电动汽车有序充放电控制研究与应用综述

黄其新，户 帅（三江学院机械与电气工程学院，江苏南京，210012）



电动汽车有序充放电控制研究与应用综述

黄其新，户 帅
（三江学院机械与电气工程学院，江苏南京，210012）

随着政府对电动汽车的重视，电动汽车规模日益增大，电动汽车的充放电有序控制不仅减小对电网的负面影响，还能将其应用于系统的调峰，调频，事故备用等方面。本文介绍了电动汽车充电对电网影响的研究方向，从时间维度和空间维度两方面总结了目前采用的研究方法和存在的问题，并总结了常用的优化方法、目标函数和重要的约束条件.指出完善电价激励机制，实现智能充电导航，开发便捷友好的控制终端是有序充电控制未来的研究方向。

电动汽车；充放电控制；V2G；电价机制

0　引言

近年来世界各国政府出台了一系列政策以推动电动汽车的发展。我国国务院在2015年出台了关于加快电动汽车充电设施的指导意见，极大地促进了充电基础设施建设，对充电基础设施的发展起到了指导性的作用。截止到2016年1月底根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟的统计，全国已建成公共充电设备58758个，其中交流充电桩38312个，直流充电机12101个，交直流一体充电桩8345个，另外私人充电桩50241个。电动汽车的巨大发展潜力引起研究者对其广泛关注。电力研究工作者已做了大量的工作。

文献［1］从输电网和配电网角度对电动汽车接入电网产生的影响进行了分析，指出电动汽车的充电行为和储能特性对未来电网的影响，电动汽车充电站是发展电动汽车所必须的重要配套基础设施，电动汽车充放电控制策略和充电设施布局规划是研究的重点。文献［2］对电动汽车的充电需求进行了分析，提出了发展电动汽车对充电技术的要求，分析了影响电动汽车充电站规划的几方面因素，并对其布局规划提出了原则性建议。

电动汽车大量接入电网进行充电，无序随机的充电行为会对电网造成多方面的不利影响。已有的研究成果主要集中在对电网负荷峰值、电网的网损、谐波污染、电网电压以及对配电变压器的使用寿命等几方面的影响。文献［3］分析了影响电动汽车功率需求的因素，建立了电动汽车功率需求的模型，指出多台电动汽车充电时会使电网负荷峰值增大，对充电负荷集中的线路，这种影响更为显著。文献［4］指出大量电动汽车蓄电池接入电网充电时，不仅加重了供电系统（用电高峰）的负担，而且还存在着谐波污染。文献［5-6］分析了电动汽车充电机负荷对配电网的网络损耗的影响。文献［7］研究了电动汽车对配电变压器的功率损耗、使用寿命的影响。电动汽车的充电行为具有间歇性和随机性的特点，电动汽车的充电装置中使用的整流装置会产生大量的谐波，对电网造成污染。

2　电动汽车有序充电控制

电动汽车的充电需求体现在接入时间、接入地点和充电量。接入地点可以通过充电设施规划对充电负荷在空间上进行分布和引导。充电量则与汽车的行使里程和电池特性密切相关。接入电网的时间与车主的用车习惯和行使特性有关，用户的行为模式决定了充电负荷的时间分布。考虑到人们在用车习惯和使用时间上的随机性和相似性，充电时间、充电地点和充电容量的无序叠加，造成电网容量不足或者影响电网负荷，造成“峰上加峰”的情况。通过对电动汽车充电的有序控制，在不影响车主用车计划的前提下，采用适当的控制策略使充电负荷有序接入，达到对电网冲击最小的目的，实现电网安全稳定经济运行。

2.1时间维度控制的有序充电

有序充电控制的问题可以通过制定不同的电价机制对充电用户进行引导，改变起始充电时间如峰谷电价，阶梯电价、分区电价、协议电价、分时电价等。静态电价如峰谷电价，阶梯电价等因其电价机制固定，容易使充电用户集中于低价时段充电造成新的负荷高峰。动态电价则根据电网的负荷水平和用户的接入情况动态制定每个用户的充电电价，通过用户自主响应，调整起始充电时间，达到有序控制充电负荷的目的。动态电价因其灵活性已被研究者广泛关注，成为研究热点。目前大多数的研究侧重于时间维度的有序充电控制，制定各种电价措施引导车主响应，对调动充电站参与积极性的激励研究较少涉及，在充电站层面，电网可以制定相关激励政策鼓励充电站参与，使有序充电控制更加顺利有序地推进。

2.2空间维度控制的有序充电

由于充电站的选址不仅需要考虑电网条件和充电需求，还要考虑地理条件、环境影响、道路交通等因素，已有研究者考虑从空间尺度出发控制的有序充电问题，空间维度的有序充电控制优化充电负荷的空间分配，需要考虑用户改变充电点的运行成本与充电排队等待时间的问题，对充电设施规划有重要的意义。

3　目标函数与优化算法

电动汽车的有序充电控制实质是对目标函数在定义域内求解最优值问题。如何构建适合的目标函数是有序充电的控制的关键所在。目标函数的建立经历了从单一目标函数到多目标、分层优化的过程。常规的约束的条件主要有以下一些：

