基于分时电价的小区电动汽车群有序充电策略研究

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摘要：鉴于众多型号电动汽车电池管理系统与居民小区慢充充电桩通信不畅的状况，本文依确定性分析法，遵循倒序递推原则确定电动汽车充电起始时间，探索出一种无需采集电动汽车电池荷电状态，即可实现小区内电动汽车群有序充电的控制手段。以小区配电网为实例，运用蒙特卡洛方法模拟用户到达时间，对电动汽车在无序充电、总负荷最低时段充电以及倒序递推时段充电这三种模式下配电变压器的负载情形展开仿真与剖析。结果显示，倒序递推时段充电能够显著缩减电网峰谷差率，且不会引发新的负荷尖峰，具备实际应用价值。

关键词：分时电价；有序充电；电动汽车群；蒙特卡洛模拟；峰谷差率

0. 引言

随着全球环境与能源问题的加剧，电动汽车因其环保优势备受关注。然而，大规模电动汽车群的无序并网充电，尤其是在负荷高峰期，会加剧配网峰谷差，危及电网安全运行。尽管国内外学者提出诸多电动汽车有序充电控制策略，但多数基于准确采集电动汽车 SOC，而当前我国慢充充电桩与电动汽车 BMS 的通信标准不规范，许多型号电动汽车 SOC 无法被准确采集。因此，本文提出一种不依赖 SOC 采集的小区内大规模电动汽车群有序充电控制方法，引入电动汽车群概念，通过分析私家车行驶里程规律确定充电时长，依据电网总负荷最低点时段安排倒序递推充电，并以某小区配电网为例进行仿真分析。

1. 电动汽车群和分时电价

电动汽车群指在特定区域内至少 10 台以上需充电的车群组，其充电是指同期对这些车辆充电。分时电价旨在鼓励用户合理用电，削峰填谷。以某小区为例，若充电分时电价能反映电网负荷波动，在谷时段对小区电动汽车群充电，既能保障用户经济性，又可避免电网峰上加峰。

2. 电动私家车充电负荷特性分析

2.1 电池特性
当前电动汽车多采用锂电池，以三段式恒功率充电为主。以江淮 iEV5 等车型为例，其电池容量、续航里程、每百公里耗电量及充电功率等参数有相应范围，慢充一般需 5 - 8 小时充满。

2.2 出行需求和习惯
用户出行里程、时间等因素决定充电开始与持续时间。参考美国交通部数据及国内相关调查，私家车日行驶里程多在一定范围内，且多数车主下班后即回家，为确定电动汽车充电时间提供依据。

式中:d 为日行驶里程,期望值 μ = 3. 7;标准差 б = 0. 9。

根据青岛市地区统计,青岛市工薪族上下班和休闲用车里程每月平均 900 公里,即日平均行驶里程在 30 公里。 某汽车商家通过对潜在的车主每日行驶里程进行调查,结果如图 2 所示,其中 93% 的车主日行驶里程在 80 公里以内。

我国大部分地区正常下班时间为 17 时,多数车主下班后即返回家中,这样大多数电动汽车能在19时之前回到家中[17] 。如图 3 所示,采用对数正态分布描述电动汽车最后一次行程结束时刻,其概率密度函数为

式中:t 表示时间,17 表示下午17时。

2.3 电动汽车充电时间

电动汽车充电持续时间计算公式大致为

式中:TC为电动汽车充电持续时间,h;S 为日行驶里程,km;W100为每百公里的耗电量,kW·h / km;PC为充电功率,kW。

3. 小区充电桩接入模式控制
采用 “群控群管” 接入模式，将小区电动汽车群充电系统分为设备、控制、调度和云平台四层结构。各层分别承担高低压转换与充电、充电控制管理、电能分配与时间安排以及人机交互与数据处理等功能，实现小区充电桩的优化接入和控制，提升服务质量和管理效率。,如图 4 所示。

