車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電動汽車群有序充電優(yōu)化策略

何偉，孫廣波

（1.廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310；2.廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引言

隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車群已經(jīng)成為研究重點。電動汽車群的出行規(guī)律[1-3]、行駛需求[4]、充電偏好[5]、充電調(diào)度[6-7]、充電控制策略[8-10]已經(jīng)引起大量學者的關(guān)注。其中，充電控制策略關(guān)系到電網(wǎng)供電穩(wěn)定性和安全性、充電站經(jīng)濟性和效率性以及用戶便捷性和滿意性，因此很多學者針對電動汽車充電優(yōu)化策略提出自己獨特的見解，包括：李惠玲等人[11]通過構(gòu)建多時段的網(wǎng)絡(luò)損耗和電壓越界之和最小值作為優(yōu)化目標，結(jié)合多因素約束條件，利用目標優(yōu)化算法計算電動汽車在各時段的可充功率；Shilina等人[12]提出一種基于智能交通系統(tǒng)模型的充電站協(xié)調(diào)策略，旨在提升用戶和配電網(wǎng)的利益；黃貴鴻等人[13]引入分層分區(qū)調(diào)度的理念，構(gòu)建基于雙層規(guī)劃的電動汽車雙層智能充放電模型，通過上層模型優(yōu)化各管轄區(qū)在各時段的總充放電功率，通過下層模型優(yōu)化各管轄區(qū)內(nèi)電動汽車的具體充放電策略，提升電動車用戶的滿意度；馬源等人[14]基于用戶的行駛習慣將用戶分類并構(gòu)建差異化模型，以各區(qū)域充放電功率需求構(gòu)建目標函數(shù)，結(jié)合多因素約束條件制定用戶充電策略；賀繼鋒等人[15]以用戶充電成本為目標，結(jié)合用戶充電偏好構(gòu)建用戶充電需求與分時電價的響應(yīng)關(guān)系模型，引導用戶進行有序充電。從上述研究可知，當前充電控制策略模型主要集中在用戶側(cè)、電網(wǎng)測和充電站側(cè)，但是大多數(shù)研究很少關(guān)聯(lián)多方利益實現(xiàn)用戶充電優(yōu)化控制；除此之外，當前很多研究也沒有利用車聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)、車載終端及云平臺等技術(shù)手段實現(xiàn)信息互聯(lián)互通，包括：電池參數(shù)與使用狀態(tài)、車輛運行、用戶充電期望時間、用戶期望充電電量以及用戶充電偏好等相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，本文擬在車聯(lián)網(wǎng)背景下，以汽車為信息節(jié)點，采用5G通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、云平臺技術(shù)以及傳感器等，通過整合車輛與控制中心網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建綜合考慮電網(wǎng)、充電站、用戶多因素的有序充電控制策略，結(jié)合電網(wǎng)、充電站以及用戶的約束條件，引導用戶有序充電。

1 用戶、電網(wǎng)和充電站三者的充電目標與約束分析

1.1 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下用戶行駛和充電偏好分析

（1）電動汽車充電時間的概率分布

車聯(lián)網(wǎng)通過各種傳感器獲得車輛運行相關(guān)數(shù)據(jù)，比如：用戶的充電時間和放電時間、電池剩余容量、充電功率、電池續(xù)航狀態(tài)等。車載終端將汽車運行狀態(tài)相關(guān)的信息發(fā)到云平臺，形成車輛運行狀態(tài)信息共享，進而能夠?qū)崿F(xiàn)車輛電池實時狀態(tài)監(jiān)管和整車運行狀況控制。

假設(shè)電動汽車返回家里時間跟充電時間是一致的，本文在參考文獻[16]的基礎(chǔ)上，將用戶充電時間的偏好用正態(tài)分布概率密度函數(shù)表示如下：

其中，0 ≤x≤ 2 4，μc= 1 8.67δc=0.741。

由于電動汽車每次充電電量是有差異的，因此本文同樣參考文獻[16]，以用戶接入充電時的電池剩余電量來模擬電動汽車的充電負荷，采用正態(tài)分布概率密度函數(shù)表示電動汽車的充電負荷如下：

（2）基于充電成本的電費模型

考慮不同時間的充電成本和用戶充電功率的需求，用戶充電費用最小化的模型表示為：

其中，Ct表示各個時間段對應(yīng)的電價，P(t)表示用戶在t時間段的充電功率。

1.2 區(qū)域電網(wǎng)負荷和電壓分析

隨著電動車滲透率提升，大規(guī)模電動車的充電負荷接入電網(wǎng)之后會造成電網(wǎng)負荷“峰上加峰”，電網(wǎng)的電壓偏移也明顯變大。為了平抑峰谷的差別，大多數(shù)學者采用分層分區(qū)調(diào)度的方式來降低負荷峰谷差、減少充電成本、降低網(wǎng)絡(luò)損耗，努力降低電動汽車接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)負荷和電壓偏移的影響。本文利用車聯(lián)網(wǎng)獲取的用戶充電需求數(shù)據(jù)、實際用用電數(shù)據(jù)、車輛行駛里程數(shù)據(jù)、該區(qū)域歷史電網(wǎng)負荷和電壓偏移等數(shù)據(jù)，對電網(wǎng)負荷和電壓進行分析。

基于上一節(jié)用戶行駛和充電偏好的需求，結(jié)合電網(wǎng)側(cè)負荷功率調(diào)節(jié)的目標，電網(wǎng)側(cè)旨在實現(xiàn)充電負荷與電網(wǎng)負荷波動最小，實現(xiàn)削峰填谷，進一步提高小區(qū)的供電質(zhì)量，減少配電網(wǎng)線的損耗。參考文獻[17-18]，可得出電網(wǎng)側(cè)的目標函數(shù)：

