易允恒 安科瑞電氣股份有限公司

摘要：本發(fā)明提供了一種電動汽車充電設施有序充放電調(diào)度方法，該方法由電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和充電設施進行協(xié)商共同確定電動汽車進行有序放電過程中的調(diào)峰功率，由電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)各充電設施上報的實時狀態(tài)進行實時分配，然后充電設施對于位于設施內(nèi)的電動汽車進行有序的、智能的調(diào)度管理；充電設施的有序充電策略根據(jù)電網(wǎng)的實時負荷進行調(diào)整，在安全條件下，使充電設施的功率最優(yōu)，保持充電設施的充電功率在電網(wǎng)給充電設施分配的充電功率附近，同時又不超出設備的安全條件。實現(xiàn)電動汽車充電設施和電網(wǎng)之間電能受控、有序地雙向交換，實現(xiàn)充電設施管理系統(tǒng)的開放性及其與電網(wǎng)的互動操作性。

關鍵詞：電動汽車；有序充放電；擴展卡爾曼濾波；電網(wǎng)調(diào)度；荷電狀態(tài)

0引言

我電網(wǎng)的負荷具有嚴重的不對稱性，由于這個不對稱的原因?qū)е?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/4675/" target="_blank">電力系統(tǒng)出現(xiàn)峰谷差，而且這個差值日益增大。為了負荷的正常運行，電力系統(tǒng)的裝機容量必須滿足最大負荷的需求，這造成電力系統(tǒng)中的裝機容量很大一部分只能在峰值負荷這一段集中的時間內(nèi)得到利用，而其他的時間則處于備用狀態(tài)，造成設備的冗余，效率低下。另外，發(fā)電、輸電和用電必須同時進行，這就意味著發(fā)電量和用電量必須完美地匹配，并且需要有足夠的能力來維持連續(xù)地調(diào)節(jié)，以保持頻率的穩(wěn)定。

1社區(qū)充電設施配置困境分析

1.1電網(wǎng)負荷波動與容量限制

社區(qū)配電系統(tǒng)設計容量較低，電動汽車集群充電易引發(fā)局部過載。研究表明，充電負荷高峰時段（如晚8-10點）功率需求可達低谷時段的3倍以上，傳統(tǒng)固定功率分配模式難以適配動態(tài)負荷，導致變壓器超載風險增加。

1.2電池狀態(tài)監(jiān)測精度不足

現(xiàn)有充電樁缺乏高精度SOC估計能力，用戶充電行為不確定性高（如充電時長1-6小時占比73.18%），無序充電加劇負荷峰谷差。低精度SOC估計還會導致充電效率下降，延長車輛占用時間，進一步降低設施利用率。

1.3動態(tài)調(diào)度策略缺失

社區(qū)充電樁多采用“先到先充”策略，缺乏與電網(wǎng)的實時交互能力。48.78%的用戶充電彈性系數(shù)超過70%，但現(xiàn)有系統(tǒng)無法有效利用這一潛力，導致充電負荷難以轉(zhuǎn)移至低谷時段。

2電動汽車市場現(xiàn)狀

電動汽車在能源方面優(yōu)勢的顯現(xiàn)，目前市場上電動汽車的數(shù)量增多，電動汽車在充電的時候是一種用電負荷，需要從電網(wǎng)中吸收能量；在向電網(wǎng)放電時又可以看作分布式能源或儲能設備。電動汽車在智能電網(wǎng)中扮演一個重要的角色，能應用到電力系統(tǒng)的許多重要的領域，典型的、有應用前景的功能應用就是參與電網(wǎng)的配電調(diào)度中來，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高能源的利用率，提高電力系統(tǒng)效率，減少發(fā)電熱備用，減少不必要的投資，同時又可以給用戶帶來可觀的收入。同時，還可以將電動汽車作為新能源并網(wǎng)所造成的負面效應的平抑設備和各類應急電源等領域。因此，如何充分利用電動汽車充電設施作為分布式儲能設施，實現(xiàn)電動汽車充電設施和電網(wǎng)之間電能受控、有序地雙向交換，實現(xiàn)充電設施管理系統(tǒng)的開放性及其與電網(wǎng)的互動操作性，是目前迫切需要解決的問題。 3電動汽車充電設施有序充放電調(diào)度方法