①为设备层,包含箱变中 10 / 0. 4 kV 的高低压转换和一系列交直流充电桩(机),将小区 10 kV 电力接入,配电、变电模块集成一体化,完成供电和交直流充电功能;②为控制层,通过群管群控实现对接入的每路交直流充电进行控制管理,包括对充电桩(机)状态量、模拟量的监测,对各路充电过程的控制以及电度计量;③为调度层,对服从调度的车辆进行有序充电,实现电能最优分配,另外按照用户的预约充电需求,合理安排充电时间;④为云平台,支持车主通过 APP 智能查询周围可用充电桩,实时了解充电进度和费用,与②③通过 CAN 总线或 GPRS 相互通信,实现人机交互以及充电桩的状态监控等功能。 且在运营角度,云平台可对车辆数据、道路数据、用户行驶数据等海量信息进行处理、分析、挖掘,便于供应商提供更精细化的服务。

4、有序充电控制策略

基于小区典型日基础负荷曲线,提出不采集电动汽车 SOC 来实现小区电动汽车群有序充电的控制方法。在交通工程实践中,一般以 15 min 的交通流量为基础进行划分,基于此将一天划分96个控制时间段,小区第 i(i = 1,2,…,96)个时段内基础负荷为 Pi,单台电动汽车功率为 p0 。 考虑到电动汽车SOC 获取不到的情况,即电动汽车所需的充电时间无法准确得到,采用确定分析法得到单辆电动汽车的充电持续时间 T0 ,通过寻找充电过程中总负荷最低点所在的时段 Tminj,采用倒序递推原则选取电动汽车的充电开始时段(指该时段的开始时刻),尽可能在低谷时段给电动汽车充电。

4.1 寻找总负荷最低点时段

第 i 个时间段电网总负荷 Psumi为该时间段参与充电的 m 台电动汽车负荷与基础负荷 Pi的叠加,即

每一辆电动汽车安排充电后,重新计算 96 时段电网总负荷,找到总负荷的最低点所在的时段 Tminj, 为下一辆电动汽车安排充电时间。 第 m 辆电动汽车安排充电时间后,电网总负荷的最小值表示为

4.2 两种控制策略比较

寻找到电网总负荷最低点所在时间段后,本文的策略方法没有安排电动汽车在该时段直接进行充 电,而是采用倒序递推的原则,重新选择充电时间段。

当前我国居民小区 17 时至次日 6 时用电分时电价划分如表 1 所示。 其中,Tf - b 、Tp - b和 Tg - b分别为峰时段、平时段和谷时段的开始时刻;Tf - o、Tp - o和Tg - o分别为峰时段、平时段和谷时段的结束时刻。

总负荷最低时段充电,总负荷最低时段充电时序如图 5 所示。 总负荷最低时段充电是指,新的电动汽车接入时,直接安排 EV 在上一辆电动汽车负荷计入电网后总负荷最低点所在的时段 Tminj进行充电,充电持续时间 T0 。 若谷时段可用充电时间大于 T0 ,则 Tminj为充电开始时段(如图 5(a)所示);若谷时段可用充电时间小于 T0 ,那么距离谷时段结束T0前那一时段是充电开始时段。

倒序递推时段充电,倒序递推时段充电是指,新的电动汽车接入时,没有直接安排其在 Tminj进 行充电,而是采用倒序递推原则安排充电时间。 若谷时段可用充电时间大于 T0 ,且 Tminj与谷时段开始时刻 Tg - b的时间差 Δt 大于 T0 / 2,则充电开始时段为 Tminj向前平移 T0 / 2 时长(如图 6(a)所示);若谷时段可用充电时间大于 T0 ,且 Tminj与谷时段开始时刻 Tg - b的时间差 Δt 小于T0 / 2,则充电开始时段为谷时段开始时段 Tg - b ;若谷时段可用充电时间小于T0 ,那么距离谷时段结束 T0前那一时段是充电开始时段。 倒序递推时段充电如图 6 所示。

4. 3 有序充电控制流程

小区内电动汽车群有序充电控制流程如图 7 所示。 在调度平台获取当前电网负荷信息后,根据得到的负荷最低点时段,制定电动汽车的充电时段。将安排好的电动汽车负荷与安排前的总负荷叠加, 寻找新的电网总负荷最低点时段,安排下一辆车的充电时段。

