电动汽车充电站功率和时间分配控制策略.

第３６卷第７期 ２０１５年７月 电力 建设 Ｖ０１．３６．Ｎｏ。７Ｊｕｌ．，２０１５ ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 电动汽车充电站功率和时间分配控制策略 梁锦华，原增泉，韩华春，许海平 （中国科学院电工研究所，北京市１００１９０） 摘要：即插即充的无序充电会对电网稳定性造成巨大威胁，基于此，建立了充电站综合控制系统。针对充电规划时需考虑功率分配和电滟充电特性，提出了一种充电站功率和时间分配控制策略。该策略通过理论建模将充电控制过程转化为微小时间段的近似线性规划问题，经系统测试，可在满足用户基本充电要求的情况下，尽量减少对电网稳定性和电池寿命的影响。 关键词：电动汽车；充电设备；功率分配；时间分配 ＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＰｏｗｅｒａｎｄＴｉｍｅＡｌｌｏｃａｔｉｏｎｆｏｒ ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＣｈａｒｇｉｎｇＳｔａｔｉｏｎ ＬＩＡＮＧＪｉｎｈｕａ，ＹＵＡＮＺｅｎｇｑｕａｎ，ＨＡＮＨｕａｃｈｕｎ，ＸＵＨａｉｐｉｎｇ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆ ａ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ） ｇＩｉｄ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｂｅｃａｕｓｅｄｉｓｏｒｄｅｒｌｙｃｈａｒｇｉｎｇｐｏｓｅｄ ｈｕｇｅｔｈｒｅａｔｔｏｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｏｆｃｈａｒｇｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｆｏｒｔｈｅｒｅａｓｏｎｔｈａｔｂｏｔｈｔｈｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｄｕｒｉｎｇｃｈａｒｇｉｎｇｐｌａｎｎｉｎｇ，ａｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｐｏｗｅｒａｎｄｔｉｍｅｃｈａｒｇｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ（ＰＴＡＩＣＭ）ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｓｈｏｒｔ ｔｉｍｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｉｎｅａｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｕｓｅｒｓ，ａｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｒｅｔｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇ．ＴｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｐｒｏｖｅｓｔｈａｔｉｔＣａｎｍｅｅｔｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒｇｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆ ａｓ ｗｅｌｌ ｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｏｗｅｒｇａｄａｎｄｂａｔｔｅｒｙｌｉｆｅ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ 中图分类号：ＴＭ ７４４ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｃｈａｒｇｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｐｏｗｅｒａｌｌｏｃａｔｉｏｎ；ｔｉｍｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 文献标志码：Ａ文章编号：１０００—７２２９（２０１５）０７－０１０１—０６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７２２９．２０１５．０７．０１４ ０ 引言 １ １．１ 各类充电设备工作原理 交流充电设备 交流充电设备功能结构如图１所示。从电网引 电动汽车充电，一方面必须考虑电网调度管理中心实时功率分配和大功率设备同时接入对电网稳定性的影响¨引，无序充电给电网带来的负面冲击等问 题Ｈ剖；另一方面还需考虑电动汽车电池的充放电特 入２２０Ｖ正弦交流电，经空气开关、智能电表进入交 流接触器。充电插头接人，经过握手协议连接确认，根据车载充电机的要求输出ＰＷＭ占空比和相应的电流，控制板可集成多种通信方式实现人机交互。１．２直流充电设备 直流充电设备功能结构如图２所示。３８０Ｖ电 网通过三相智能电表，输出到直流充电模块，直流充电模块通过ＰＷＭ整流器将三相交流电变换成电压恒定的直流电，实现网侧电流正弦化并提高单位功率 性，缩短充电时间，延长电池使用寿命∞引。如何建立充电站的控制模型，协调各种充电设备ｐ‘１５】，优化控制策略１１６－２４］，实现充电站的有序、高效充电，至关重要。现有的研究大部分都是侧重于电网、电池等单一方面的影响，但实际充电过程是受多方面因素的约束，本文 在满足用户基本充电要求的基础上，建立多目标优化 算法模型，采用相应的寻优算法实现功率和时间的协 调分配。 因数，再通过ＤＣ—ＤＣ变换器输出符合电池管理系统要求的直流电给电池。如果多个直流充电模块通过ＣＡＮ总线并联在一起组成大功率电源系统，就可以 ｏｆ Ｃｈｉｎａ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７７１２２）。Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ 实现快速充电，减少电池充电时间，满足用户对充电 （５１０７７１２２）． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｅｐｃ．ｃｏｍ．ｃｎ皿 万方数据 图１ Ｆｉｇ．１ 交流充电设备功能结构 ＦｕｎｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＡＣｃｈａｒｇｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 图３充电站综合控制系统 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｃｈａｒｇｉｎｇｓｔａｔｉｏｎ 据并完成站内充电设备功率和时间规划任务。显示终 端基于客户彬服务器（ｃｌｉｅｎｔ／ｓｅｒｖｅｒ，Ｃ／Ｓ）架构体系。 集中控制器定时将数据通过ＧＰＲＳ或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上传以 太网中的总服务器和总监控中心，总监控中心可以监 控多地区站点实时情况，总服务器使用大型ＳＱＬ数据库存储站点信息，方便监控机构和用户查询。查询方 式主要有：（１）通过浏览器／服务器（ｂｒｏｗｓｅｒ／ｓｅｒｖｅｒ， 图２直流充电设备功能结构 Ｆｉｇ．２ ＦｕｎｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＤＣ ｃｈａｒｇｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｂ／Ｓ）架构体系，直接在网页浏览器中输入网址通过网站查询；（２）通过ｃｓ架构体系，在各个站点的人机交互触摸终端上查询；（３）通过手机、平板电脑等无线终端查询，还可以通过ＧＳＭ短信进行互动。 时间的要求。 １．３充放电设备 充放电设备是由电压型整流器（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ＶＳＲ）和双向ＤＣ／ＤＣ变换器２部分组成，ＶＳＲ和双向ＤＣ／ＤＣ变换器都具有双向变换能力，因此充放电设备既具有给电动汽车电池充电的能力，也 能把电池的能量馈送给电网，实现协调电网、平衡峰谷差等功能。 ２ ３ 多个充电设备功率和时间协调控制方法 站内有不同类型，不同功率的充电设备，如何规划和分配其功率和时间至关重要，在下面的控制方法中暂且只考虑电池的充电过程，首先分析决定单台电动汽车充电负荷的主要因素： （１）Ｘ沁＝［ｔ沁％ｔ。，Ｃ小，Ｃ沁，Ｐ泔］ 式中：ｔ¨是第ｉ台电动汽车的开始充电时刻；ｔ沁是第 充电站综合控制系统结构 要协调站内不同类型的充电设备，就必须在集中控制器和充电设备间建立双向及时响应的可靠通信；要实时监管、查询各站点信息就必须组建强大的网络系统，其结构如图３所示。 充电站编ｓｔａｔｉｏｎ一１～ｓｔａｔｉｏｎ—Ｎ，采用集中控制方式。站点根据用户类别配置不同类型的充电设备，可采用不同的通信方式及其相应的通信协议保证组网成功。充电模块之间、充电机与电池之间的通信使用ＣＡＮ总线。充电机与集中控制器之间的通信有 Ｚｉｇｂｅｅ、Ｒｓ４８５和Ｉｎｔｅｍｅｔ这３种。 ｉ台电动汽车的结束充电时刻；Ｃｉ．。是第ｉ台电动汽车的起始电荷状态；Ｃ沁是第ｉ台电动汽车的结束电荷状态；Ｐ。是第ｉ台电动汽车的单台充电机的额定输 出功率。 实际充电电量和时间分别为 Ｃ仙＝Ｃｈ—Ｃ小 Ｔｉ，。＝ｔ。一ｔ小 （２）（３） 理论计算时，第ｉ台电动汽车充电时间可表示为 Ｉ．。＝≯＝（１一ｓｏｃ）学 ｒｉ。ａ ｒｉ．ａ （４） 集中控制器由后台的分站服务器和本地的人机 交互显示终端组成，分站服务器实时记录各种监控数 式中：ＳＯＣ为电池剩余容量；肛是用户个性化定制的 充电需求协调系数，因为在实际充电过程中，电池可 咽ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｅｐｃ．ｃｏｍ．ｃｆｉ 万方数据 能由于时间、电网功率限制等因素无法全部充满就要 投入使用，用户可以选择输入期望的百分数；Ｃ¨为单台电动汽车的满电量需求；Ｋ．。为单台充电机在单个充电时间周期内的实际平均充电速率，平均充电速率的影响因素用公式（５）表示。 Ｋ．。＝［Ｐ抽，Ｐ¨，Ｑ沁，Ａ正．。，（１一Ａ）Ｒ沁，Ⅳ。］＝ ｛ｒ／ｉ．。Ｐ¨，７／ｉ，ｌＰ。，ｌ，Ｑｉ，。，Ａｔ．。，（１一Ａ）×［尺。（ｔ）＋尺舢（ｔ）］，Ｐ州Ｎ。｝ （５） 式中：Ｐ山为第ｉ台充电机的实际输出功率；Ｐ¨为第ｉ 台充电机限定的功率峰值；Ｑ。为电池充放电特性约 束函数，与电池可接受充电的功率、电流、电压直接相关；Ａ为权重系数，因为大功率快速充电设备充电时 间短，相应的设备成本和使用费用都比慢速充电设备 高，分时段电价随市场规律波动，所以引入权重系数 供用户选择，用户可以选择充电时间最短、充电费用 最低或折中方案；Ｉ．。为用户期望的充电时长；Ｒ。为第ｉ台充电机总的充电费用；Ⅳａ为实际正在充电的汽车数量；７７沁为第ｉ台充电机功率分配系数；Ｐ㈠为第ｉ台充电机的额定输出功率；叼川为功率限定分配系数；Ｐｔ’ｌ为电网对充电站总体的功率限制峰值；Ｒ。（ｔ）为ｔ时间内电网分时段电价；尺汕（ｔ）为ｔ时间内第ｉ台充电机的使用费用，快速和慢速、直流和交流等不同类 型、不同功率的充电设备使用费用根据市场规律定 价；Ｐ，。为ｔ时间内ｋ辆电动汽车请求充电或离开的 概率；Ｎｔ为充电站总的可同时充电数量，因为新加入 的和充完离开的电动汽车数量都影响实际的功率需求，从而影响充电速率，所以引入概率函数协调功率裕量，新加入和离开根据用户的意愿，是一个随机事件，设单位时间内接人或离开的数量服从泊松分布，则ｔ时间内ｋ辆电动汽车请求充电或离开的概率函 数如下： Ｐｉ，ｄ（ｘ圳＝鲁 （６） 式中：Ａ，为ｔ时间内请求充电或离开的电动汽车数 量，实际分配算法中有３种处理情况：（１）当整个充 电站不需要满负荷工作就能满足现有的用户充电需求时，可预留适当裕量给新加人的电动汽车；（２）电网分配功率小于充电站需求时，可在加入后的下一个规划周期内重新分配功率；（３）电动汽车的数量大于充电站可接受的数量，可以排队处理，或联网查询就 近充电站可接纳充电数量，综合考虑成本和时间以及 用户意愿选择去就近充电站充电或继续等候。 充电过程中的各类约束条件： （１）功率传递约束。