安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：分析電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響,主要研究電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷平衡的影響。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷建模，分析其用戶(hù)出行等的時(shí)間概率分布，通過(guò)蒙特卡羅模擬法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷需求進(jìn)行計(jì)算，研究3 000輛電動(dòng)汽車(chē)全天的充電需求時(shí)間分布。建立含光伏發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)域供電系統(tǒng)優(yōu)化模型，同時(shí)以動(dòng)態(tài)電價(jià)為激勵(lì)引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序充電，以參與電網(wǎng)輔助服務(wù)。以聯(lián)絡(luò)線(xiàn)交換功率波動(dòng)乘積較小和充電成本較低為目標(biāo)，并以其加權(quán)后的函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合4個(gè)約束條件，通過(guò)遺傳算法求解模型，得到符合目標(biāo)函數(shù)的較優(yōu)充電方案。較終通過(guò)算例驗(yàn)證該模型能夠?qū)崿F(xiàn)平移負(fù)荷、削峰填谷的作用。

關(guān)鍵詞：負(fù)荷平衡；蒙特卡羅模擬法；動(dòng)態(tài)電價(jià)；有序充電；削峰填谷；

0引言

 

      由于二氧化碳排放增加和環(huán)境污染等問(wèn)題，以及原油價(jià)格和其他燃料資源的不穩(wěn)定性，電動(dòng)汽車(chē)自21世紀(jì)以來(lái)已經(jīng)逐漸進(jìn)入人們的生活，電動(dòng)汽車(chē)的普及也對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的沖擊。文獻(xiàn)［1］—文獻(xiàn)［2］分析了我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)際情況，指明該過(guò)程中面臨的問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］提出基于隨機(jī)森林的充電行為聚類(lèi)技術(shù)，分析電動(dòng)汽車(chē)充電行為特性，結(jié)果表明該方法較歐氏距離法更準(zhǔn)確。文獻(xiàn)［4］提出基于主動(dòng)配電網(wǎng)的源網(wǎng)荷優(yōu)化調(diào)度方法，可減少電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)產(chǎn)生的波動(dòng)，具有重要的指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)［5］通過(guò)采集居民電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的充電數(shù)據(jù)，研究其充電特性，結(jié)果表明充電負(fù)荷的聚集會(huì)使總負(fù)荷曲線(xiàn)惡化。文獻(xiàn)［6］為確定電氣設(shè)備的空間分布及選型，基于對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷和分布式能源出力特性的分析，建立對(duì)應(yīng)的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)算例分析證明其可行性。文獻(xiàn)［7］結(jié)合全球定位系統(tǒng)，建立了電動(dòng)汽車(chē)快速預(yù)約充電模型，通過(guò)Dijkstra算法求解模型，通過(guò)算例證明該模型的有效性。文獻(xiàn)［8］提出一種混合儲(chǔ)能虛擬電廠(chǎng)參與電力市場(chǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略，包含了電動(dòng)汽車(chē)充電的不確定性參數(shù)，通過(guò)算例證明該策略的可行性，為虛擬電廠(chǎng)參與電力市場(chǎng)調(diào)度奠定了基礎(chǔ)?；谏鲜霰尘?，本文以區(qū)域內(nèi)私人電動(dòng)汽車(chē)為主體，通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)出行規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，對(duì)出行、返回、日行駛里程及電池剩余荷電量（state of charge，SOC）概率分布特征進(jìn)行擬合，對(duì)比工作日、休息日私人電動(dòng)汽車(chē)的充電行為，并以工作日的充電行為作為輸入，基于蒙特卡羅模擬法對(duì)私人電動(dòng)汽車(chē)的充電負(fù)荷進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)。進(jìn)而考慮配電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的利益以及光伏消納情況，建立計(jì)及光伏發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)域供電系統(tǒng)優(yōu)化模型，根據(jù)全天日照強(qiáng)度較大化吸收光伏輸出，改善綜合負(fù)荷曲線(xiàn)，同時(shí)以動(dòng)態(tài)電價(jià)為激勵(lì)引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序充電。以聯(lián)絡(luò)線(xiàn)交換功率波動(dòng)乘積較小和充電成本較低為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合4個(gè)約束條件，通過(guò)遺傳算法求解模型，得到符合目標(biāo)函數(shù)的較優(yōu)充電方案。通過(guò)算例驗(yàn)證該模型能夠?qū)崿F(xiàn)平移負(fù)荷、削峰填谷。

