電動汽車有序充放電控制研究與應用綜述

黃其新，戶 帥（三江學院機械與電氣工程學院，江蘇南京，210012）

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電動汽車有序充放電控制研究與應用綜述

黃其新，戶 帥
（三江學院機械與電氣工程學院，江蘇南京，210012）

隨著政府對電動汽車的重視，電動汽車規模日益增大，電動汽車的充放電有序控制不僅減小對電網的負面影響，還能將其應用于系統的調峰，調頻，事故備用等方面。本文介紹了電動汽車充電對電網影響的研究方向，從時間維度和空間維度兩方面總結了目前采用的研究方法和存在的問題，并總結了常用的優化方法、目標函數和重要的約束條件.指出完善電價激勵機制，實現智能充電導航，開發便捷友好的控制終端是有序充電控制未來的研究方向。

電動汽車；充放電控制；V2G；電價機制

0　引言

近年來世界各國政府出臺了一系列政策以推動電動汽車的發展。我國國務院在2015年出臺了關于加快電動汽車充電設施的指導意見，極大地促進了充電基礎設施建設，對充電基礎設施的發展起到了指導性的作用。截止到2016年1月底根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟的統計，全國已建成公共充電設備58758個，其中交流充電樁38312個，直流充電機12101個，交直流一體充電樁8345個，另外私人充電樁50241個。電動汽車的巨大發展潛力引起研究者對其廣泛關注。電力研究工作者已做了大量的工作。

文獻［1］從輸電網和配電網角度對電動汽車接入電網產生的影響進行了分析，指出電動汽車的充電行為和儲能特性對未來電網的影響，電動汽車充電站是發展電動汽車所必須的重要配套基礎設施，電動汽車充放電控制策略和充電設施布局規劃是研究的重點。文獻［2］對電動汽車的充電需求進行了分析，提出了發展電動汽車對充電技術的要求，分析了影響電動汽車充電站規劃的幾方面因素，并對其布局規劃提出了原則性建議。

電動汽車大量接入電網進行充電，無序隨機的充電行為會對電網造成多方面的不利影響。已有的研究成果主要集中在對電網負荷峰值、電網的網損、諧波污染、電網電壓以及對配電變壓器的使用壽命等幾方面的影響。文獻［3］分析了影響電動汽車功率需求的因素，建立了電動汽車功率需求的模型，指出多臺電動汽車充電時會使電網負荷峰值增大，對充電負荷集中的線路，這種影響更為顯著。文獻［4］指出大量電動汽車蓄電池接入電網充電時，不僅加重了供電系統（用電高峰）的負擔，而且還存在著諧波污染。文獻［5-6］分析了電動汽車充電機負荷對配電網的網絡損耗的影響。文獻［7］研究了電動汽車對配電變壓器的功率損耗、使用壽命的影響。電動汽車的充電行為具有間歇性和隨機性的特點，電動汽車的充電裝置中使用的整流裝置會產生大量的諧波，對電網造成污染。

2　電動汽車有序充電控制

電動汽車的充電需求體現在接入時間、接入地點和充電量。接入地點可以通過充電設施規劃對充電負荷在空間上進行分布和引導。充電量則與汽車的行使里程和電池特性密切相關。接入電網的時間與車主的用車習慣和行使特性有關，用戶的行為模式決定了充電負荷的時間分布。考慮到人們在用車習慣和使用時間上的隨機性和相似性，充電時間、充電地點和充電容量的無序疊加，造成電網容量不足或者影響電網負荷，造成“峰上加峰”的情況。通過對電動汽車充電的有序控制，在不影響車主用車計劃的前提下，采用適當的控制策略使充電負荷有序接入，達到對電網沖擊最小的目的，實現電網安全穩定經濟運行。

