電動汽車充電站功率和時間分配控制策略

1、第3 6卷第7期2 0 15年7月電力建設V01.36.No7Jul.,2015ElectricPowerConstruction電動汽車充電站功率和時間分配控制策略梁錦華，原增泉，韓華春，許海平（中國科學院電工研究所，北京市1 0 0 1 9 0 ）摘要：即插即充的無序充電會對電網穩(wěn)定性造成巨大威脅，基于此，建立了充電 站綜合控制系統(tǒng)。針對充電規(guī)劃時需考慮功率分配和電滟充電特性，提出了一種 充電站功率和時間分配控制策略。該策略通過理論建模將充電控制過程轉化為微 小時間段的近似線性規(guī)劃問題，經系統(tǒng)測試，可在滿足用戶基本充電要求的情況 下，盡量減少對電網穩(wěn)定性和電池壽命的影響。關鍵詞：電動汽車；

2、充電設備；功率分配；時間分配ControlStrategyofPowerandTimeAllocationforElectricVehicleChargingStationLIANGJinhua，YUANZengquan，HANHuachun，XUHaiPing(InstituteofElectricalEngineeringChineseAcademyofaSciences，Beijing100190，China)gIid，thecomPrehensiVecontrolABSTRACT :BecausedisorderlychargingPosedhugethreattothestabili

3、tyofPowersystemofchargingstationwasestablished.ForthereasonthatboththePowerdistributionandthebatterycharacteristicshouldbeconsideredduringchargingPlanning，acontrolmethodofPowerandtimechargingstation，inwhich the chargingcontrolprocesswasallocation(PTAICM)wasproposedfor convertedtoshorttimeapproximate

4、linearprogramming users,asproblem,throughtheoreticmodeling.Th etestresultprovesthatitCanmeettheba sicchargingrequirementsofaswellminimizetheimpactonthestabilityofpowergadandbatterylife.KEYWORDS：electric中圖分類號：tm 7 4 4 vehicle；chargingequipment；powerallocation；timedistribution文獻標志碼：A文章編號：10 00 7 229 (

5、2015) 07 0101 0 6各類充電設備工作原理D0I：10.3969/j.issn.1000 7229.2015.0 7.014 0 引言 11.1各類充電設備工作原理交流充電設備交流充電設備交流充電設備功能結構如圖1所示。從電網引電動汽車充電，一方面必須考慮電網調度管理中心實時功率分配和大功率設備同 時接入對電網穩(wěn)定性的影響.引，無序充電給電網帶來的負面沖擊等問 題H剖；另一方面還需考慮電動汽車電池的充放電特 入220V正弦交流電，經空氣開關、智能電表進入交流接觸器。充電插頭接人，經過握手協(xié)議連接確認，根據車載充電機的要求輸出 PWM占空比和相應的電流，控制板可集成多種通信方式實現(xiàn)人

6、機交互。1.2 直流充電設備直流充電設備功能結構如圖2所示380V電網通過三相智能電表，輸出到直流充電模塊，直流充電模塊通過PWM整流器將 三相交流電變換成電壓恒定的直流電，實現(xiàn)網側電流正弦化并提高單位功率 性，縮短充電時間，延長電池使用壽命s引。如何建立充電站的控制模型，協(xié)調 各種充電設備P 15】，優(yōu)化控制策略1 16 24，實現(xiàn)充電站的有序、高 效充電，至關重要。現(xiàn)有的研究大部分都是側重于電網、電池等單一方面的影 響，但實際充電過程是受多方面因素的約束，本文 在滿足用戶基本充電要求的基礎上，建立多目標優(yōu)化 算法模型，采用相應的尋優(yōu)算法實現(xiàn)功率和時間的協(xié) 調分配。因數(shù)，再通過DC-DC變換

