V2G模式下電動汽車的有序充放電策略研究

任金彥

V2G模式下電動汽車的有序充放電策略研究

任金彥

(萬幫星星充電科技有限公司，江蘇 南京 210005)

在V2G充放電設備大規模普及后電動汽車無序充電或放電將給電網帶來巨大的負擔。V2G充放電設備具備了雙重角色，它不僅是充電設備還是儲能設備。但這種儲能設備是移動的、分布式的。設計的有序充放電策略充分地考慮了這些特征，核心思想是以臺區為單位通過定時采集臺區內監控信息制定有序充放電策略，通過合理的安排充放電可以滿足在有限的容量下實現高容量充電的需求。在臺區內剩余可用功率不足時優先調度臺區內簽訂V2G合約的電動汽車進行放電，通過能源路由器保證電源和負荷的平衡，確保能量潮流在臺區內部流動。這樣可以有效地減少電網側負荷波動和電能傳輸損耗。而在用戶側以電價的形式對參與V2G的電動汽車進行補貼，保證了車主的切身利益。

電動汽車；有序充放電管理系統；V2G充電樁；能源控制器

0 引言

近年來，電動汽車技術發展突飛猛進，目前全球許多國家將交通電氣化定為技術轉型重點方向。電動汽車具有環保、節能、電價遠低于油價、富有科技感等優勢，得到了越來越多人的關注。但大規模電動汽車集中在用電高峰期充電，進一步加大電網負擔。直到電動汽車V2G模式思路[1]提出后，人們考慮到可以充分利用電動汽車的儲能特性，在用電高峰期時將電動汽車儲存的電能輸送到電網，提高了電網可靠性并減少儲能的配置，有效地減少電網負荷波動。

由于電動汽車的接入行為具有時間的不確定性和空間上的不確定性，這需要電動汽車有序充放電策略來規劃充放電行為。文獻[2]考慮了電動汽車充電的一些隨機因素，如電動汽車開始充電時間、充電時長和初始SOC，在此基礎上建立了接近現實世界住宅配電網中電動汽車充放電的隨機模型，并基于粒子群優化算法優化充電和V2G策略。該策略主要目的是用于提高電網電能質量和平滑電網負荷需求。其缺點是忽略了電動汽車是否愿意參與V2G。文獻[3]以一個居民區和工商業區為研究對象，研究了電網側在最優功率負荷波動和經濟費用下的充放電需求，然后研究了用戶側充放電總功率與電價的關系，最后研究了中間商側通過返利引導用戶協調充放電。文中以電動汽車充放電概率分布模型作為優化目標的約束條件優化得出每個時間段的放電總功率。其缺點是對于每個獨立的電動汽車如何分配放電功率，文中沒有提到。文獻[4]的策略是根據電動汽車的充放電行為及用戶計劃，將電動汽車分為3類，并以總充電費用最小為目標函數，電網運行指標及電動汽車狀態作為約束條件及用戶信用指標制定充放電計劃，可以減少負荷波動和降低用戶充電費用，其缺點是普通電動汽車優先級最低在用電高峰期只能暫停充電，無法解決普通電動汽車急需充電的問題。

本文基于文獻[4]的電動汽車分類，并引入了有序充放電系統，以每個臺區為基本調度單元，在用電高峰期首先在臺區內調度V2G電動汽車，如果調度失敗則調度就近的其他臺區V2G電動汽車。若沒有V2G電動汽車可以調度則讓普通電動汽車臨時升級成V2G電動汽車以滿足其他電動汽車充電需求，對于急需充電的普通電動汽車也可以支付高溢價的充電費用給其他V2G電動汽車來獲取高優先級的充電權。

1 有序充放電系統總體架構

有序充放電系統按照分層思想進行設計，將系統復雜功能劃分層次，這樣的設計具有每層功能分工明確、層間耦合低的優點。圖1中處于系統頂層的有序充放電管理系統主要負責有序充放電策略的生成和下發；臺區內的能源控制器負責實時采集負荷數據和充放電設備的控制，如控制充電樁允許最大充電/放電功率，開啟/停止充電等；能源路由器為多種分布式能源與負荷的協調運行提供了解決方案，比如在負荷附近分布有正在放電的電動汽車，通過使用能源路由器不僅可以減少一次性能源的使用，還可以減少電能傳輸時電力線上的電能損耗；V2G充電樁是具有充放電功能的設備，它接收能源路由器充放電指令來進行有序充放電。

圖1 有序充放電系統總體架構

1.1 有序充放電策略

本文主要考慮有序充放電管理系統的有序充放電策略。該策略的主要目標是減少電網負荷波動和最大化V2G簽約用戶的最大利益。文獻[4]根據電動汽車的使用特性將電動汽車分成了3類：簽約電動汽車(一部分電動私家車)，優先電動汽車(電動出租車)和普通電動汽車(部分電動私家車)，本文也采用該分類方式。