5、算例分析

5.1 仿真参数设置

为验证本文方法的有效性,以某小区为例进行仿真 验 证。 小 区 ( 150 套 住 房, 平 均 每 套 住 房100 m 2 )总负荷包括居民日常基础负荷和电动汽车充电负荷。 配电变压器容量为 630 kVA,电动汽车采用交流慢充充电方式,充电功率为 3. 6 kW,充电效率为 0. 92。 小区基础负荷最大值占变压器容量的 80% 。

基于概率密度分布,利用蒙特卡洛抽样模拟电动汽车接入电网时间。 默认所有车辆在早上 6:00 前结束充电。 根据 2009 年 NHTS 数据,结合我国私家车行驶特点可知,90% 左右的用户日行驶里程在100 公里以内,采用确定分析法计算电动汽车的充电持续时 间 T0 。 根 据 公 式 ( 3 ), 取 S = 100 km,W100 = 13. 3 kW·h / km ,PC = 3. 3 kW,得到 T0 = 4. 03 h。

经过 4 小时的持续充电,90% 左右的私家车能充至满电状态。 假设日行驶里程 100 公里以上的车辆不参与调度过程。 可见,对于参与有序充电控制过程的用户,T0 = 4 基本能满足他们的充电需求。电动汽车商家从电网购电的分时电价及商家收取的充电分时电价时段划分如表 2 所示。

5.2 仿真结果

通过蒙特卡洛法分别模拟 20 ~ 100 辆电动汽车在 17:00 ~ 6:00 的充电情况,得到不同数量的电动汽车在无序充电、总负荷最低时段充电和倒序递推时段充电 3 种充电模式下的电网负荷曲线(如图 8所示)。 表 3 是以 100 辆电动汽车的充电数据为例,从充电经济性、峰谷差率等方面对上述 3 种充电模式进行对比。

1)无序充电。无序充电模式下,大量的电动汽车集中在傍晚充电,与小区基础负荷高峰重叠,出现峰上加峰的情况。 本例中,100 辆电动汽车进行无序充电会超出变压器最大负载限制,威胁到电网的安全运行。

2)总负荷最低时段充电。 通过寻找总负荷最低点所在的时段直接进行充电,其负荷曲线如图8(b)所示。 可以看出:电动汽车基本被安排到电价最低的谷时段进行充电,且在 2:00 时开始出现新的负荷尖峰,随着接入电动汽车数量的增多,新负荷尖峰甚至会超过基础负荷的峰值。

3)倒序递推时段充电。 电动汽车在倒序递推时段充电所得的负荷曲线如图 8(c)所示。 可以看出:该模式下电动汽车基本全部被安排到电价最低的谷时段进行充电,且电动汽车接入后可以使低谷时段变得平坦,没有明显的新负荷尖峰出现。

从表 3 可以看出,无序充电模式下最大总负荷达到变压器容量的 1. 2 倍,采用倒序递推时段充电模式时电网总负荷峰谷差率最低,仅为总负荷最低时段充电模式时的一半;经济效益方面,与无序充电模式相比,两种有序充电模式下用户平均充电费用降低了 36. 7% ,运营商每天的利润增加了 2. 8% 。可见,倒序递推时段充电模式能够实现用户、运营商和电网公司的多赢。

6、解决方案

图1平台结构图

充电运营管理平台基于物联网和大数据技术，可实现对充电桩的监控、调度和管理，用户可预约充电，平台能监控充电桩参数并处理故障，控制充电功率，避免对电网造成过大负荷，提高充电桩利用率和充电效率，提升用户体验和服务质量。

7、安科瑞充电桩云平台具体的功能

平台除了对充电桩的监控外，还对充电站的光伏发电系统、储能系统以及供电系统进行集中监控和统一协调管理，提高充电站的运行可靠性，降低运营成本，平台系统架构如图3所示。