7、器輸出符合電池管理系統(tǒng)要求的直流電給電池。如 果多個直流充電模塊通過CAN總線并聯(lián)在一起組成大功率電源系統(tǒng)，就可以 ofChina基金項目：國家自然科學基金資助項目(51077122)oProject Supported byNationalNatureScienceFoundation實現(xiàn)快速充電，減少電池充電時間，滿足用戶對充電( 5 1 0 7 7 1 2 2 ). HYPERLINK M M 萬方數(shù)據 圖1Fig.1交流充電設備功能結構FunctionstructureofACchargingequipm ent圖3充電站綜合控制系統(tǒng)Fig.3Comprehensivecontrols

8、ystemofchargin gstation據并完成站內充電設備功率和時間規(guī)劃任務。顯示終端基于客戶彬服務器（client/server,C/S ）架構體系。集中控制器定時將數(shù)據通過GPRS或Internet上傳以 太網中的總服務器和總監(jiān)控中心，總監(jiān)控中心可以監(jiān)控多地區(qū)站點實時情況，總服務器使用大型SQL數(shù)據庫存儲站點信息，方便監(jiān) 控機構和用戶查詢。查詢方式主要有：（1）通過瀏覽器/服務器（browser/server, 圖2直流充電設備功能結構Fig.2FunctionstructureofDC chargingequipmentB/S）架構體系，直接在網頁瀏覽器中輸入網址通過網站查詢；（

9、2）通過c s架構體系，在各個站點的人機交互觸摸終端上查詢；（3）通過手機、平板電 腦等無線終端查詢，還可以通過GSM短信進行互動。時間的要求。1.3充放電設備充放電設備是由電壓型整流器（voltagesourcerectifier，VSR）和雙向DC/DC變換器2部分組成，VSR和 雙向DC/DC變換器都具有雙向變換能力，因此充放電設備既具有給電動汽車 電池充電的能力，也能把電池的能量饋送給電網，實現(xiàn)協(xié)調電網、平衡峰谷差等功能。23多個充電設備功率和時間協(xié)調控制方法站內有不同類型，不同功率的充電設備，如何規(guī)劃和分配其功率和時間至關重 要，在下面的控制方法中暫且只考慮電池的充電過程，首先分析決

10、定單臺電動汽 車充電負荷的主要因素：（1）X 沁=t 沁七。，。小，C 沁，P式中：t“是第i臺電動汽車的開始充電時刻；t沁是第充電站綜合控制系統(tǒng)結構要協(xié)調站內不同類型的充電設備，就必須在集中控制器和充電設備間建立雙向及 時響應的可靠通信；要實時監(jiān)管、查詢各站點信息就必須組建強大的網絡系統(tǒng)， 其結構如圖3所示。充電站編station1stationN,采用集中控制方式。站點 根據用戶類別配置不同類型的充電設備，可采用不同的通信方式及其相應的通信 協(xié)議保證組網成功。充電模塊之間、充電機與電池之間的通信使用CAN總線。 充電機與集中控制器之間的通信有Zigbee、Rs485 和Intemet 這3

11、種。i臺電動汽車的結束充電時刻；Ci.。是第i臺電動汽車的起始電荷狀態(tài)；C 沁是第i臺電動汽車的結束電荷狀態(tài)；P。是第i臺電動汽車的單臺充電機的額 定輸出功率。實際充電電量和時間分別為C仙=ChC小Ti,o=to 一t小(3)理論計算時，第i臺電動汽車充電時間可表示為I.o=(1一so c)學rioari.a(4)集中控制器由后臺的分站服務器和本地的人機交互顯示終端組成，分站服務器實時記錄各種監(jiān)控數(shù)式中：SOC為電池剩余容量；肛是用戶個性化定制的充電需求協(xié)調系數(shù)，因為在實際充電過程中，電池可咽 HYPERLINK .cfi .cfi萬方數(shù)據能由于時間、電網功率限制等因素無法全部充滿就要投入使用