1) 簽約電動汽車

簽約電動汽車具有日間行駛距離短，起始電量足，閑置時間長的特點。用戶簽約的目的主要是為了獲得V2G補貼。這類車一般是在用電高峰期負責“削峰”而在用電波谷期負責“填谷”以此獲得充放電差價。這既能滿足用戶的利益需求又能達到減少電網負荷波動，提高了電網質量，滿足用戶側和電網側的雙贏。

2) 優先電動汽車

優先電動汽車一般是電動出租車等，這類車需要滿足其充電需求以達到快速充電，它們不參與有序充放電的調度。

3) 普通電動汽車

普通電動汽車一般都會選擇在用電波谷期進行充電，它們如果需要在用電高峰期進行充電需要提高充電費用為本次充電提升充電權限升級成優先電動汽車，充電結束會恢復成原先的權限，否則暫停它的充電。

下面是針對這三類電動汽車的有序充放電管理系統實現有序充放電策略的步驟。

步驟1：有序充放電管理系統獲取充電請求，根據該請求所屬的臺區的剩余可用功率，判定剩余可用功率是否來自于V2G電動汽車的功率。若是，則執行步驟2，否則步驟3。

步驟2：檢查電動汽車類型，如果該電動汽車是普通類型則不允許充電，并提示用戶是否需要提升權限。如果用戶選擇提升權限，則管理系統暫時將電動汽車類型升級為優先型，然后執行步驟3；否則提示用戶當前負荷過高，需等待其他電動汽車充電結束，并在負荷降低后由有序充放電管理系統按充電請求發起的先后順序安排充電。

步驟3：將剩余可用功率下發給充電設備，充電設備以該功率作為最大充電功率限制值進行充電。

步驟4：有序充放電管理系統檢查優先電動汽車的充電功率要求是否可以滿足，若充電功率要求高于該臺區可用功率，則優先檢查該臺區是否有空閑的簽約電動汽車，若有，則向該臺區能源控制器發起調度指令，再經由能源路由器負責將新加入的V2G放電功率與充電功率達到平衡；否則從附近臺區檢查是否有空閑的簽約電動汽車，若無，則維持原來的充電功率。

2 結論

本文在有序充放電系統架構的基礎上提出了一種有序充放電策略的實現步驟，該策略的主要目的是減少電網負荷波動和最大化V2G簽約用戶的最大利益，電網不會超負荷，在電網無余量時暫停普通電動汽車的充電，若它仍需要充電則通過向V2G電動汽車付V2G電價費用來維持充電。但本文未對V2G電價如何確定以保證其合理性，臺區V2G電動汽車分配嚴重不均等問題做詳細的探討，這將是以后的研究方向。

[1] KEMPTON W, TOMI J. Vehicle-to-grid power implementation: from stabilizing the grid to supporting large-scale renewable energy[J]. Journal of Power Sources, 2005, 144(1): 280-294.

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LUO Tong, CHEN Zhong, YU Siwei, et al. Ordered charging and discharging optimization of electric vehicle based on PSO algorithm[J]. Journal of Electric Power, 2018, 33(1): 32-40.

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HOU Hui, KE Xianbin, WANG Chengzhi, et al. Coordinated optimization strategy for electric vehicles' charging and discharging in different regions[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(2): 648-654.

[4] 王鑫, 周步祥, 唐浩. 計及V2V技術的電動汽車有序充放電策略[J]. 電力系統及其自動化學報, 2018, 30(7): 96-102.

WANG Xin, ZHOU Buxiang, TANG Hao. Ordered charging/discharging strategy for electric vehicles with V2V technology[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2018, 30(7): 96-102.

Study on the orderly charging and discharging strategy of electric vehicles in V2G mode

REN Jinyan

(Wanbang Star Charge Co., Ltd., Nanjing 210005, China)

The disorderly charging or discharging of electric vehicles after the large-scale popularization of V2G charging and discharging equipment will bring a huge burden on the power grid. V2G charging and discharging equipment has dual roles. It is not only a charging device but also an energy storage equipment. But this energy storage device is mobile and distributed. The orderly charging and discharge strategy designed in this paper fully considers these characteristics, and the core idea is to develop an orderly charging and discharging strategy based on the monitoring information in the station area through timed collection of the station area, and to meet the needs of high-capacity charging under limited capacity through reasonable arrangement. In this paper, when the remaining available power in the station area is insufficient, the electric vehicle which has signed the V2G contract in station area is dispatched first to be discharged, and the balance of power supply and load is guaranteed through the energy router to ensure the flow of energy flow within the station area. This can effectively reduce the power grid side load fluctuations and power transmission losses. It gives subsidies to electric vehicle which participated in V2G in the form of electricity prices on the user side, to ensure the vital interests of car owners.

electric vehicle; orderly charging and discharging management system; V2G charging pile; energy controller

2020-09-10

任金彥(19—)，男，碩士研究生，控制理論與控制工程。E-mail: jinyan.ren@wanbangauto.com