       我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的普及給電力系統(tǒng)帶來(lái)了不穩(wěn)定性和不確定性，電動(dòng)汽車(chē)聚集性地接入電網(wǎng)充電，將對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的沖擊，增加其運(yùn)行控制難度。其主要影響包括：

      （1）電能質(zhì)量電動(dòng)汽車(chē)接入充電樁進(jìn)行充電時(shí)相當(dāng)于大功率、非線(xiàn)性負(fù)荷，在其充電過(guò)程中電網(wǎng)需要提供穩(wěn)定可靠的大電流進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)電力電子設(shè)備產(chǎn)生很高的諧波電流和沖擊電壓，若不采取相應(yīng)的措施，可能會(huì)帶來(lái)諧波污染、功率因數(shù)降低以及系統(tǒng)電壓波動(dòng)方面的影響。

      （2）電網(wǎng)運(yùn)行控制難度

聚集性地充電會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)巨大的沖擊，而且電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)出行方式、充電特性、充電時(shí)長(zhǎng)都具有隨機(jī)性，會(huì)給充電負(fù)荷帶來(lái)不確定性，影響電網(wǎng)運(yùn)行控制。大多用戶(hù)出行的較終目的地都是高度隨機(jī)的，所以其行駛里程也是隨機(jī)的。每一輛電動(dòng)汽車(chē)的充電模式不一定相同，加入外界影響因素，其充電曲線(xiàn)是不同的，所以其充電特性具有隨機(jī)性。充電時(shí)間取決于駕駛習(xí)慣，用戶(hù)在充電時(shí)往往表現(xiàn)出隨機(jī)行為，應(yīng)由在這些實(shí)體內(nèi)優(yōu)化和安排充電時(shí)間的

集中代理進(jìn)一步控制。

      （3）負(fù)荷不平衡2020—2030年，在無(wú)序充電情形下，國(guó)家電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域峰值負(fù)荷預(yù)計(jì)增加1 361萬(wàn)kW和1.53億kW，相當(dāng)于當(dāng)年區(qū)域峰值負(fù)荷的1.6%和13.1%，導(dǎo)致區(qū)域負(fù)荷的不平衡。電動(dòng)汽車(chē)集中在某些時(shí)段進(jìn)行充電，或電動(dòng)汽車(chē)充電行為在平時(shí)段的疊加，將進(jìn)一步變大電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，加重電網(wǎng)側(cè)的負(fù)擔(dān)。如果將多輛電動(dòng)汽車(chē)接入一個(gè)接近其極限的充電網(wǎng)絡(luò)，附近變壓器上的額外負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致其故障。從不同類(lèi)型充電基礎(chǔ)設(shè)施的用電特性來(lái)看，公共充電設(shè)施的用電行為較為分散，沒(méi)有明顯的峰谷差別，而專(zhuān)用設(shè)施的用電行為相對(duì)集中，峰谷差別更為明顯。綜合來(lái)看，在無(wú)序充電前提下，充電基礎(chǔ)設(shè)施負(fù)荷較大的時(shí)刻應(yīng)為傍晚大量私家車(chē)主回到居住地，開(kāi)始使用私人充電樁為私家車(chē)充電的時(shí)刻。本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)時(shí)的負(fù)荷平衡進(jìn)行研究，通過(guò)電價(jià)激勵(lì)引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)進(jìn)行有序充電，以達(dá)到平移負(fù)荷、削峰填谷的效果。