12、，用戶可以選擇輸入期望的百分數(shù)；C“為單臺電動汽車的滿電量需求； K.。為單臺充電機在單個充電時間周期內的實際平均充電速率，平均充電速率 的影響因素用公式(5)表示。K.=P 抽，P，Q 沁，A正.。，(1一A)R 沁，W =r/i.P“，7/i,lP,l,Qi,At.,(lA) x尺。(t)+ 尺舢(t),P 州N。(5)式中：P山為第i臺充電機的實際輸出功率；P“為第i臺充電機限定的功率峰值；Q。為電池充放電特性約束函數(shù)，與電池可接受充電的功率、電流、電壓直接相關；入為權重系數(shù)，因為 大功率快速充電設備充電時間短，相應的設備成本和使用費用都比慢速充電設備高，分時段電價隨市場規(guī)律波動，所以引

13、入權重系數(shù)供用戶選擇，用戶可以選擇充電時間最短、充電費用最低或折中方案；I。為用戶期望的充電時長；R。為第i臺充電機總的充電 費用；Wa為實際正在充電的汽車數(shù)量；77沁為第i臺充電機功率分配系數(shù)； P為第i臺充電機的額定輸出功率；叼川為功率限定分配系數(shù)；Pt 1為電網 對充電站總體的功率限制峰值；R(t)為t時間內電網分時段電價；尺汕(t)為t時間內第i臺充電機的使用費用，快速和慢速、直流和交流等不同類 型、不同功率的充電設備使用費用根據市場規(guī)律定價；P,。為t時間內k輛電動汽車請求充電或離開的概率；Nt為充電站總的可同時充電數(shù)量，因為新加入的和充完離開的電動汽車數(shù)量都影響實際的功率需求，從而

14、影響充電速率，所以 引入概率函數(shù)協(xié)調功率裕量，新加入和離開根據用戶的意愿，是一個隨機事件， 設單位時間內接人或離開的數(shù)量服從泊松分布，則t時間內k輛電動汽車請求充 電或離開的概率函數(shù)如下：Pi,d(x 圳=魯(6)式中：A,為t時間內請求充電或離開的電動汽車數(shù)量，實際分配算法中有3種處理情況：(1)當整個充電站不需要滿負荷工作就能滿足現(xiàn)有的用戶充電需求時，可預留適當裕量給新加 人的電動汽車；(2)電網分配功率小于充電站需求時，可在加入后的下一個規(guī) 劃周期內重新分配功率；(3)電動汽車的數(shù)量大于充電站可接受的數(shù)量，可以 排隊處理，或聯(lián)網查詢就近充電站可接納充電數(shù)量，綜合考慮成本和時間以及用戶意愿

15、選擇去就近充電站充電或繼續(xù)等候。充電過程中的各類約束條件：功率傳遞約束。P鏟 dPiZPNEP 池啦。Z 尸婦岫i = Ii = Ii = l(7)萬方數(shù)據式中：尸刪是實際電網提供功率；P。州。是充電站的總功率；P“是第i臺 充電機的額定功率；P。，是單臺充電機的輸出功率；P。是電池充 電時接受的功率，考慮元器件發(fā)熱損耗、轉換效率等多方面因素，功率 是逐級遞減的。電網功率約束。P加dVPIl(8)電網提供的功率？酬必須小于限制的功率峰值Ptlo充電機功率約束。PbP“(9)最大輸出能力限制實際輸出功率值。(4)充電機的過壓保護。UVU i。(10)實際充電過程中的電壓必須小于最大極限值，否則觸

16、發(fā)程序或硬件自動保護。充電機的過流保護。,“V, i。(11)電流極限值由硬件電路負載能力和程序預設值共同決定。電池最大可接受功率約束。P%oVPbal 1。叫。(12)一旦電池型號確定，電池本身的最大可接收充電 功率值也可確定。充電時間約束。t，oVt，o因為充電插頭的連接確認和排隊等準備工作都需時間。電池的荷電狀態(tài)約束。rS0C=7“一x 100%UnS0CoioS0Co萋。.9低谷，可以減小對電網負荷的影響，如果不協(xié)調分配無序充電，很有可能與電網 的日負荷峰值疊加，加重善0.7i0.5型0 30.1+出租車充電時間私家車充電時間電網負荷，達不到削峰平谷的效果。I電網日負荷曲線1!L在實際

