基于峰谷电价的家用电动汽车居民小区有序充电控制方法

2015-09-18苏海锋梁志瑞

电力自动化设备 2015年6期

苏海锋，梁志瑞

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定 071003）

0 引言

汽车是全球石油危机和温室气体排放的主要因素之一，发展清洁能源汽车迫在眉睫。目前，世界范围内，电动汽车（EV）时代的序幕正在拉开［1］。各国政府纷纷制定战略、出台政策、培育市场；相关企业积极投入，相关技术发展迅猛。据工业和信息化部电动汽车发展战略研究报告预测，2030年全国电动汽车保有量将达到6000万辆［2］。规模如此庞大的电动汽车，无论是采用何种充电方式，对电网的影响都将相当可观［3-5］。2014年电动汽车再次成为关注的焦点。但是，新能源汽车市场一直存在“政策热、推广难”的尴尬。特别是家用电动汽车市场，用户有纯电动汽车的购车指标，小区也有固定车位，却因为物业拒绝在车位上安装充电桩（由于小区供电容量有限）而不得不搁置购车计划。一个重要的原因是目前大部分已有小区在规划设计时没有考虑到电动汽车的充电需要。大规模电动汽车无序充电需要很大的充电负荷，出现电动汽车的充电功率高峰与小区原有用电高峰重叠，对电网用电安全造成威胁。

目前，我国智能配电网和智能配电居民小区建设还很不普及和完善，已有居民小区的供电容量不能满足较多电动汽车的充电需要。增加配电设备容量，将会涉及投资、多部门协调及复杂的施工改造等很多问题，而且还会导致负荷峰谷差变大，降低设备利用率，这是目前私家电动汽车推广难的症结之一。小区充电桩问题不解决，家用电动车很难推广。因此，开展大规模电动汽车接入电网后对电网影响的定量评估及以减少负面影响为目标的有序充电控制策略研究，已日益成为人们关注的热点问题［6-13］。

文献［6-8］以私家电动汽车慢速充电方式为主要研究对象，在电网分时电价的基础上，研究了电动汽车有序充电问题。其中，文献［6］提出了基于峰谷电价的电动汽车有序充电时段的优化模型与方法。文献［7］以减小电网峰谷差作为主要目标，结合电网分时电价的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。文献［8］分析了规模化电动汽车自然充电对电网负荷变化规律的影响，并提出了基于峰谷充、放电价政策的有序充放电策略。文献［9］以商用车和私家车为研究对象，分析了无序充电、时段控制充电、有序充电对配电网负荷的影响，采用集中式与分布式结合的优化控制理念，建立了电动汽车协调控制充电模型，通过算例验证了充电负荷模型和充电制策略的有效性和可行性。文献［10］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数学模型。文献［11］在分析电动汽车充电负荷特性、管理架构的基础上，提出了基于多智能体的电动汽车充电管理模式，建立了单台电动汽车的充电负荷模型和基于多智能体系统的电动汽车充电优化模型，有效地实现了电动汽车充电负荷的“移峰填谷”。文献［12］提出了基于动态分时电价的电动汽车充电站有序充电控制方法。该方法在综合考虑用户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电动汽车的分时电价时段。文献［13］提出了一种从充电负荷配置和充电需求引导两方面展开的电动汽车有序充电实施方案，建立了从电网优化运行到电动汽车充电终端的分层分布实施架构。以上研究内容为电动汽车有序充电控制方法的研究奠定了基础。

本文以私家电动汽车慢速充电方式为主要研究对象，在分析私家电动汽车出行规律和普通居民小区生活用电规律基础上，基于峰谷分时电价和小区生活用电典型日历史负荷曲线，提出了一种无需建设充电控制中心主站及充电桩与主站的通信网络，且适用于较大规模家用电动汽车居民小区内有序充电的双序谷时段最大化有序充电控制方法。考虑到电动汽车充电负荷和居民生活用电负荷都具有时序特性，本文利用序贯蒙特卡洛方法对本文提出的有序充电控制策略进行了时序仿真验证。由仿真结果看出，本文方法在满足用户用车需求的条件下，最大限度地利用谷时段进行充电，在小区配电设备不扩容的情况下尽可能多地满足了小区用户家用电动汽车的充电需求。

1 分时电价与电动汽车有序充电

居民生活用电峰谷分时电价，是我国目前在居民生活用电中逐步推广的一种电价机制，其意义在于鼓励居民利用低谷电价的优惠条件来消费低谷电力。同时，对电力部门而言，将高峰用电转移到低谷时段，既缓解了高峰电力供需缺口，又促进了电力资源的优化配置，是一项“削峰填谷”的双赢政策。充分利用峰谷分时电价政策，能够指导用户优化用电，在不改变原来配电容量的基础上，满足未来一段时间内配网负荷较大增长的需要。

