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淺談新能源電動汽車有序充電的對策

發(fā)布時間: 2023-05-05  點擊次數(shù): 376次
0引言
 
       在當(dāng)下生活中汽車已經(jīng)日漸普及,成為老百姓們在上班、旅行等活動中十分重要的出行工具之一。從汽車起初生產(chǎn)以及使用至今,使用的能源絕大多數(shù)皆為石油。但隨著作為能源之一的石油的大量使用,使其資源日益減少,而且對環(huán)境業(yè)產(chǎn)生了比較重大的影響,因此節(jié)約能源開發(fā)新能源,低碳行動成為現(xiàn)如今人類面臨的重大問題。人類需要在滿足人民需求的同時保護環(huán)境節(jié)約資源,使三者達到一種相互促進相互制約的程度。因此世界上諸多國家把目光轉(zhuǎn)移到一種時代的產(chǎn)物:電動汽車,它是目前全球應(yīng)對能源緊缺、低碳環(huán)保以及發(fā)展的重要研究領(lǐng)域。隨著電動汽車的大量生產(chǎn)與使用,我們面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。例如晚間六點之后正值供電高峰期,而此時的電動汽車車主在下班后又需要為電動汽車充電,于是大量的電動汽車作為負(fù)載無序隨機的接入電網(wǎng),勢必會出現(xiàn)"峰上加峰"的現(xiàn)象。但因為電動汽車的電池特點、使用方法、充電類型和電動車主的充電習(xí)慣等都不一樣,所以這些電動汽車通常都是隨意的接入電網(wǎng)上無序的充電。這勢必會使電網(wǎng)的電壓偏移變大,影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量,進而影響電網(wǎng)的經(jīng)濟性以及用戶的充電費用情況。因此對電動汽車進行有序充電可以有效降低對電網(wǎng)造成的壓力。本文從目前對電動汽車隨機無序充電對電網(wǎng)帶來的影響的研究出發(fā),總結(jié)了目前對電動汽車有序充電研究的現(xiàn)狀及存在的問題,并對常用的優(yōu)化方法、算法以及需要的目標(biāo)函數(shù)進行總結(jié),可以對未來電車規(guī)?;潆娚钊胙芯繋韰⒖己徒梃b。
1電動汽車無序充電對電網(wǎng)的影響
       隨著電動汽車使用數(shù)量的增多,大規(guī)模的電車隨機充電隨之而來。對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來不小的影響,主要包括:(1)電力系統(tǒng)峰值負(fù)荷增加。電動汽車作為新型負(fù)荷接入電網(wǎng),且大多數(shù)在晚間峰值高漲期充電,無疑給電力系統(tǒng)帶來新的負(fù)擔(dān),導(dǎo)致峰谷差值大;(2)電能品質(zhì)的影響。電動汽車的充電系統(tǒng)往往采用非線性電力電子設(shè)備,會生成或多或少的諧波電流,這些諧波會對電網(wǎng)中器件造成損耗,對電機進行磨損使其減少壽命,使部分變壓器內(nèi)部的溫度時而升高,其他零器件磨損降低使用效率;(3)使配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度面臨新的挑戰(zhàn)。為了滿足大量電車的充電和用戶的需求,在配電網(wǎng)中增加大量充電的基礎(chǔ)設(shè)施勢必會改變配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu),因此需要對配電網(wǎng)進行優(yōu)化并對特性進行升級,從而滿足需求。影響電動汽車接入電網(wǎng)充電的因素有:汽車?yán)m(xù)航能力不同;價格不同種類不同的電車其電池種類也不相同,很大的影響電車充電的時間以及效率;(4)汽車行駛里程。電動汽車行駛里程是不確定因素,若每日行駛時間過長,行駛里程大,則接入電網(wǎng)充電的持續(xù)時間也會更長,進而影響電網(wǎng)負(fù)荷的持續(xù)變化;(5)汽車保有量及不同用途。不同城市電動汽車的數(shù)量也不盡相同,電動汽車基數(shù)大則對電網(wǎng)影響更大,根據(jù)電動汽車用途的不同充電時間段也不相同。同時也包括電動汽車車主個人習(xí)慣,當(dāng)?shù)仉妰r政策等等都是影響電動汽車充電的因素。電動汽車不同于其他負(fù)荷,其具有隨機性,因此需要充分考慮影響其變化的因素,并建立理想的負(fù)荷概率模型,才可以更真實的模擬電動汽車無序充電并研究其對電網(wǎng)造成的影響。因此目前研究電動汽車充電對電網(wǎng)影響通常選取不同的隨機變量通過蒙特卡洛仿真方法進行建模,得出電動汽車充電功率負(fù)荷概率模型,進而與原負(fù)荷曲線進行疊加比較,分析其對電網(wǎng)造成的影響。還可以通過對配電系統(tǒng)進行潮流計算,通過接入建模得出的電動汽車負(fù)荷分析不同情況下電動汽車充電對電力系統(tǒng)電壓及網(wǎng)絡(luò)損耗的仿真結(jié)果,說明電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響。通常選取IEEE33標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)作為研究對象,如圖1所示。保有量及不同用途。不同城市電動汽車的數(shù)量也不盡相同,電動汽車基數(shù)大則對電網(wǎng)影響更大,根據(jù)電動汽車用途的不同充電時間段也不相同。同時也包括電動汽車車主個人習(xí)慣,當(dāng)?shù)仉妰r政策等等都是影響電動汽車充電的因素。電動汽車不同于其他負(fù)荷,其具有隨機性,因此需要充分考慮影響其變化的因素,并建立理想的負(fù)荷概率模型,才可以更真實的模擬電動汽車無序充電并研究其對電網(wǎng)造成的影響。因此目前研究電動汽車充電對電網(wǎng)影響通常選取不同的隨機變量通過蒙特卡洛仿真方法進行建模,得出電動汽車充電功率負(fù)荷概率模型,進而與原負(fù)荷曲線進行疊加比較,分析其對電網(wǎng)造成的影響。還可以通過對配電系統(tǒng)進行潮流計算,通過接入建模得出的電動汽車負(fù)荷分析不同情況下電動汽車充電對電力系統(tǒng)電壓及網(wǎng)絡(luò)損耗的仿真結(jié)果,說明電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響。通常選取IEEE33標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)作為研究對象,如圖1所示。
 
