵深A測、V2G、EV參與輔助服務(wù)、配電網(wǎng)規劃、充電站規劃等，也有一些學(xué)者對EV充電分層分區調度策略進(jìn)行了研究。

居民小區具有用車(chē)規律性強、可控性強、方便調研等優(yōu)勢，因此將居民小區作為研究對象，針對EV在居民小區充電過(guò)程中隨機停放且無(wú)序充電對電網(wǎng)系統產(chǎn)生的嚴重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(cháng)的問(wèn)題，提出一種采用延遲充電的EV有序充電控制策略。

1.1EV有序充電策略

1.1.1EV有序充電控制架構

EV充電將成為居民區電力需求的重要組成部分，需要從配電網(wǎng)規劃原則和負荷分布的影響等方面展開(kāi)研究。結合概率收費模型和電力消費數據，在標準中定義的不同充電功率下，隨機模擬不受控制、限制和價(jià)格優(yōu)化的EV充電產(chǎn)生的影響。將大量EV推遲至用電谷時(shí)段進(jìn)行充電以減小EV充電對小區變壓器的沖擊，并且考慮到分時(shí)電價(jià)可減少用戶(hù)充電費用，提高經(jīng)濟性，保證EV與電網(wǎng)的協(xié)調互動(dòng)發(fā)展。EV有序充電控制架構如圖1所示。

圖1 EV有序充電控制框架

1.2延遲充電的充電變量定義

EV返回后駐車(chē)時(shí)長(cháng)的計算方法為T(mén)S = t_out - t_back ，（1）式中：TS為用戶(hù)駐車(chē)時(shí)長(cháng)，h；tout為用戶(hù)外出時(shí)刻；tbac 為用戶(hù)返回時(shí)刻。EV 結束充電時(shí)刻t_over的表達式為t_over = t_start+ T_cha ，（2）式中：t_start 為充電開(kāi)始時(shí)刻；T_cha 為充電時(shí)長(cháng)，h。設t時(shí)刻共有m輛EV進(jìn)行充電，則EV充電總功率 P_t，EV和功率P_a.t的表達式為P_t，EV =_EV，（3）

式中：P_EV 為EV荷電功率。P_a.t = P_max - P_load - P_t，EV，（4）式中：Pmax為功率限值，kW；Pload為除EV充電之外的日常負荷，kW。EVi進(jìn)行有序充電的優(yōu)先級計算方法為，（5）式中：γ為EV充電優(yōu)先級。

在設計EV的充電優(yōu)先級時(shí)，設置當γ= 1時(shí)的優(yōu)先級高，EV優(yōu)先進(jìn)行充電；當γ=0時(shí)的優(yōu)先級低，EV最后進(jìn)行充電。為了讓EV在車(chē)主離開(kāi)小區時(shí)處于滿(mǎn)電狀態(tài)，需要設置車(chē)主的優(yōu)先級γ= 1，確保EV電池狀態(tài)達到滿(mǎn)電狀態(tài)。

1.3有序充電策略具體執行方式

EV有序充電設計重要的部分是對延遲充電條件的設置，通過(guò)對滿(mǎn)足條件的EV延遲充電且不影響用戶(hù)的期望充電量為基礎，完成對居民小區EV有序充電的控制。當用戶(hù)把EVi連接到充電樁時(shí),可通過(guò)充電樁的人機交互界面對EV的期望荷電狀態(tài)、用戶(hù)預計離開(kāi)時(shí)刻進(jìn)行設定。充電樁通過(guò)充電控制系統獲得EVi的電池信息，并將EV的充電負荷信息上傳至有序充電控制器，有序充電控制器獲得各個(gè)EV的充電負荷信息后對EV的充電進(jìn)行控制，其實(shí)施流程如圖2所示，具體如下。

圖2 采用延遲充電的EV有序充電流程

（1）在t時(shí)刻將已經(jīng)充電完成的EV從計算充電序列中剔除。

（2）檢測有無(wú)EV接入，若有則判斷是否符合延遲充電條件，若無(wú)EV接入則轉入步驟（4）。

（3）延遲充電條件：EV離開(kāi)時(shí)刻在谷時(shí)段開(kāi)始之后，且用戶(hù)返回時(shí)刻到遲充電完成時(shí)刻的時(shí)長(cháng)大于EV充電所需時(shí)間。若上述延遲充電條件均滿(mǎn)足則EV進(jìn)入有序充電控制器的充電等待序列中，否則立即對EV充電以保證充電結束時(shí)的電池電量很大程度接近用戶(hù)期待荷電。