规模化电动汽车作为充电负荷自然接入电网将增加区域电网的最大负荷值并加大峰谷差率。在不影响人们用车习惯的基础上，优化车辆充电秩序，最大限度满足用户充电需求，对提高配电设备等效利用率及电网稳定具有重大意义。因此，从电网角度而言，必须对电动汽车充电进行有效引导或控制，即在满足电动汽车使用需求的前提下，通过有效的电价经济手段和充电控制手段引导电动汽车有序充电，避开电网负荷高峰时段，合理地分散电动汽车的充电功率，减少对电网的负荷冲击及不必要的发电装机与电网建设，保证电动汽车与电网协调发展［8］。

2 私家电动汽车负荷需求建模

2.1 私家车辆出行返回时刻及行驶里程概率分布

在未实施峰谷分时电价引导政策的情况下，用户充电时间的选择主要受出行习惯和生活规律影响。根据美国交通部对全美家用车辆的调查结果，一天中有14%的家用车辆不被使用，有43.5%的家用车辆日行驶里程在20 mile（约32 km）以内，83.7%的家用车辆日行驶里程在 60 mile（约 97 km）以内［14-15］。对统计数据进行归一化处理后，用极大似然估计的方法分别将车辆最后出行返回时刻和日行驶里程近似为正态分布和对数正态分布，如图1和图2所示。由此也可以看出绝大部分的私家车有充足的在家充电时间。

图1 私家电动汽车出行最后返回时刻概率分布图Fig.1 Probability distribution of return time of household EVs

图2 私家电动汽车日行驶里程概率密度分布Fig.2 Probability density distribution of daily trip distance of household EVs

私家电动汽车出行最后返回时刻概率密度分布函数如下式所示：

其中，xt为时间；期望值 μs=17.6；标准差 σs=3.4。

日行驶里程的概率密度函数如下式所示：

其中，L为日行驶里程；期望值 μD=3.20；标准差σD=0.88。

2.2 慢速充电功率概率分布模型

家用电动汽车动力电池容量通常在20～30 kW·h范围内呈均匀分布。目前电动汽车动力电池以锂电池为主，在小区内一般采用三段式慢速小电流充电方式，分别是预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段。由于预充电阶段和恒压充电阶段占整个充电时间的比例非常小，本文研究假设充电过程为恒功率充电。各电动汽车的充电功率PC在2～3 kW（0.1C，C 为电池容量，单位 kW·h）范围内呈均匀分布，充电功率表达式如下式所示：

其中，xv为任一电动汽车；rand（）为［0，1］区间上的随机数。

2.3 电动汽车充电时间

私家电动汽车充电时间计算公式如下：

其中，TC为充电时间，单位为h；L为日行驶里程，单位为km；W100为每百km耗电量，单位kW·h；PC为充电功率，单位为kW。

2.4 有序充电控制策略

本文提出了一种基于典型日历史负荷曲线、峰谷电价和用户出行规律的居民小区私家电动汽车有序充电控制方法。充电控制方法包括：双序谷时段最大化有序充电和常规无序充电（回家即充）2种充电模式。双序谷时段最大化有序充电是在无充电主站统一协调控制充电模式下的一种充分利用谷时段进行电动汽车充电的有序充电方法，由正序谷时段充电和倒序谷时段充电2种充电模式组成。

目前我国实施的居民生活用电分时电价为峰谷分时电价，如表1所示，其中，tf-b为峰时段开始时间，tf-o为峰时段结束时间，tg-b为谷时段开始时间，tg-o为谷时段结束时间。

表1 居民峰谷电价表Table 1 Residential TOU electricitytariff table

（1）正序谷时段充电。

以表1所示的居民生活用电峰谷电价信息为例，正序谷时段充电是指，若某电动汽车具备在谷时段充电的条件，充电所需时长为t，当谷时段时长大于充电时长t（如图3（a）所示），那么谷时段的起始时刻是充电开始时刻；当谷时段时长小于充电时长t（如图3（b）所示），则充电开始时间从谷时段起始时间向前平移Δt时长。谷时段正序充电时序如图3所示。

其中，t为充电时长；tg为谷时段时长。

（2）倒序谷时段充电。

倒序谷时段充电时序如图4所示。倒序谷时段充电是指，若某电动汽车具备在谷时段充电的条件，充电所需时长为t，当谷时段时长大于充电时长t（如图4（a）所示），那么距离谷时段结束 t前那一时刻是充电开始时刻；当谷时段时长小于充电时长t（如图4（b）所示），则充电开始时间从谷时段起始时间向前平移Δt时长。由于倒序充电和常规的充电时序正好相反，因此称为倒序充电。