圖1 IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)系統(tǒng)
       蘇小林張艷娟等人對影響充電負(fù)荷的充電行為、停車時間、電池荷電狀態(tài)因素進行分析,利用分類分區(qū)法將預(yù)測區(qū)域進行空間劃分,建立不同類型車輛在不同地點充電的概率模型,進而得出進行充電引導(dǎo),則會使峰谷差增加,影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行;王輝、文福拴、辛建波等人基于美國交通部統(tǒng)計的家庭車輛行駛調(diào)查數(shù)進行擬合,并分別考慮充電功率等因素通過蒙特卡洛方法得出隨機無序充電、V2G模式下的充電負(fù)荷曲線;并通過美國PG&E 69節(jié)點配電系統(tǒng)為例說明了無序隨機充電造成的峰上加峰現(xiàn)象其其他不良影響。李惠玲、白曉民以某個城市的10kv配電網(wǎng)線路為對象,通過分析建立負(fù)荷曲線得出隨著電動汽車滲透率增加,配電網(wǎng)在原有負(fù)荷的基礎(chǔ)上,峰值進一步變大,較大負(fù)載率增加。王姝凝、楊少兵從饋線負(fù)荷,電壓偏移,和網(wǎng)絡(luò)損耗這三主要方面深入研究了充電負(fù)荷對配電網(wǎng)的負(fù)面影響,且將有序充電策略與無序充電策略各自對配電網(wǎng)不同類型的車輛充電對電網(wǎng)造成的影響,得出該地區(qū)若不的影響進行了對比。
2 電動汽車有序充電研究現(xiàn)狀
       2.1 有序充電研究過程考慮的目標(biāo)函數(shù)
       在對目前有關(guān)電動汽車有序研究的文獻總結(jié)發(fā)現(xiàn),主要通過幾個方面來對充電的目標(biāo)進行控制,這幾個方面也是從用戶個人角度以及電網(wǎng)角度進行考慮。
       (1)電網(wǎng)峰谷負(fù)荷差較小化
       目標(biāo)函數(shù)為日較大負(fù)荷減去日較小負(fù)荷。電動汽車無序充電,對電網(wǎng)所產(chǎn)生重要的負(fù)面影響便是"峰上加峰"現(xiàn)象,因此可以以電網(wǎng)峰谷差為目標(biāo)函數(shù)。
       (2)總負(fù)荷曲線方差較小目標(biāo)函數(shù)為保持時段的負(fù)荷總數(shù)減去日平均負(fù)荷之后的平方較
小化。
       (3)用戶充電費用較小
       與用戶充電費用有關(guān)的因素有該時段的電價、充電的時長,車輛的充電功率、車輛的總數(shù)以及第幾輛車是否充電等因素有關(guān)。
       (4)充電曲線峰值較小
       部分地區(qū)存在汽車保有量大,電動汽車規(guī)模大,如果集中充電會使一天的某一時刻負(fù)荷突然急劇變大,導(dǎo)致該地區(qū)超負(fù)荷,因此要保證在高峰期時充電負(fù)荷曲線峰值非常小,以保證供電區(qū)域電網(wǎng)電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。
       (5)電動汽車的充電完成時間較小
       電動汽車在停留時間內(nèi)接入電網(wǎng)進而進行充電,若提前完成充電既可提高用戶需求度進而激勵用戶配合調(diào)度,同時也可提升充電的效率,因此充電時間也可為一個目標(biāo)。
       (6)充電站的運營經(jīng)濟效益較大化
       與充電站的運營經(jīng)濟有關(guān)的因素有充電機的在哪一時間段是否進行開關(guān)機的控制方案有關(guān)。
       2.2 有序充電研究過程考慮的約束條件
       2.2.1 電動汽車的充電量
       電動汽車充電后的電量應(yīng)大于等于起始電量。