       本文基于對(duì)NHTS數(shù)據(jù)庫(kù)2019年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析，篩選出10萬(wàn)輛私人電動(dòng)汽車(chē)接入充電樁時(shí)的充電數(shù)據(jù)及充電行為等因素，為構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)有序充電行為提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 時(shí)間變量概率分布擬合

       私人電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)出行概率主要受日常生活習(xí)慣和生活規(guī)律影響，首先需要得到初始出發(fā)時(shí)間的分布。出發(fā)時(shí)間分布可用正態(tài)分布的形式進(jìn)行擬合，其時(shí)間概率分布如圖1所示。用戶(hù)日出行概率密度函數(shù)為：

  ( 1 )式中：x1 為電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)較后出行時(shí)間；μ1 為期望值，取7.42；σ1 為標(biāo)準(zhǔn)差，取3.54。

 

 

 

用戶(hù)返回時(shí)刻概率密度函數(shù)為：

 

( 2 )式中：x2 為電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)返回時(shí)刻；μ2 為期望值，取16.92；σ2 為標(biāo)準(zhǔn)差，取3.43。其時(shí)間概率分布如圖2所示。

根據(jù)出行習(xí)慣及規(guī)律分析，大部分用戶(hù)駕駛的較終目的地都是高度隨機(jī)的，但在任何一天的平均行駛里程都約為38 km/d。電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)日行駛里程服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率分布如圖3所示，概率密度函數(shù)為:

( 3 )式中：x3 為電動(dòng)汽車(chē)平均日行駛里程；μ3 為期望值，取2.92；σ3 為標(biāo)準(zhǔn)差，取0.93。

      對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池 SOC 、日均行駛距離以及充電規(guī)律、充電時(shí)間等因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［9］電動(dòng)汽車(chē)返回時(shí)剩余 SOC 也可用正態(tài)分布的形式進(jìn)行擬合，其電動(dòng)汽車(chē)剩余 SOC 的概率分布如圖4所示，概率密度函數(shù)為態(tài)分布，其概率分布如圖3所示，概率密度函數(shù)為:

 

( 4 )式中：x4 為電動(dòng)汽車(chē)返回時(shí)的剩余 SOC ；μ4 為期望值，取51.3；σ4 為標(biāo)準(zhǔn)差，取14.7。

     私人電動(dòng)汽車(chē)工作日主要用于上下班，到達(dá)公司后基本屬于閑置狀態(tài)，也可進(jìn)行充電，而休息日私人電動(dòng)汽車(chē)大多外出娛樂(lè)，時(shí)間分布與工作日有所區(qū)別，圖5為工作日與休息日私人電動(dòng)車(chē)充電時(shí)間分布。

       由圖5可知私人電動(dòng)汽車(chē)在工作日上午到達(dá)公司后即可進(jìn)行充電，晚上下班后為充電高峰期，且晚上充電的頻率高于上午；在14:00—16:00，休息日充電頻率高于工作日，但晚高峰時(shí)，其充電頻率低于工作日。后續(xù)將重點(diǎn)研究工作日私人電動(dòng)汽車(chē)的充電行為。

2.2基于蒙特卡羅模擬法的充電負(fù)荷計(jì)算

2.2.1 充電負(fù)荷模型建立

       由蒙特卡羅模擬法設(shè)置基礎(chǔ)參數(shù)，如模擬次數(shù)、電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量、快充慢充比例等。由式（4）生成初始 SOC 。由于汽車(chē)充電行為具有隨機(jī)性，所以按圖5生成電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始充電時(shí)刻。使用蒙特卡羅模擬法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷曲線(xiàn)進(jìn)行模擬，由上述得到的電動(dòng)汽車(chē)充電起始時(shí)間及初始SOC ，對(duì)單輛電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷進(jìn)行模擬，隨后將所有電動(dòng)汽車(chē)的充電負(fù)荷累加，可以得到完整的區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)總充電負(fù)荷曲線(xiàn)。區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)總充電功率為:

      

      ( 5 )式中：M 為全天總時(shí)長(zhǎng)，取為1 440 min；N 為電動(dòng)汽車(chē)總數(shù)，設(shè)為3 000輛，作為初始數(shù)據(jù)輸入蒙特卡羅模擬法進(jìn)行仿真；Pi, j 為第 j 輛電動(dòng)汽車(chē)在i時(shí)刻的充電功率。

2.2.2 地區(qū)基本負(fù)荷保持一定

      有序充電是一種調(diào)度手段，通過(guò)這種手段可以使電動(dòng)汽車(chē)避免在高峰期給電網(wǎng)帶來(lái)的峰上加峰現(xiàn)象，同時(shí)也避免大部分用戶(hù)避開(kāi)高峰期進(jìn)行充電而出現(xiàn)的第二高峰期，但應(yīng)保持原負(fù)荷不變，即不影響用戶(hù)生活及正常行動(dòng)之外進(jìn)行合理“減負(fù)"。

2.2.3電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷計(jì)算

       假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程不被干預(yù)且直至 SOC充滿(mǎn)，即充電時(shí)長(zhǎng)不受限制，抽取初始電動(dòng)汽車(chē)SOC 、日行駛里程以及開(kāi)始充電時(shí)刻，在滿(mǎn)足充滿(mǎn)電所需時(shí)長(zhǎng)的約束下，計(jì)算一天中各個(gè)時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)的充電功率。在這個(gè)過(guò)程中，將電動(dòng)汽車(chē)分為快速充電和常規(guī)慢充，分別計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷，較后進(jìn)行累加，其流程圖如圖6所示。

    

      使用蒙特卡羅模擬法計(jì)算一天 24 h 內(nèi)每個(gè)時(shí)間點(diǎn)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的充電需求概率，并在 1 500 次操作后重復(fù)平均值，以獲得區(qū)域總電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷需求的預(yù)期曲線(xiàn)。曲線(xiàn)如圖7所示。設(shè)置電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量為3 000輛，且采用一天一充模式，充電過(guò)程為快速充電模式的功率為24 kW，常規(guī)慢充模式的功率為12 kW，各占50%。其結(jié)果如圖7所示。

       由圖7可知，電動(dòng)汽車(chē)充電存在兩個(gè)峰值時(shí)刻，大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)會(huì)帶來(lái)電網(wǎng)頻率波動(dòng)以及電能質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，后續(xù)通過(guò)電價(jià)激勵(lì)政策與光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入緩解電網(wǎng)側(cè)的壓力。

3.1區(qū)域供電系統(tǒng)優(yōu)化模型

      變電站供電區(qū)域包含光伏發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)也包含一定量的電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷，變電站供電區(qū)域的負(fù)荷情況如圖8所示，供電區(qū)域包括光伏發(fā)電系統(tǒng)，區(qū)域常規(guī)負(fù)荷和電動(dòng)汽車(chē)快速充電負(fù)荷，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)快速充電時(shí)，通過(guò)充電樁連接到電網(wǎng)，等效連接到變電站的交流母線(xiàn)。本文將光伏發(fā)電系統(tǒng)納入變電站供電區(qū)域時(shí)，采用相應(yīng)的電價(jià)激勵(lì)策略對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)進(jìn)行引導(dǎo)，使得電動(dòng)汽車(chē)參與有序充電以消納光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，同時(shí)縮小區(qū)域負(fù)荷峰

谷差。區(qū)域負(fù)載能量控制框架如圖9所示。

 

       通過(guò)對(duì)控制框圖的分析，將區(qū)域負(fù)荷分為調(diào)節(jié)負(fù)荷和非調(diào)節(jié)負(fù)荷兩大類(lèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)和區(qū)域常規(guī)負(fù)荷均為非調(diào)節(jié)負(fù)荷。光伏發(fā)電系統(tǒng)的不可調(diào)節(jié)性指其輸出功率受溫度、光強(qiáng)等因素的影響，控制系統(tǒng)無(wú)法調(diào)節(jié)其輸出功率。區(qū)域常規(guī)負(fù)荷主要指除變電站供電區(qū)域的電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷外的居民負(fù)荷，相當(dāng)于交流母線(xiàn)，根據(jù)其生活規(guī)律以及需求進(jìn)行用電。