17、充電過程中，用戶的要求多種多樣，不可能在本文中逐一分析，為了驗證 本算法可以滿足用戶個性化的充電需求，列出幾種典型的用戶需求來分 析，如表2所示。馨三蘭鎦; 哪哪圖5Fig.50 0忘一兩礦百贏兩礦可麗一磊菇一函一刻 3類用戶的充電需求和電網日負荷Chargingdeman usersdofthreetypesof根據幾種典型用戶的需求，按照功率和時間分配算法安排的充電時間段和匹配的 充電設備情況如圖6所示。anddailyloadofgridTable2表2幾種典型的用戶充電需求Chargingdemandofsevera Itypicalusers1.0,0.8L姜 0 6I_要。.40+

18、分時電價+ 用戶 A.25kW + 用戶 B.lOOkwt 用戶C,1 00kW一用戶D .2 5kW一 用E.25kW大，但電池可接受的最大功率較小，在3h內無法充滿，可建議用戶多充1h或 者降低S0C期望；用戶E在分時電價低時要求充電費用低，用功率為2 5kW 的直流充電設備在要求的時間段內充滿即可；用戶F要求對電池影響最小，可充 電時段較長，可選功率為5 0t用戶 F.5 0kW一 用戶 G.32A用戶H.125kw+ 用戶 1.1 2.5kWt用戶J.16Akw的直流充電設備，按電池最佳充電曲線充電；用戶G在白天時間段，無特殊要求，可以選擇在電網負荷和電價較低時用電流為3 2A的交流充

19、電設備，趕0宣苔碰掛同時滿足三方要求；用戶H電池可接受最大功率只有16.2kw，要求費用最 低，可用功率為12.5kW的直流充電設備；用戶I要求時間最短，可接受功 率為圖6安排的充電時間段和匹配充電設備Fig.6Chargingtinlearrangementandmatchedchargingequipment12.96kW，如果用功率為2 5kW的直流充電設備余量太大，可選功率為12.5kW的直流充電設備；用戶第二天使用，也無特殊要求，用電流為16A的慢速由圖6可知，用戶A可選擇在電價和電網負荷低谷時段用功率為25kW的直流 充電設備，滿足費用最低要求；用戶B需要在中午2h內充滿，可選擇功

20、率為1 0 0kW的直流充 電設備，但最大輸出功率只有9 7.2kW ；用戶C屬于緊急充電，而且要求時 間最短，可選最大可接受功率充電；用戶D的電池容量交流充電設備，并且分時電價費用還最低?？偠灾?，算法分配充電時間段都是 在電網日負荷較小，且分時電價較低的時段，并且盡量滿足用戶的基本充電需 求，如果用戶的充電要求超出了電網、充電設備或電池可接受的極限值，將由軟 件提醒用戶充電要求不合理，并給出建議的充電規(guī)劃方案供選擇。 HYPERLINK http:/www.cepc.corn.crl http:/www.cepc.corn.crl 啁萬方數(shù)據6結論（1）提出的綜合控制系統(tǒng)通信結構設計合理，

21、能適應各種通信需求。（2）建立的充電站集中控制模型，能協(xié)調各種充電設備，實現(xiàn)充電站的有序、 高效充電。（3）提出的功率和時間分配綜合控制方法，將復雜的充電過程轉化為微小時間 段的近似線性規(guī)劃問題。1參考文獻lClementNynsK,HaesenE,DriesenJ.Theimpact ofvehicle to -gridonthedistributiongridJ.ElectricPowerSystemsResearch,2 0ll,81 ( 1 ):1 8 5 1 9 2.2羅卓偉，胡澤春，宋永華.電動汽車充電負荷計算方法J。電力系統(tǒng)自動化2011,35 (14):36 42.LuoZhu

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