       2.2.2 用戶充電時間
       用戶給電動汽車充電的啟動時間應(yīng)大于等于用戶后面駕車返回家的時間,且小于等于用戶汽車充電的完成時間;用戶給電車充電的啟動時間與充電時間的總和應(yīng)小于等于用戶下一階段出行的時間,即不耽誤用戶正常出行。
       2.2.3 充電過程的費用較小
       由于電動汽車有序充電是一個對使電網(wǎng)影響和很小的優(yōu)化調(diào)度策略,需要用戶配合其調(diào)度達到雙贏,因此使車主在采用優(yōu)化有序充電策略后支出費用比之前的無序充電費用小,才能大力度鼓勵用戶配合有序充電,因此充電過程的支出費用也是需要考慮的因素之一。
       2.2.4 地區(qū)基本負(fù)荷保持一定
       有序充電是一種調(diào)度手段,通過這種手段可以使電動汽車避免在高峰期給電網(wǎng)帶來的峰上加峰現(xiàn)象,同時也避免大部分用戶避開高峰期進行充電而出現(xiàn)的第二高峰期,但應(yīng)保持原負(fù)荷不變,即不影響用戶生活及正常行動之外進行合理“減負(fù)"。
       2.2.5 配電網(wǎng)負(fù)荷上限
       配電網(wǎng)的負(fù)荷很大上限也應(yīng)是約束條件之一,即地區(qū)原基礎(chǔ)負(fù)荷與電車充電產(chǎn)生的負(fù)荷應(yīng)小于電力網(wǎng)所能承受的負(fù)荷較大值。
       2.2.6 線路熱負(fù)荷約束
       電力系統(tǒng)中部件的較大熱載荷,即流過該部件視在輸出功率與其發(fā)電機額定運行輸出功率之間的差值。通??紤]串聯(lián)變壓器線路的較大熱負(fù)荷,即線路熱負(fù)荷要小于等于線路的較大熱負(fù)荷。
       2.2.7 區(qū)域內(nèi)充電樁數(shù)量約束
       考慮到轄區(qū)范圍內(nèi)的充電樁總量限制,如果單位范圍內(nèi)電動汽車充電總量過大,將會產(chǎn)生等待充電的時段過長現(xiàn)象,嚴(yán)重影響用戶正常使用,因此需要考慮充電樁數(shù)量。
       劉星平、李世軍等人在進行有序充電優(yōu)化建模時以時段內(nèi)電動汽車在充電過程中獲得的電能較大為目標(biāo)函數(shù);以充電樁的電壓、變壓器容量、充電容量、線路熱負(fù)荷等為約束條件進行優(yōu)化求解。孫曉明在進行優(yōu)化時考慮了電網(wǎng)和用戶兩側(cè)的目標(biāo),以電動汽車充電后的峰值較大負(fù)荷、負(fù)荷方差、電動汽車在分時電價下的充電總費用以及充電完成時間為目標(biāo)函數(shù),并近一步進行歸一化處理,并以充電時間和充電電量為約束條件。
李秋碩以平抑負(fù)荷波動,即配電網(wǎng)從主網(wǎng)獲取的總有功波動較小為第一目標(biāo)函數(shù),再以較大化新能源出力為第二目標(biāo)函數(shù),以及系統(tǒng)總發(fā)電成本為第三目標(biāo)函數(shù);以有功功率平衡、電網(wǎng)潮流方程、線路及變壓器容量、火力發(fā)電機組的功率上下限為約束條件進而使用相應(yīng)的算法進行多目標(biāo)優(yōu)化求解。徐智威,胡澤春等人以將充電站的經(jīng)營效益優(yōu)化為目標(biāo),以供電變壓器設(shè)備設(shè)備容量為約束條件進行的有序充電管理對策。
       賀繼鋒、陳杰軍等人以用戶充電成本和電網(wǎng)峰谷差為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),以電動汽車數(shù)量、充電時間、區(qū)域內(nèi)充電樁數(shù)量、電網(wǎng)收益以及電價范圍為約束,建立了較優(yōu)地區(qū)峰谷分時段電價測算模型。
 