       快速充電的電動(dòng)汽車(chē)是一種可調(diào)負(fù)荷，充電站根據(jù)全天不同時(shí)刻配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電價(jià)調(diào)整來(lái)影響電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的充電選擇；電動(dòng)汽車(chē)的充電功率與光伏發(fā)電系統(tǒng)和區(qū)域常規(guī)負(fù)荷相匹配，以吸收分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率。分布式光伏和電動(dòng)汽車(chē)的接入在一定程度上改變了配電網(wǎng)的負(fù)荷特性曲線(xiàn)。分布式電源的輸出受自然環(huán)境的影響，存在很大的不確定性。因此，本文構(gòu)建了一種電動(dòng)汽車(chē)與配電網(wǎng)交互優(yōu)化模型，即配電網(wǎng)利用電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的可轉(zhuǎn)移特性就地吸收光伏輸出，改善綜合負(fù)荷曲線(xiàn)；同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)根據(jù)調(diào)整后的電價(jià)選擇較優(yōu)充電時(shí)間，降低自身充電成本。利用電動(dòng)汽車(chē)“用電時(shí)間有彈性、用電行為可引導(dǎo)、用電規(guī)律可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，將其納入電網(wǎng)優(yōu)化控制，可有效增加資源條件，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)參與電網(wǎng)削峰填谷輔助服務(wù)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)的雙贏(yíng)。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

      配電網(wǎng)作為主體，設(shè)置動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)價(jià)格，充電站將節(jié)點(diǎn)價(jià)格作為充電價(jià)格傳遞給用戶(hù)。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)和區(qū)域常規(guī)負(fù)荷的時(shí)間分布特點(diǎn)，制定了較優(yōu)的電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷時(shí)間轉(zhuǎn)移策略，以達(dá)到吸收光伏輸出的目的。節(jié)點(diǎn)價(jià)格作為一種調(diào)節(jié)手段，用以減少變電站交流母線(xiàn)的總波動(dòng)。為了改善區(qū)域負(fù)荷曲線(xiàn)，以變電站交流母線(xiàn)功率波動(dòng)乘積 ΔP 較小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)可表示為:

       

(6)(7)(8)(9)式中：PG 為區(qū)域變電站交流母線(xiàn)功率；fG(t) 為區(qū)域變電站后一段時(shí)間 t + 1 與當(dāng)前時(shí)段 t 的交流母線(xiàn)功率之差；GPV(t) 為變電站所在區(qū)域在時(shí)段 t 之前的功率峰谷差；k 為一天的時(shí)間段數(shù)，k =24；Pch(t)為充電站 t 時(shí)段的快速充電負(fù)荷；Pload(t)為充電站在所屬變電站供電區(qū)域 t 時(shí)段的常規(guī)負(fù)荷；PPV(t)為充電站在所屬變電站供電區(qū)域 t時(shí)段的分布式光伏輸出。光伏板在時(shí)間 t 發(fā)出的功率 PPV(t) 與當(dāng)前溫度和光強(qiáng)有關(guān)。電流輸出功率系數(shù) FT 可以通過(guò)溫度和相應(yīng)的輸出功率系數(shù)圖 FT -T 以及電流溫度 T 獲得。功率計(jì)算公式為:

   （10）式中：當(dāng)光照強(qiáng)度為1 kW/m2時(shí)，Pmpp 為光伏陣列在一定溫度下的輸出功率參考值；FT 為輸出功率系數(shù)；Irr 為當(dāng)前時(shí)刻的光照強(qiáng)度。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，并連接至負(fù)荷。當(dāng)光伏板發(fā)出的功率 PPV 小于截止功率時(shí)，逆變器停止工作；當(dāng)光伏板發(fā)出的功率 PPV 大于啟動(dòng)功率時(shí)，逆變器工作?？紤]到逆變器損耗，設(shè)置效率系數(shù)，光伏板發(fā)出的功率 PPV 乘以其相應(yīng)的效率系數(shù) EFF ，以獲得整個(gè)光伏系統(tǒng)的有功功率 PPV(t) ，可表示為:

PPV(t)= PPV·EFF 

（11）式中,光伏板輸出功率對(duì)應(yīng)的效率系數(shù)可從 PPV - EFF曲線(xiàn)中獲得。

(12)式中：b 為光伏出力不平衡系數(shù)；PG 為區(qū)域變電站交流母線(xiàn)功率；Pch 為充電站的快速充電負(fù)荷；Pload為充電站在所屬變電站供電區(qū)域的常規(guī)負(fù)荷。

規(guī)定充電站配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電價(jià)為充電電價(jià)，區(qū)域內(nèi)有充電需求的車(chē)輛數(shù)為n ，充電站可接受的車(chē)輛數(shù)為N,為使電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷盡可能跟隨光伏輸出，動(dòng)態(tài)電價(jià)更新策略為:

(13)式中：λt + 1 為充電站在 t + 1時(shí)間段的電價(jià)；a 為電價(jià)系數(shù)；λt 為充電站在 t 時(shí)間段的電價(jià)。可以看出，充電電價(jià)主要隨著有充電需求的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量 n 和光伏出力不平衡系數(shù) b 的大小而改變，而 b 主要與光伏出力 PPV 、充電負(fù)荷 Pch 的大小有關(guān)。

以充電成本較低為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為:

(14)式中：C 為電動(dòng)汽車(chē)充電成本；SOC2 為電動(dòng)汽車(chē)充電結(jié)束時(shí)的荷電量；SOC1為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始充電時(shí)的荷電量；Ba 為動(dòng)力電池總?cè)萘?；?為充電效率，設(shè)為0.9。

3.2.2 有序充電目標(biāo)函數(shù)

      將上述 F1 和 F2 通過(guò)加權(quán)后得到一個(gè)有序充電的目標(biāo)函數(shù):

(15)式中：w1 和 w2 分別為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，據(jù)實(shí)際情況而定，且 w1 + w2 = 1。

3.3 約束條件

（1）電動(dòng)汽車(chē) SOC 約束：電動(dòng)汽車(chē)在 t 時(shí)間段的SOC滿(mǎn)足:

(16)式中：SOCi(t) 為第 i 輛電動(dòng)汽車(chē)在 t 時(shí)刻的電池剩余容量；SOCmin,i 、SOCmax,i 分別為第 i 輛電動(dòng)汽車(chē)在 t時(shí)刻的電池剩余容量上下限。

（2）電價(jià)約束：合理的電價(jià)調(diào)整有利于調(diào)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主響應(yīng)需求的積極性。根據(jù)相關(guān)政策規(guī)定，電價(jià)約束為本文提出一種動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)策略，光伏一天的出力大小有波動(dòng)，通過(guò)光伏出力不平衡系數(shù) b 來(lái)引導(dǎo)電價(jià)，即當(dāng)某時(shí)刻光伏出力大于或小于充電負(fù)荷和常規(guī)負(fù)荷之和時(shí)，適當(dāng)降低或提高電動(dòng)汽車(chē)充電電價(jià)以引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的充電行為，從而達(dá)到削峰填谷的目的。光伏出力不平衡系數(shù)為:λt ≤ λt,max

(17)式中：λt,max 為充電站在 t 時(shí)間段內(nèi)的較高電價(jià)。

（3）充電站容量限制：充電站可提供的較大充電功率不得超過(guò)充電樁的較大輸出功率之和，即:

式中：Nui 為充電站內(nèi)充電樁的數(shù)量；Pch,max 為充電站內(nèi)每個(gè)充電樁的較大輸出功率。

（4）光伏消納約束：在 t 時(shí)刻，充電站常規(guī)負(fù)荷和充電負(fù)荷與光伏輸出的比值應(yīng)高于規(guī)定的較小光伏消耗限制 θPV(t) ，即:

 

(19)式中：θPV(t) 為 t 時(shí)刻較低光伏消納率。

3.4 求解模型

      本文采用遺傳算法求解電動(dòng)汽車(chē)與配電網(wǎng)交互優(yōu)化模型。遺傳算法是一種自適應(yīng)全局優(yōu)化搜索算法，通過(guò)自適應(yīng)、交叉、變異等方法，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)度的提高，將其應(yīng)用于求解模型，從而得到較優(yōu)解。其流程圖如圖10所示。

       步驟 1：采集負(fù)荷功率曲線(xiàn)數(shù)據(jù)和光伏輸出曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，獲取每一時(shí)刻電動(dòng)汽車(chē)充電需求數(shù)據(jù)，包括其相應(yīng)的 SOC 及未來(lái)出行安排。步驟2：光伏發(fā)電系統(tǒng)出力時(shí)將充電站的充電功率較大化，并計(jì)算充電站可接受的較佳電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量。步驟3：根據(jù)動(dòng)態(tài)電價(jià)模型計(jì)算更新后的電價(jià)，計(jì)算充電成本，判斷 F2 是否較低。步驟 4：獲取滿(mǎn)足約束條件的使得充電站交流母線(xiàn)功率波動(dòng)乘積 ΔP 較小的充電方案，同時(shí)得到充電成本較低的電動(dòng)汽車(chē)充電方案。步驟5：確定電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)是否選取該方案，如果選取，則輸出決策結(jié)果；如果不選取，則判斷是否達(dá)到較大迭代次數(shù)，重復(fù)步驟4。

      某區(qū)域分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用較大輸出策略，光伏容量為7 MW，實(shí)際輸出較大功率為5.6 MW。光強(qiáng)數(shù)據(jù)如表1所示，假設(shè)全天中7:00—18:00有陽(yáng)光，其余時(shí)刻光照強(qiáng)度為0，全天光照強(qiáng)度分布如圖11所示。電動(dòng)汽車(chē)充電初始SOC為0.51，初始種群規(guī)模為3 000輛電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)充電樁快充的輸出功率為24 kW，常規(guī)慢充輸出功率為12 kW，充電效率為90%，區(qū)域常規(guī)負(fù)荷的時(shí)間序列曲線(xiàn)如圖12所示，電動(dòng)汽車(chē)全天負(fù)荷的時(shí)間序列曲線(xiàn)如圖7所示。

 

 

同時(shí)在保證不影響出行的前提下使車(chē)主在充電費(fèi)用上的支出有所減少，達(dá)到一個(gè)整體較優(yōu)的狀態(tài)。優(yōu)化后有序充電場(chǎng)景下，電網(wǎng)閑時(shí)充電擬采用分時(shí)電價(jià)措施，其較優(yōu)充電價(jià)格如圖13所示。

 

      當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充電時(shí)，用戶(hù)上午出行至公司后大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)有充電行為。傍晚開(kāi)始充電的電動(dòng)汽車(chē)在下半夜充滿(mǎn)，此時(shí)電網(wǎng)基本處于閑置狀態(tài)。大量用戶(hù)會(huì)聚集在傍晚時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電，集聚充電的現(xiàn)象對(duì)電網(wǎng)以及變壓器產(chǎn)生影響，圖14為區(qū)域常規(guī)負(fù)荷與電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的總負(fù)荷曲線(xiàn)，優(yōu)化前的負(fù)荷峰谷差明顯。在電動(dòng)汽車(chē)并網(wǎng)前，充電站的功率曲線(xiàn)會(huì)因接入光伏輸出而產(chǎn)生較大的峰谷差，不利于電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。在電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略的控制下，通過(guò)優(yōu)化過(guò)程獲得電動(dòng)汽車(chē)的接入較優(yōu)數(shù)量后，光伏系統(tǒng)輸出能夠被較有效地吸收，交流母線(xiàn)功率曲線(xiàn)平滑，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷的削峰填谷功能。