（4）有序充電控制中臺采集t時(shí)刻該小區實(shí)時(shí) 負荷信息，尋找充電等待序列優(yōu)先級高的EV。

（5）若EV充電優(yōu)先級γ= 1，則有序充電控制器對充電樁下達命令使其對EV進(jìn)行充電，若充電先級γ≠1，則采用當日制定的功率限制值計算t時(shí)刻功率裕度判斷功率裕度是否大于EV充電功率。

（6）若功率裕度大于EV充電功率則對EV進(jìn)行充電，記錄開(kāi)始時(shí)間，計算結束時(shí)間。并更新功率裕度，繼續尋找本時(shí)刻高優(yōu)先級的EV，判斷是否可以進(jìn)行充電，直到充電優(yōu)先級γ≠1且功率裕度小于EV充電功率（判定先級γ= 1的邏輯為：當EV在t時(shí)刻到完成充電時(shí)刻等于充電所需時(shí)長(cháng)時(shí)開(kāi)始充電、當停留時(shí)長(cháng)等于充電時(shí)長(cháng)時(shí)開(kāi)始充電 。其他充電優(yōu)先級γ≠1的車(chē)輛均根據功率裕度判斷是否進(jìn)行充電）。

（7）判斷t時(shí)刻是否晚于谷時(shí)段開(kāi)始時(shí)刻，是則結束循環(huán)，控制結束，否則重新執行步驟（1）。為更加直觀(guān)地展現上述過(guò)程，通過(guò)問(wèn)卷收集了15條居民小區EV充電數據，見(jiàn)表1。

假設該小區的峰谷時(shí)段為21：00 至次日 08：00。在不考慮功率限制、僅滿(mǎn)足優(yōu)先級但不具體根據優(yōu)先級進(jìn)行有序充電的情況下，對上述控制邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬，結果如圖 3 所示，并與即充即走的無(wú)序充電模式進(jìn)行對比 。圖3中藍色為 EV充電時(shí)間，紅色為 EV 可以進(jìn)行充電的時(shí)間 。 由圖3可見(jiàn)：C，G， H，I，J，K，L號 EV 均可在峰谷時(shí)進(jìn)行充電 。但由于沒(méi)有有序充電策略的幫助，導致原本可以延遲充電的EV在到達小區時(shí)就立即開(kāi)始充電，導致用電高峰時(shí)有大量EV接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，給小區的變壓器帶來(lái)很大的負擔，甚至會(huì )產(chǎn)生安全隱患。

圖3 即充即走的無(wú)序充電模式

如果采用有序充電策略，如圖 4 所示，21：00 前用電高峰階段進(jìn)行充電的 EV 數量明顯減少，從9 輛減少為5 輛。 同時(shí)，21：00 后用電峰谷時(shí)段的充電EV由3 輛增加至7輛，顯著(zhù)降低用電高峰期變壓器負荷，同時(shí)利用夜晚用電谷時(shí)段進(jìn)行充電，達到了削峰填谷的目的。

圖4 有序充電模式

2 EV有序充電算例分析

對提出的EV有序充電策略進(jìn)行試驗算例分析，并利用仿真結果證明有序充電策略的有效性。

2.1參數設置

為進(jìn)行仿真分析，通過(guò)問(wèn)卷調查獲取小區EV回到社區的時(shí)間如圖5所示。所采訪(fǎng)小區的用電負荷高峰出現在20：00，功率峰值約900kW，其次為12：00，功率峰值約600kW。EV返回后電池平均剩余容量為50%。通過(guò)問(wèn)卷獲取EV離開(kāi)社區的時(shí)間和EV充滿(mǎn)電所用時(shí)間分別如圖6及圖7所示。

圖5 EV返回小區時(shí)間

圖6 EV離開(kāi)小區時(shí)間

圖7 EV充電時(shí)長(cháng)

對用戶(hù)充電行為進(jìn)行如下假設。

（1）用戶(hù)出行數據取自圖5—7，共計44輛 EV，充電樁的配比為1∶1，可隨時(shí)接入充電樁，等待有序充電控制器的控制。

（2）所用充電樁為慢速交流充電裝置，充電功率為7kW，谷時(shí)段為22：00—次日08：00。

（3）EV 每天返回后均進(jìn)行充電，用戶(hù)期望駕車(chē)離開(kāi)時(shí)EV電池電量為100%。

（4）變壓器的負荷紅線(xiàn)為1100kW。

2.2仿真結果

利用提出的EV有序充電策略對案例進(jìn)行仿真分析，可得出有序充電和無(wú)序充電波動(dòng)曲線(xiàn)如圖8所示。從有序充電和無(wú)序充電曲線(xiàn)的波動(dòng)可以看出，不采用有序充電策略，EV充電處于大規模無(wú)序狀態(tài)，且EV的充電高峰期出現在一天中的用電高峰期到凌晨。此時(shí)電網(wǎng)系統的用電量即為負荷的達高峰，電網(wǎng)系統的負荷壓力也大。