       2.3 有序充電研究過程中的使用算法 
       在確定目標(biāo)函數(shù)和約束條件后,應(yīng)選定適合的算法進行求取較優(yōu)解,常用的算法有:遺傳算法,差分進化算法;鯨魚算法;螢火 蟲算法;TOPSIS算法;雙層優(yōu)化算法。下面對幾種常用的算法的主要內(nèi)容以及優(yōu)缺點進行相應(yīng)的比較,如上圖表1所示。 在對有序充電調(diào)度較為優(yōu)解進行求解的過程,目前研究使用的算法不盡相同。
文獻程杉、王賢寧、馮毅煁等人以充電站收益為優(yōu)化 目標(biāo),對用戶的供電要求、充電時間、變壓器容量等考慮約束,對充電樁提出了分時段的電價對策,并將集中式優(yōu)化模型進行轉(zhuǎn)換, 使用分散式優(yōu)化算法進行求取較優(yōu)解。吳甲武,邱曉燕以用戶滿意 和電網(wǎng)的經(jīng)濟性出發(fā),以用戶費用和電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差為優(yōu)化目標(biāo), 運用雞群算法求解得出一個隨時間變化的充電計劃,并對存在的問 題進行改良。張公凱、陳才學(xué)、鄭拓針對大規(guī)模電車無序充電對電網(wǎng)帶來的危害,提出用戶充電費用和電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差較小為目標(biāo)函數(shù),運用改進鯨魚算法求去較優(yōu)解,并通過仿真有序充電負(fù)荷曲線對比標(biāo)準(zhǔn)鯨魚算法、改進鯨魚算法、以及粒子群算法,進而得出改進的鯨魚算法能夠更好的得出較優(yōu)策略。沈亮、俞偉勇、秦奮.通過以電網(wǎng)負(fù)荷方差較小為目標(biāo)函數(shù),使用改進粒子群算法計算較優(yōu)解,得出一種平抑負(fù)荷波動的有序充電策略。并通過仿真說明相比與無序充電,該優(yōu)化方案可行。
       謝子殿、陳男等人考慮目前的電車充電情況,通過分析用戶的日常出行規(guī)律以及電網(wǎng)的經(jīng)濟行運行,以電池電量達到滿狀態(tài)和變壓器容量為約束條件,提出并應(yīng)用一種基于傳統(tǒng)遺傳算法的精英遺傳算法求解,得出優(yōu)化模型,并與之前無序充電的負(fù)荷曲線做比較。余樨源、黃學(xué)良通過考慮車輛返家時刻、電車返家后的荷電狀態(tài)等六種因素,以負(fù)荷均方差較小為優(yōu)化目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù),并用改進螢火蟲算法進行求解,該改進算法通過導(dǎo)入自適應(yīng)變異環(huán)節(jié),來改善尋優(yōu)速率和準(zhǔn)確度,進而測算出小區(qū)每一臺電動汽車進行充電的較佳充電時機,通過仿真得出該策略的可行性。呂仁周、白曉清等人考慮用戶收益和電力系統(tǒng)有功網(wǎng)損兩方面為目標(biāo),通過交替方向乘子算法構(gòu)建了用戶利益優(yōu)化以及系統(tǒng)有功網(wǎng)損較小的實時充電控制多目標(biāo)凸優(yōu)化模式。引入交替方向乘子運算算法,使集中式的充電優(yōu)化設(shè)計問題轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散式以設(shè)備為單位的子優(yōu)化設(shè)計問題求解。
3 安科瑞充電樁收費運營云平臺
       3.1概述
       AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài),進行充電服務(wù)、支付管理,交易結(jié)算,資要管理、電能管理,明細(xì)查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓,欠壓,絕緣低各類故障進行預(yù)警;充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng),用戶通過微信、支付寶,云閃付掃碼充電。
       3.2應(yīng)用場所
       適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(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。
 