2.1時間維度控制的有序充電

有序充電控制的問題可以通過制定不同的電價機制對充電用戶進行引導，改變起始充電時間如峰谷電價，階梯電價、分區電價、協議電價、分時電價等。靜態電價如峰谷電價，階梯電價等因其電價機制固定，容易使充電用戶集中于低價時段充電造成新的負荷高峰。動態電價則根據電網的負荷水平和用戶的接入情況動態制定每個用戶的充電電價，通過用戶自主響應，調整起始充電時間，達到有序控制充電負荷的目的。動態電價因其靈活性已被研究者廣泛關注，成為研究熱點。目前大多數的研究側重于時間維度的有序充電控制，制定各種電價措施引導車主響應，對調動充電站參與積極性的激勵研究較少涉及，在充電站層面，電網可以制定相關激勵政策鼓勵充電站參與，使有序充電控制更加順利有序地推進。

2.2空間維度控制的有序充電

由于充電站的選址不僅需要考慮電網條件和充電需求，還要考慮地理條件、環境影響、道路交通等因素，已有研究者考慮從空間尺度出發控制的有序充電問題，空間維度的有序充電控制優化充電負荷的空間分配，需要考慮用戶改變充電點的運行成本與充電排隊等待時間的問題，對充電設施規劃有重要的意義。

3　目標函數與優化算法

電動汽車的有序充電控制實質是對目標函數在定義域內求解最優值問題。如何構建適合的目標函數是有序充電的控制的關鍵所在。目標函數的建立經歷了從單一目標函數到多目標、分層優化的過程。常規的約束的條件主要有以下一些：

1）車主用電需求

在車主設定的充電時間內能最大限度滿足車主的對電量的要求。

2）充電時間

表示充電狀態，上述表達式表示即在停車時長內能盡快完成充電過程。

3）配電變壓器容量

電動汽車接入電網充電時，與電網原始負荷的疊加不會導致變壓器超載。

4）車主電費支出

有序控制策略下車主的電費支出少于無序充電下的支出。車主電費支出可以作為約束條件，也可以車主電費支出最小作為目標函數。

5）充電站運營商收益

電動車主充電通過充電站與電力系統相聯，為調動運營商的參與積極性，將運營商收益作為約束條件有利于有序充電的推廣，也可以運營商的收益最大作為目標函數。

6）節點電壓水平

7）電網峰谷負荷

式（8）（9）給出了充電過程中對系統的影響。式（8）考慮了各節點電壓的約束條件，式（9）中有序控制后的峰谷負荷的差值小于無序控制下的平均值。

8）充電啟停次數

在有序充電控制中采用電價信號吸引車主的響應，但頻繁的啟停充電機會影響電池的使用壽命。在優化過程中，應使充電機啟停次數最少。

4　有序充放電與智能調度控制

電力系統的經濟調度是在考慮電力系統安全約束的前提下，分配各機組的有功出力，使系統運行成本最小。傳統的經濟調度在主要考慮水電和火電機組。電動汽車作為一種規模日益增大的分布式儲能單元，由于其能量流動的雙向性和可控性，使其參與電網調峰、調頻、應急電源和備用輔助服務等成為可能，可以改變電力系統的潮流分布，改善系統的電壓質量，改善電網對風能、太陽能等可再生能源的接納，減緩電網的建設。

5　結論與展望

隨著政府對電動汽車相關扶持政策的出臺，相關法律法規和充電設施的不斷完善，電動汽車的普及已成為趨勢，大規模電動汽車接入電網對電力系統的運行和控制帶來深刻影響。電動汽車充電負荷的有序控制和有效利用將會產生巨大的經濟效益。未來的研究工作中應關注以下幾個方面的問題：

1）電價引導方面的有序控制，落實到物理層面，開發界面友好的有序控制裝置。

2）充電智能導航，將交通擁堵情況與充電樁占用情況錄入系統，結合車輛剩余電量和車輛可達范圍，根據個性化的需求推薦用戶選擇最優的充電路徑和最經濟充電方式。

3）開發便捷的遠程控制手段，將充電設置與手機終端連接，通過手機終端登錄客戶端，方便用戶實時管理充電狀態。

4）完善經濟回報激勵機制，使車主主動自愿注冊為可調度電動汽車加入V2G參與系統的調度。

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［9］ 田文奇.基于時空雙尺度的電動汽車換電站有序充電調度方法［D］.北京：北京交通大學.2013

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黃其新，女，（1980-），講師，湖北潛江人，研究方向為電力系統運行與控制。工作單位：三江學院

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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