而在有序充電模式下，通過(guò)合理地安排EV充電順序，可有效縮短EV充電時(shí)間，并將原本在用電高峰期充電的EV安排到其他時(shí)間段充電，提高電網(wǎng)的安全運行，降低電網(wǎng)系統的負荷壓力。

圖8 EV有序充電與無(wú)序充電負荷對比

為了更直觀(guān)地體現有序充電的控制效果，計算44輛 EV 在無(wú)序充電充電模式和有序充電模式下的峰谷差，結果見(jiàn)表2。

表2無(wú)序充電模式和有序充電模式下的負荷對比

從表2無(wú)序充電充電模式和有序充電模式下負荷數據對比可見(jiàn)：在EV數量相同的情況下，有序充電模式的負荷總峰值遠小于無(wú)序充電充電模式時(shí)的總峰值，且無(wú)序充電充電模式已經(jīng)超過(guò)負荷的紅線(xiàn)（1100kW），而有序充電模式可以保證負荷的穩定性；從負荷的峰谷差可以看出，有序充電模式的峰谷差僅為無(wú)序充電充電模式峰谷差的1/2 ?？梢?jiàn)提出的基于EV 延遲充電的有序充電策略可以有效控制EV充電安全，并達到削峰填谷、錯峰充電的目的，對EV的推廣具有一定的積極意義。

3 安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的汽車(chē)充電站、電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資源管理、電能管理、明細查詢(xún)等，同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶、云閃付掃碼充電。

3.2應用場(chǎng)合

適用于住宅小區等物業(yè)環(huán)境、各類(lèi)企事業(yè)單位、醫院、景區、學(xué)校、園區等公建、公共停車(chē)場(chǎng)、公路充電站、公交樞紐、購物中心、商業(yè)綜合體、商業(yè)廣場(chǎng)、地下停車(chē)場(chǎng)、高速服務(wù)區、公寓寫(xiě)字樓等場(chǎng)合。

3.3系統結構

現場(chǎng)設備層：連接于網(wǎng)絡(luò )中的各類(lèi)傳感器，包括多功能電力儀表、汽車(chē)充電樁、電瓶車(chē)充電樁、電能質(zhì)量分析儀表、電氣火災探測器、限流式保護器、煙霧傳感器、測溫裝置、智能插座、攝像頭等。

網(wǎng)絡(luò )通訊層：包含現場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )交換機等設備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現場(chǎng)設備層設備的數據，并可進(jìn)行規約轉換，數據存儲，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)將數據存儲在本地，待網(wǎng)絡(luò )恢復時(shí)從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務(wù)器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，完成對現場(chǎng)所有智能設備的數據交換，可在PC端或移動(dòng)端實(shí)現實(shí)時(shí)監測充電站配電系統運行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過(guò)程及人員行為，并完成微信、支付寶在線(xiàn)支付等應用。

3.4平臺功能描述

3.4.1充電服務(wù)

充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線(xiàn)自助支付充電，充電結算，導航等。

3.4.2首頁(yè)總覽

總覽當日、當月開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，累計的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，以及相應的環(huán)比增長(cháng)和同比增長(cháng)以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

3.4.3交易結算

充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表。

3.4.4故障管理

故障管理故障記錄查詢(xún)、故障處理、故障確認、故障分析等管理項，為用戶(hù)管理故障和查詢(xún)提供方便。

3.4.5統計分析

統計分析支持運營(yíng)趨勢分析、收益統計，方便用戶(hù)以曲線(xiàn)、能耗分析等分析工具，瀏覽樁的充電運營(yíng)態(tài)勢。

3.4.6運營(yíng)報告

按用戶(hù)周期分析汽車(chē)、電瓶車(chē)充電站、樁運行、交易、充值、充電及報警、故障情況，形成分析報告。

3.4.7APP、小程序移動(dòng)端支持

通過(guò)模糊搜索和地圖搜索的功能，可查詢(xún)可用的電樁和電站等詳細信息。掃碼充電，在線(xiàn)支付:掃描充電樁二維碼，完成支付，微信支付完成后，即可進(jìn)行充電。

3.4.8資源管理

充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶(hù)檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。