步驟1、采用擴展卡爾曼濾波算法對電池荷電狀態(tài)值進行估計；

電池的狀態(tài)方程為：

對式(7)進行線性化處理，分別得到狀態(tài)方法的系數(shù)矩陣A、B、C、D：

Dk=-R1；

卡爾曼算法迭代方程為：

式(8)中，

為狀態(tài)量先驗估計，Ak-1為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，Bk-1為輸入激勵矩陣，Ck與Dk為觀測矩陣；Xk為系統(tǒng)k時刻的狀態(tài)向量；Yk為系統(tǒng)觀測向量；Uk為控制向量；Wk為系統(tǒng)噪聲，

Vk為觀測噪聲，

Pk為狀態(tài)估計誤差的方差矩陣；Pk/k-1為先驗估計方差矩陣；Lk為濾波增益矩陣。

根據(jù)電池的狀態(tài)方程和卡爾曼算法迭代方程，得出卡爾曼濾波增益計算公式為：

最優(yōu)狀態(tài)估計的計算公式為：

卡爾曼均方誤差的計算公式為：

Pk＝[I-KgCk]Pk/k-1(11)

步驟2、對電動汽車充電設施進行有序充放電調(diào)度；

步驟2.1、采用以電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)分配的需求功率PD作為充電設施有序放電的基準，用電動汽車的荷電狀態(tài)作為判斷依據(jù)，采用基于荷電狀態(tài)的最優(yōu)功率有序放電策略，設置第一目標函數(shù)描述為：

式(12)中，PD表示電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)分配到充電設施的調(diào)度功率；Pi、Pj表示每一輛電動汽車合適的放電功率；N表示參與放電的電動汽車的數(shù)量；PD≤PE表示需求功率PD不能超過充電設施的總供電額定功率；iD≤iDMax表示充電設施總供電電流id不超過允許的最大供電電流；Pi≤PiMax表示電動汽車放電功率Pi不超過允許的最大放電功率；ii≤iiMax表示電動汽車放電電流不超過動力電池允許的最大放電電流；

表示充電設施內(nèi)的每一輛電動汽車的剩余電量向平均電量靠近，即與平均電量差值大的電動汽車優(yōu)先放電；socimin≤soci表示電動汽車動力電池的荷電狀態(tài)值不低于荷電狀態(tài)下限值；t1≤t≤t2表示有序放電策略執(zhí)行的時間段在規(guī)定的時間段內(nèi)。

步驟2.1.1、充電設施管理系統(tǒng)實時地根據(jù)充電設施內(nèi)電動汽車的狀態(tài)向電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)報告；

步驟2.1.2、在t1≤t≤t2某一時刻，電網(wǎng)出現(xiàn)峰值負荷，則電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)對峰值負荷進行實時分析和計算之后，根據(jù)充電設施最近上報的情況給充電設施管理系統(tǒng)發(fā)布需求功率PD；

步驟2.1.3、充電設施管理系統(tǒng)收到調(diào)度信息之后，判斷PD是否超過充電設施的額定功率PF，如果超過額定功率PF則以額定功率PF出力，如果在額定功率PF以下，則根據(jù)充電設施內(nèi)的電動汽車的狀況進
行功率分配計算，確定有序放電模式，然后確定參與有序放電的電動汽車；在放電過程中實時采集放電電流、電壓等信息，實時計算每輛電動汽車的放電功率，判斷放電電流和放電功率是否在規(guī)定范圍內(nèi)；有序放電過程中實時接收電動汽車上報的電池荷電狀態(tài)信息，實時監(jiān)測各電動汽車的荷電狀態(tài)，必要時做出相應調(diào)整；

審核編輯 黃宇其中，所述步驟2.1.3中的功率分配具體步驟如下：

(1)計算能夠滿足放電功率需要的電動汽車數(shù)量；

①將電動汽車按照荷電狀態(tài)的分段來進行分類，確定每類電動汽車的數(shù)量，并進行按類編號

②計算充電設施的荷電狀態(tài)平均值；

③記錄對荷電狀態(tài)值大于平均荷電狀態(tài)值的電動汽車的類別、數(shù)量；

④將電動汽車功率上限分為1/2、2/3、5/6三個分界點；

⑤計算第一類電動汽車以第④步中的3個功率點進行有序放電時能否滿足功率分配要求，如果不滿足要求，則執(zhí)行第⑥步；如果滿足要求則求出電動汽車數(shù)量，并跳到(2)執(zhí)行；