1）车主用电需求

在车主设定的充电时间内能最大限度满足车主的对电量的要求。

2）充电时间

表示充电状态，上述表达式表示即在停车时长内能尽快完成充电过程。

3）配电变压器容量

电动汽车接入电网充电时，与电网原始负荷的叠加不会导致变压器超载。

4）车主电费支出

有序控制策略下车主的电费支出少于无序充电下的支出。车主电费支出可以作为约束条件，也可以车主电费支出最小作为目标函数。

5）充电站运营商收益

电动车主充电通过充电站与电力系统相联，为调动运营商的参与积极性，将运营商收益作为约束条件有利于有序充电的推广，也可以运营商的收益最大作为目标函数。

6）节点电压水平

7）电网峰谷负荷

式（8）（9）给出了充电过程中对系统的影响。式（8）考虑了各节点电压的约束条件，式（9）中有序控制后的峰谷负荷的差值小于无序控制下的平均值。

8）充电启停次数

在有序充电控制中采用电价信号吸引车主的响应，但频繁的启停充电机会影响电池的使用寿命。在优化过程中，应使充电机启停次数最少。

4　有序充放电与智能调度控制

电力系统的经济调度是在考虑电力系统安全约束的前提下，分配各机组的有功出力，使系统运行成本最小。传统的经济调度在主要考虑水电和火电机组。电动汽车作为一种规模日益增大的分布式储能单元，由于其能量流动的双向性和可控性，使其参与电网调峰、调频、应急电源和备用辅助服务等成为可能，可以改变电力系统的潮流分布，改善系统的电压质量，改善电网对风能、太阳能等可再生能源的接纳，减缓电网的建设。

5　结论与展望

随着政府对电动汽车相关扶持政策的出台，相关法律法规和充电设施的不断完善，电动汽车的普及已成为趋势，大规模电动汽车接入电网对电力系统的运行和控制带来深刻影响。电动汽车充电负荷的有序控制和有效利用将会产生巨大的经济效益。未来的研究工作中应关注以下几个方面的问题：

1）电价引导方面的有序控制，落实到物理层面，开发界面友好的有序控制装置。

2）充电智能导航，将交通拥堵情况与充电桩占用情况录入系统，结合车辆剩余电量和车辆可达范围，根据个性化的需求推荐用户选择最优的充电路径和最经济充电方式。

3）开发便捷的远程控制手段，将充电设置与手机终端连接，通过手机终端登录客户端，方便用户实时管理充电状态。

4）完善经济回报激励机制，使车主主动自愿注册为可调度电动汽车加入V2G参与系统的调度。

［1］ 高赐威，张亮.电动汽车充电对电网影响的综述［J］.电网技术，2011，35（2）：127-131.

［2］ 徐凡，俞国勤，顾临峰，等.电动汽车充电站布局规划浅析［J］.华东电力，2009，17（10）：1678-1682.

［3］ 田立亭，史双龙，贾卓，等.电动汽车充电功率需求的统计学建模方法［J］.电网技术，2010（11）：126-130.

［4］ 李俄收，吴文民.电动汽车蓄电池充电对电力系统的影响及对策［J］.华东电力，2010，38（1）：109-113.

［5］ FERNANDEZ L P，ROMAN T G S，OSSENT R， et al.Assessment of the impact of plug-in electric vehicles on distribution networks［J］：IEEE Transactions on Power System，2011，26（1）：206-213.

［6］ SOARES F J，LOPES J A P，ALMEIDA P M R， et al. A monte carlo method to evaluate electric vehicles impacts in distribution networks［J］//IEEE Conference on Innovation Technologies for Efficient and Reliable Electricity Supply（CITRES）.Waltham，2010：365-372.

［7］ KAZEROONI M，KAR N C.Impact analysis of EV battery charging on the power system distribution transformers［C］//Electric Vehicle Conference（IEVC）. Greenville， IEEE International，2012：1-6

［8］ 张明霞、田立亭.一种基于需求分析的电动汽车有序充电实

施架构［J］.电力系统保护与控制，2013，41（3）：118-122

［9］ 田文奇.基于时空双尺度的电动汽车换电站有序充电调度方法［D］.北京：北京交通大学.2013

［10］ 赵俊华，文福拴，薛禹胜，等.计及电动汽车和风电出力不确定性的随机经济调度［J］.电力系统自动化，2010，34（20）：22-29.

［11］ 王锡凡，邵成成，王秀丽，等.电动汽车充电负荷与调度控制策略综述［J］.中国电机工程学报，2013，33（1）：1-10.

黄其新，女，（1980-），讲师，湖北潜江人，研究方向为电力系统运行与控制。工作单位：三江学院

A Survey of Electric Vehicles Coordinated Charging and Discharging Control Research and its Application

Huang Qixin，Hu Shuai
（Mechanical and Electrical Engineering School，Sanjiang University，Nanjing，210012，Jiangsu，China）

With the government's emphasis on electric vehicles，which scale becomes lager，Electric vehicles coordinated charging and discharging can not only reduce adverse effects on the grid but also be applied to peak load regulation，frequency adjustment and emergency power supply.We reviewed the impacts of electric vehicle charge on the grid，summarized recent research methods and problems from the time angle and spatial angle，commonly used optimization algorithms，objective functions and important constraint conditions in this paper.We point out that perfect power price incentives mechanism，smart charging navigation and friendly and convenient control terminal are the potential research directions.

electric vehicle；charging and discharging control；V2G；power price mechanism

TM71

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