1.3 充電站充電需求和變壓器容量分析

通過車聯(lián)網(wǎng)共享平臺對信息的充分共享，以及對充電站狀態(tài)的實時監(jiān)控（包括接入點故障、電池當前狀態(tài)、用戶期望充電容量、功耗控制等），實現(xiàn)關(guān)于充電需求和變壓器容量的自動分析，實現(xiàn)充電策略管理的智慧化。

假設(shè)充電站按照充電的電價抽取充電服務(wù)費pj，并按照購電電價支付給電網(wǎng)電費cj。假設(shè)充電站有N個節(jié)點，當用戶接入節(jié)點i時，充電控制系統(tǒng)獲取電動車的電池剩余電量SOCL。為了制定有序充電策略，用戶應(yīng)該預設(shè)充電時間ti以及用戶離開時期望的電池電量SOCF。因此，充電站應(yīng)該在滿足用戶需求和配電變壓器的額定容量，通過對電池有序充電的控制，實現(xiàn)充電站經(jīng)濟效益最大化。充電站以運營效益最大化的為目標：

其中，Cij為第i個接入點以當前時刻為起始點在第j個時間段的控制策略，Cij=1表示接入點開始充電；Cij=0表示接入點結(jié)束充電。Δt為充電站調(diào)度間隔。j為一天調(diào)度間隔的調(diào)度總數(shù)量。配電變壓器的容量約束如下：

其中，P為接入點的額定功率，Sij表示第i個接入點在第j個時間段是否有電動汽車接入，Sij=1表示有電動汽車接入，Sij=0表示沒有電動汽車接入；Aj取值在[0,1]之間，如果該充電站配有專供配電變壓器，那么Aj=1；ST為配電變壓器的額定容量；λ為充電負荷平均功率因子。

2 電動汽車群有序充電控制方法

本文綜合考慮電網(wǎng)、充電站、用戶三者目標，基于當前多方的需求，目標包括三個：配電變壓器容量最大化，用戶充電成本最小化以及電網(wǎng)多時段負荷波動、總損耗和電壓變化最小化。因此目標函數(shù)可以表示為：

電網(wǎng)、充電站、用戶三者的約束條件為：

公式(12)是電池的約束條件，表示電動汽車接入接入點時要滿足接入點額定輸出功率以及該車型電池最大充電功率的最小值；公式(13)表示接入點負荷要在電網(wǎng)設(shè)定的負荷范圍上下限；公式(14)表示每個時間段接入點的概率密度，將某個時間段j接入需求概率乘以該區(qū)域的電動車數(shù)量得到該時間段的充電需求；公式(15)表示電動汽車充電時的充電電量概率函數(shù)，將某一個時間段j的充電時的起始電量概率乘以電動車充電需求估算該時間段所需要的總充電電量。公式(16)表示該充電站內(nèi)所有接入點的容量小于配電變壓器的額定容量。公式(17)表示用戶停止充電時獲得的電量能夠滿足預期的充電目標。本文使用CPLEX優(yōu)化工具包進行求解，得出有序充電的控制策略。

3 實驗分析

本文在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下采用上述兩個正態(tài)分布概率密度函數(shù)模擬200輛車在24小時的充電需求。并對比有序充電和無序充電下充電站在24個小時的負荷曲線和電壓偏移曲線。具體情況如圖1和圖2所示。

圖1 有序充電負荷和無序充電負荷對比圖

圖2 有序充電負荷和無序充電電壓偏移量對比圖

圖1展現(xiàn)有序充電和無序充電兩種策略下的日負荷曲線，發(fā)現(xiàn)在有序充電控制策略下，充電站從凌晨到早上6點出現(xiàn)多個負荷高峰，這段時間恰恰是夜間谷電期，電價相對便宜，錯開了白天的用電高峰，實現(xiàn)了負荷側(cè)的削峰填谷，有序充電策略為充電站帶來豐厚的收益的同時，也為用戶節(jié)省了充電成本；而在無序充電模式下，用戶在晚上時間段接入充電，使得晚高峰的用電負荷進一步升高，局部電網(wǎng)容易出現(xiàn)另外一個用電高峰。

圖2展現(xiàn)有序充電和無序充電兩種情況下電壓偏移量曲線，發(fā)現(xiàn)在有序充電控制策略下，無論在負荷高峰還是在負荷低谷狀態(tài)下，電動汽車接入后的電壓偏移量都在一個可容忍的范圍內(nèi)；而在無序充電模式下，大多數(shù)用戶在晚上時間段接入充電，使得晚高峰的電壓偏移量加劇，對晚間配電網(wǎng)的安全造成一定的影響，也會影響電池的壽命。

4 結(jié)束語

本文提出一種在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，綜合考慮電網(wǎng)、充電站、用戶三者的電動汽車群有序充電策略，該策略通過構(gòu)建電網(wǎng)側(cè)、充電站測以及用戶側(cè)多目標優(yōu)化函數(shù)，結(jié)合用戶出行需求、電網(wǎng)負荷、汽車電池電量以及配電變壓器容量的約束條件，優(yōu)化電動汽車有序充電方案。仿真結(jié)果表明，基于車聯(lián)網(wǎng)對多方面數(shù)據(jù)的共享和分析，綜合多方面需求制定的有序充電控制策略不僅有利于實現(xiàn)負荷側(cè)的削峰填谷，為充電站帶來豐厚的收益的同時，也為用戶節(jié)省了充電成本，還能夠降低晚高峰的電壓偏移量，提升晚間配電網(wǎng)的安全。