       3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
 
       3.3.1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)中心層和客戶端層。
       2)數(shù)據(jù)采集層:包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù),并進行電能計量和保護。
       3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層:通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(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)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。
       5)應(yīng)客戶端層:系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。
小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能,同時為運維人員提供運維APP,充電用戶提供充電小程序。 
 
       3.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能
       3.4.1智能化大屏 
       智能化大屏展示站點分布情況,對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示,同時可查看每個站點的站點信息、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。
  
        3.4.2實時監(jiān)控 
       實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況,主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流,充電樁告警信息等。 
       3.4.3交易管理 
       平臺管理人員可管理充電用戶賬戶,對其進行賬戶進行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作,可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。 
 
        3.4.4故障管理
       設(shè)備自動上報故障信息,平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理,同時運維人員可通過運維APP收取故障推送,運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。
 
       3.4.5統(tǒng)計分析 
       通過系統(tǒng)平臺,從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度,查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。
 
 
        3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理 
       在系統(tǒng)平臺建立運營商戶,運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施,維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動,同時可管理在線卡用戶充值、 凍結(jié)和解綁。
 
 
        3.4.7運維APP
       面向運維人員使用,可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況,進行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置,同時可接收故障推送
 
 
 
         3.4.8充電小程序
       面向充電用戶使用,可查看附近空閑設(shè)備,主要包含掃碼充電、賬戶充值,充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。
 
 
 
       3.5系統(tǒng)硬件配置
 
 
 
 
 
4結(jié)語 
       由于中國政府對電車行業(yè)的支持,電車的生產(chǎn)規(guī)模會伴隨時代的進展而日益擴大,如此龐大的聚集性負(fù)荷接入電網(wǎng)勢必給電網(wǎng)帶來消極的影響,因此未來對于研究電動汽車有序充電優(yōu)化策略是一個熱點。對于電動汽車作為新型負(fù)荷的合理有序控制會給電網(wǎng)和用戶帶來經(jīng)濟性的收益。電動汽車會給生態(tài)環(huán)境帶來較小污染的排放,滿足當(dāng)前追求綠色的能源發(fā)展戰(zhàn)略;對于電力公司來說,通過對充電順序、時間,電價等合理的電動汽車充電調(diào)度可以使電網(wǎng)運行更經(jīng)濟可靠。未來對于這方面的研究還應(yīng)關(guān)注以下幾個問題: 
       (1)多關(guān)注用戶對于優(yōu)化充電調(diào)度的滿意度,完善經(jīng)濟激勵制度,使電動汽車用戶自愿配合調(diào)度。 
       (2)簡化充電制度,將用戶充電這一行為與智能手機匹配,使用戶通過手機關(guān)注并管理充電狀態(tài); 
       (3)重點關(guān)注交通情況和充電樁占用情況,結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r和用戶個人需求以及當(dāng)時的交通情況綜合向用戶推薦較優(yōu)充電路徑和充電持續(xù)時間,通過用戶個人實際情況自行抉擇。 
參考文獻
[1]陳星曲,尹常永.電動汽車有序充電策略研究綜述.
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.


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