图2充电桩运营管理平台系统架构

大屏显示：展示充电站设备统计、使用率排行、运营统计图表、节碳量统计等数据。

图3大屏展示界面

站点监控：显示设备实时状态、设备列表、设备日志、设备状态统计等功能。

图4站点监控界面

设备监控：显示设备实时信息、配套设备状态、设备实时曲线、关联订单信息、充电功率曲线等。

图5设备监控界面

运营趋势统计：显示运营信息查询、站点对比曲线、日月年报表、站点对比列表等功能。

图6运营趋势界面

收益查询：提供收益汇总、实际收益报表、收益变化曲线、支付方式占比等功能。

图7收益查询界面

故障分析：提供故障汇总、故障状态饼图、故障趋势分析、故障类型饼图等功能。

图8故障分析界面

订单记录：提供实时/历史订单查询、订单终止、订单详情、订单导出、运营商应收信息、充电明细、交易流水查询、充值余额明细等功能。

图9订单查询界面

8、产品选型

安科瑞提供多种类型充电桩，包括慢充和快充、便携式、壁挂式、落地式等，涵盖不同功率型号，如智能 7kW/21kW 交流充电桩、30kW 直流充电桩及更高功率直流一体式充电桩，满足新能源汽车市场需求。这些充电桩具备智能监测、计量、云平台连接、远程升级、多种保护功能以及适配国标充电接口等特点，详细介绍了各型号充电桩的技术参数，为用户选择合适的充电桩提供参考。

产品图	名称	技术参数

	AEV200-AC007D	额定功率：7kW 输出电压：AV220V 充电枪：单枪 充电操作：扫码/刷卡 防护等级：IP65 通讯方式：4G、Wifi 安装方式：立柱式/壁挂式

	AEV210-AC007D	额定功率：7kW 输出电压：AV220V 充电枪：单枪 人机交互：3.5寸显示屏 充电操作：扫码/刷卡 防护等级：IP54 通讯方式：4G、Wifi 安装方式：立柱式/壁挂式

	AEV300-AC021D	额定功率：21kW 输出电压：AV220V 充电枪：单枪 人机交互：3.5寸显示屏 充电操作：扫码/刷卡 防护等级：IP54 通讯方式：4G、Wifi 安装方式：立柱式/壁挂式

	AEV200-DC030D	额定功率：30kW 输出电压：DC200V-750V 充电枪：单枪 人机交互：7寸触摸屏 充电操作：扫码/刷卡 防护等级：IP54 通讯方式：以太网、4G（二选一）

	AEV200-DC060D/ AEV200-DC080D	额定功率：60kW/80kW 输出电压：DC200V-1000V 充电枪：单枪 人机交互：7寸触摸屏 充电操作：扫码/刷卡 防护等级：IP54 通讯方式：以太网、4G（二选一）

	AEV200-DC060S/ AEV200-DC080S	额定功率：60kW/80kW 输出电压：DC200V-1000V 充电枪：双枪 人机交互：7寸触摸屏 充电操作：扫码/刷卡 防护等级：IP54 通讯方式：以太网、4G（二选一）

	AEV200-DC120S/ AEV200-DC180S	额定功率：120kW/180kW 输出电压：DC200V-1000V 充电枪：双枪 人机交互：7寸触摸屏 充电操作：扫码/刷卡 防护等级：IP54 通讯方式：以太网、4G（二选一）

	AEV200-DC240M4/ AEV200-DC480M8/ AEV200-DC720M12	额定功率：240kW/480kW/720kw 输出电压：DC150V-1000V 充电终端支持:常规单双枪终端 防护等级:IP54

	AEV200-DC250AD	最大输出：250A 1个充电接口； 支持扫码、刷卡支付； 4G、以太网通讯（二选一）

AEV200-DC250AS

最大输出：250A 2个充电接口； 支持扫码、刷卡支付； 4G、以太网通讯（二选一）

9、现场图片

10. 结论
本文提出的基于分时电价的倒序递推时段充电方法，在不采集电动汽车 SOC 的情况下，综合考虑用户充电需求和电网负荷水平。通过仿真分析得出，与无序充电相比，两种有序充电模式均能降低总负荷峰谷差率，其中倒序递推时段充电模式谷时段更平坦，填谷效果更佳，且不会产生新负荷尖峰。在经济效益方面，有序充电模式降低了用户充电费用，提高了运营商收益，同时提高了配电变压器的使用效率和寿命，实现了多方共赢，为小区电动汽车群的有序充电提供了可行的解决方案，具有重要的实际应用价值和推广意义。

审核编辑 黄宇