浅谈居民小区电动汽车有序充电策略研究

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：针对电动汽车在居民小区无序充电对电网系统产生严重隐患及充电间时过长问题，提出一种采用延迟充电的电动汽车有序充电控制策略，并在分析国内外电动汽车有序充电的研究现状后，设计了居民小区电动汽车有序充电策略的总体框架。该策略采用延迟充电对电动汽车进行有序充电控制，通过计算电动汽车的充电级来确定用户开始充电的时间以离开时电动汽车的荷电状态，很大程度达到用户期望荷电状态。通过算例仿真分析，证明提出的延迟充电策略可在满足用户对电动汽车充电量期望的同时达到削峰填谷的作用。

关键词：电动汽车；有序充电；延迟充电；削峰填谷；储能

0引言

随着世界经济的快速发展和人类对能源需求的不断增长，能源被大量消耗，产生大量的环境污染。机动车辆已经成为生产生活中不可或缺的一部分，使用燃油车无疑会增加 CO2的排放。虽然新能源发电被越来越多地引入电网，如光伏发电，风力发电等。但由于二者的功率输出是随机波动的，会对电力系统造成影响，产生电能质量问题。因此，减少燃油车的使用，从燃油动力汽车转向电动汽车（Electric Vehicle，EV）是解决汽车造成的环境污染的有效手段。当前电网系统的有序充电对智能电网的发展起着越来越大的作用。随着EV的大规模使用，有序充电对电网及分布式能源的重要性日益增强，需要解决EV充电问题。目前针对EV充电的研究内容主要涉及充电负荷预测、V2G、EV参与辅助服务、配电网规划、充电站规划等,也有一些学者对EV充电分层分区调度策略进行了研究。居民小区具有用车规律性强、可控性强、方便调研等优势，因此将居民小区作为研究对象，针对EV在居民小区充电过程中随机停放且无序充电对电网系统产生的严重隐患及充电间时过长的问题，提出一种采用延迟充电的EV有序充电控制策略。

1 EV有序充电策略

1.1 EV有序充电控制架构

EV充电将成为居民区电力需求的重要组成部分，需要从配电网规划原则和负荷分布的影响等方面展开研究。结合概率收费模型和电力消费数据，在标准中定义的不同充电功率下，随机模拟不受控制、限制和价格优化的 EV充电产生的影响。将大量EV推迟至用电谷时段进行充电以减小EV充电对小区变压器的冲击，并且考虑到分时电价可减少用户充电费用，提高经济性，EV与电网的协调互动发展。EV有序充电控制架构如图1所示。

图1 EV有序充电控制框架

1.2延迟充电的充电变量定义

EV返回后驻车时长的计算方法为 TS = tout - tback，（1）式中：TS为用户驻车时长，h；tout为用户外出时刻；tback为用户返回时刻。EV结束充电时刻tover的表达式为 tover = tstart + Tcha，（2）式中：tstart为充电开始时刻；Tcha为充电时长，h。设t时刻共有m辆EV进行充电，则EV充电总 功率Pt，EV和功率Pa.t的表达式为 Pt，EV =∑PEV，（3）式中：PEV为EV荷电功率。Pa.t = Pmax - Pload - Pt，EV，（4）式中：Pmax为功率限值，kW；Pload为除EV充电之外的日常负荷，kW。EVi进行有序充电的级计算方法为 γ = 1 - TS - Tcha 24 - Tout ，（5）式中：γ为EV充电级。

在设计EV的充电级时，设置当γ=1时的级高，EV优行充电；γ=0 时的级较低，EV*后进行充电。为了让EV在车主离开小区时处于满电状态，需要设置车主的级γ=1，确保EV电池状态达到满电状态。

1.3有序充电策略具体执行方式

EV有序充电设计重要的部分是对延迟充电条件的设置，通过对满足条件的EV延迟充电且不影响用户的期望充电量为基础，完成对居民小区EV有序充电的控制。当用户把 EV连接到充电桩时，可通过充电桩的人机交互界面对EV的期望荷电状态、用户预计离开时刻进行设定。充电桩通过充电控制系统获得EV的电池信息，并将EV的充电负荷信息上传至有序充电控制器，有序充电控制器获得各个EV的充电负荷信息后对EV的充电进行控制，其实施流程如图2所示，具体如下。

图2采用延迟充电的EV有序充电流程

1. 在t时刻将已经充电完成的EV从计算充电序列中剔除。

2. 检测有无EV接入，若有则判断是否符合延迟充电条件，若无EV接入则转入步骤

3. 延迟充电条件：EV离开时刻在谷时段开始之后，且用户返回时刻到*迟充电完成时刻的时长大于EV充电所需时间。若上述延迟充电条件均满足则EV进入有序充电控制器的充电等待序列中，否则立即对EV充电以充电结束时的电池电量较大程度接近用户期待荷电。

（4）有序充电控制中台采集t时刻该小区实时负荷信息，寻找充电等待序列级EV。

（5）若EV充电级 γ=1，则有序充电控制器对充电桩下达命令使其对EV进行充电，若充电级γ≠1，则采用当日制定的功率限制值计算t时刻功率裕度判断功率裕度是否大于EV充电功率。

（6）若功率裕度大于EV充电功率则对EV进行充电，记录开始时间，计算结束时间，并更新功率裕度，继续寻找本时刻的EV，判断是否可以进行充电，直到充电级γ≠1 且功率裕度小EV充电功率（判定级γ=1的逻辑为：当EV在t时刻到*迟完成充电时刻等于充电所需时长时开始充电、当停留时长等于充电时长时开始充电。其他充电γ≠1的车辆均根据功率裕度判断是否进行充电）。

（7）判断 t时刻是否晚于谷时段开始时刻，是则结束循环，控制结束，否则重新执行步骤

为更加直观地展现上述过程，通过问卷收集了15条居民小区EV充电数据，见表1。

表1 居民小区EV充电数据

假设该小区的峰谷时段为21：00至次日08：00。在不考虑功率限制、仅满足级但不具体根据级进行有序充电的情况下，对上述控制逻辑进行简单的模拟，结果如图3所示，并与即充即走的无序充电模式进行对比。图3中蓝色为EV充电时间，红色为 EV可以进行充电的时间。由图 3 可见：C，G， H，I，J，K，L 号 EV 均可在峰谷时进行充电。但由于没有有序充电策略的帮助，导致原本可以延迟充电的EV在到达小区时就立即开始充电，导致用电高峰时有大量EV接入电网进行充电，给小区的变压器带来很大的负担，甚至会产生安全隐患。

图3即充即走的无序充电模式

如果采用有序充电策略，如图4所示，21：00前用电高峰阶段进行充电的EV数量明显减少，从9辆减少为5辆。同时，21：00后用电峰谷时段的充电EV由3辆增加至7辆，显著降低了用电高峰期的变压器负荷，同时利用夜晚用电谷时段进行充电，达到了削峰填谷的目的。