5.1概述

       AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢(xún)等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預(yù)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。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

       適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

 

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

5.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶(hù)端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶(hù)端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。 

 

5.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏 

       智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

 

 

 

5.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控 

       實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。 

5.4.3交易管理 

      平臺(tái)管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對(duì)其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷(xiāo)等操作，可查看小區(qū)用戶(hù)每日的充電交易詳細(xì)信息。 

 

 

 

5.4.4故障管理

        設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

5.4.5統(tǒng)計(jì)分析 

       通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

 

 

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理 

       在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶(hù)，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、 凍結(jié)和解綁。

5.4.7運(yùn)維APP

       面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

 

5.4.8充電小程序

面向充電用戶(hù)使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能。

 

5.5系統(tǒng)硬件配置

 

 

      電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷對(duì)于電網(wǎng)是優(yōu)質(zhì)可調(diào)負(fù)荷，以可控負(fù)荷的形式參與電網(wǎng)調(diào)控，可發(fā)揮其削峰填谷的作用，改善電網(wǎng)性能。本文利用價(jià)格響應(yīng)機(jī)制，將電動(dòng)汽車(chē)組建成需求響應(yīng)架構(gòu)下的大型分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)較大化吸收光伏輸出，就地消納光伏，降低用戶(hù)充電成本，緩解電網(wǎng)壓力，實(shí)現(xiàn)輔助電網(wǎng)峰谷調(diào)節(jié)功能。未來(lái)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)如何實(shí)現(xiàn)參與電網(wǎng)調(diào)頻，作為儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)優(yōu)化放電等問(wèn)題，將展開(kāi)進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

［1］  倪凱旋. 基于分布式博弈的電動(dòng)汽車(chē)充電站較優(yōu)調(diào)度方法［J］.供用電

［2］  尹紅. 我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀、問(wèn)題和趨勢(shì)［J］.中國(guó)價(jià)格監(jiān)管與反壟斷.

［3］  劉亞麗，李國(guó)棟，劉云，等. 基于隨機(jī)森林的電動(dòng)汽車(chē)充電行為聚類(lèi)技術(shù)研究［J］. ［4］  諸曉駿，陳曦，李妍，等. 考慮電動(dòng)汽車(chē)接入的主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度［J］. 電力工程技術(shù)，2021，40（3）.

［5］  張明霞，莊童. 小區(qū)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷實(shí)測(cè)分析［J］.電力需求側(cè)管理.

［6］  蒯圣宇，田佳，臺(tái)德群，等. 計(jì)及分布式能源與電動(dòng)汽車(chē)接入的空間負(fù)荷預(yù)測(cè)［J］

［7］  戴依諾，戴忠. 電動(dòng)汽車(chē)預(yù)約充電策略研究［J］. 電力需求側(cè)管理，2016，18（1）：［8］  王金明，張衛(wèi)國(guó)，朱慶，等. 含風(fēng)電及電動(dòng)汽車(chē)虛擬電廠(chǎng)參與電力市場(chǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略［J］. 電力需求側(cè)管理，2020.

［9］   劉晉源，呂林，高紅均，等. 計(jì)及分布式電源和電動(dòng)汽車(chē)特性的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃［J］.

［10］ 秦建華，潘崇超，張璇，等. 基于充電行為分析的電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷預(yù)測(cè)［J/OL］. 電測(cè)與儀表［2021-10-20］ 

［11］ 陳黎軍，宋遠(yuǎn)軍，王 坤，汪映輝.考慮參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的電動(dòng)汽車(chē)有序充電研究

［12］ 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

任運(yùn)業(yè)，男，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)工作。