图3 电动汽车正序谷时段充电时序图Fig.3 Sequential chart of positive valley-period EV charging

图4 电动汽车倒序谷时段充电时序图Fig.4 Sequential chart of reverse valley-period EV charging

（3）充电控制策略实施过程。

本文提出的充电控制策略是在满足私家电动汽车出行需求基础上的一种优化充电控制策略，具体实施过程如下。

a.读取电动汽车的初始荷电状态和离开时的最低要求荷电状态（最低荷电状态是由用户行驶里程需求决定的），计算出充电时间。

b.用户输入用车需求信息，若用户无特殊用车需求，次日谷时段结束时刻为默认充电完成时刻（仿真时假设 15∶00—24∶00返回车辆的 95% 为无特殊用车需求用户），采用双序谷时段最大化有序充电方式。对有特殊用车需求的用户，若采用双序谷时段最大化有序充电方式不能满足充电需求，再采用常规无序充电方式。

超导磁场储能技术型储能磁质下的损耗基于工作方式的转变而转变,在微网系统常规运转下,磁质则可持续保持能量,而交流侧则变换,并由此产生谐波[9],涡流损耗常出现在超导接头部分,并主要针对导线自身所产生的损耗。超导磁场储能线圈如图4 所示。

采用双序谷时段最大化有序充电方式的车辆，是采用正序谷时段充电还是倒序谷时段充电是由充电控制模块随机决定。车辆正序谷时段充电和倒序谷时段充电的概率具体确定方法如下：

a.设定初始正序充电和倒序充电车辆数目的比例 λ=λ1∶λ2=0∶1（λ1+λ2=1），以 0.01 为步长逐步增加λ1的值、减小λ2的值，基于小区典型日历史负荷数据和假设的小区电动汽车数量，采用序贯蒙特卡洛仿真法（流程图见图5）计算小区用电负荷的日最大功率；

b.对居民小区用电负荷日最大功率进行排序，选择日最大功率最小值对应的λ值作为正序谷时段充电和倒序谷时段充电车辆数目的比例。

图5 序贯蒙特卡洛仿真计算小区用电日负荷曲线流程图Fig.5 Flowchart of sequential Monte Carlo simulation for calculating daily load curve of residential quarter

3 算例分析

为验证本文方法的有效性，以某居民小区为例进行了仿真分析。居民小区的用电具有很强的规律性，一天会出现2个用电高峰，分别出现在中午和晚上。图6各小图中最下方的那条曲线是我国某城市居民小区（750套住房，平均每套住房100 m2）典型日最大负荷曲线，12∶00左右和18∶30左右有2个明显的用电高峰，日负荷峰值为3080 kW。

基于表2的居民生活用电峰谷电价数据和本文提出的方法，分别采用了常规无序充电模式、正序谷时段充电模式、倒序谷时段充电模式和双序谷时段充电模式，根据式（1）—（4）表述的电动汽车出行规律模型和负荷需求模型，利用图5所示的程序流程图进行时序仿真得到的100～500辆家用电动汽车的充电功率时序图如图6所示，500辆电动汽车的充电数据及对电网的影响结果如表3所示。

采用双序谷时段充电模式时，最优谷时段正序充电和谷时段倒序充电车辆数目的比例为0.25∶0.75。

图6 电动汽车充电小区日负荷曲线Fig.6 Daily load curve of residential quarter with EV charging

表2 居民生活用电峰谷电价信息Table 2 Residential peak and valley electricity tariffs

由图6所示的不同充电控制方式下的日负荷曲线图可以看出：

表3 500辆电动汽车充电数据及对小区电网的影响Table 3 Charging data of 500 EVs and corresponding influence on residential distribution network

a.采用无序充电控制策略的电动汽车接入电网时，电动汽车的充电功率高峰会与小区原有用电高峰重叠，对电网用电安全造成威胁；

c.双序谷时段充电模式，充分发挥了电动汽车充电负荷的削峰填谷效果。

从表3可以看出，采用双序谷时段充电模式时，系统峰负荷显著减小，从3452 kW降低到3107 kW，有效地解决了电动汽车无序充电对电网“峰上加峰”的问题；峰谷差率明显减小，从42.20%降低到33.91%，提高了配电设备的运行效率；配网过载率只有0.88%，即使在小区配电设备不扩容的情况下，也能满足2/3（小区750住户中500用户拥有1辆电动汽车）的家庭拥有1辆电动汽车；另外采用谷时段最大化充电策略，显著降低了用户的充电成本，从2081元降低到1384元，降低了33%。