⑥計算加上與之相鄰的下一類電動汽車以第④步中的3個功率點進行有序放電時能否滿足要求，直到滿足要求，算出電動汽車數(shù)量；

(2)按照荷電狀態(tài)加權(quán)分配功率；

①求出所有參與有序放電過程的電動汽車類的荷電狀態(tài)值；

②按照式(13)在調(diào)度功率的基礎上按照每類荷電狀態(tài)值對每類電動汽車進行加權(quán)分配功率；

(3)實時計算參與有序放電的電動汽車的荷電狀態(tài)值；

(4)將計算得到的實時荷電狀態(tài)值與未參與的電動汽車荷電狀態(tài)值進行比較；

(5)根據(jù)第(4)步的比較結(jié)果來重新調(diào)整參與放電的電動汽車數(shù)量，若參與有序放電的電動汽車中有荷電狀態(tài)值小于或等于未參與的電動汽車的荷電狀態(tài)值，則將該類原本未參與放電的電動汽車納入到有序放電過程中來；若參與有序放電的電動汽車中所有荷電狀態(tài)值大于未參與的電動汽車的荷電狀態(tài)值，則轉(zhuǎn)到第(7)步執(zhí)行；

(6)執(zhí)行步驟(2)的第①步重新計算當前電動汽車類的荷電狀態(tài)值，并執(zhí)行步驟(2)的第②步計算調(diào)整數(shù)量后的各類電動汽車的功率Pi，并重新分配實時功率；

(7)跳到步驟(3)執(zhí)行。

步驟2.2、設置電網(wǎng)給充電設施分配的功率為PD，每一輛電動汽車的充電功率為Pi，則功率最優(yōu)表示為充電設施的額定功率與電動汽車群充電總功率差值最小，表示如下：

考慮的安全因素包括充電模式選擇、電動汽車充電電流限制、充電設施供電電流限制、電動汽車充電功率限制、充電設施功率限制、電動汽車荷電狀態(tài)值限制、充電時間限制，因此，設置第二目標函數(shù)描述如下：

式(15)中，PD≤PN表示電網(wǎng)給充電設施分配的充電功率不超過充電設施的額定功率；iS≤iSMax表示充電設施總供電電流小于或等于允許的最大供電電流；Pe≤PeMax表示電動汽車充電功率小于或等于允許的最大充電功率；ie≤ieMax表示電動汽車充電電流小于或等于允許的最大充電電流；socmin≤soc≤socmax表示電動汽車動力電池的不同充電模式對應的荷電狀態(tài)值不應該超過上限或下限；t1≤t≤t2表示有序充電策略執(zhí)行的時間段在規(guī)定的時間段內(nèi)；soc1≤soct2≤100表示到充電時間結(jié)束時刻電動汽車荷電狀態(tài)值應該達到不低于soc1的標準，同時不會過充電。

電網(wǎng)在負荷低谷時，會給充電設施分配實時的需求功率PD，充電設施收到分配功率指令后，開始以下流程對設施內(nèi)的電動汽車進行充電方案確定和充電功率分配。

步驟2.2.1、充電設施在接收到電網(wǎng)分配的需求功率PD后，將其與本充電設施的額定功率PE進行比較，如果電網(wǎng)分配的需求功率PD比充電設施額定功率PE小，則以電網(wǎng)分配的需求功率PD為充電基準功率，如果電網(wǎng)分配的需求功率PD大于充電設施額定功率PE，則以充電設施額定功率PE為充電功率基準；

步驟2.2.2、在確定基準功率之后，確定充電方案、分配充電功率，啟動有序充電過程。

步驟2.2.3、在有序充電過程需要實時測量充電電流和充電功率，并判斷充電電流和充電功率是否超出安全限制，實時獲取電動汽車的荷電狀態(tài)值，并計算當前的充電方案和充電功率分配是否合適，如果合適則繼續(xù)延續(xù)上一刻的方案，如果不合適則適當調(diào)整方案。

(1)統(tǒng)計充電設施內(nèi)當前的荷電狀態(tài)情況，找出荷電狀態(tài)值最小的一類電動汽車；

(2)計算當前時刻到規(guī)定的電網(wǎng)負荷谷值結(jié)束時刻的時長T，T是充電的最長時間；

(3)計算荷電狀態(tài)值小于0.9的電動汽車的數(shù)量；

(4)將基準功率按照式(16)進行加權(quán)分配，保證功率分配滿足的條件要求；

(5)以式(16)中得到的每類電動汽車的功率Pi進行恒功率充電，判斷是否超過每類電動汽車允許的充電功率最大值Pmax，判斷如下：

①若Pi，則以pi功率進行有序充電；<>

②若Pi>Pmax，則以Pmax功率進行有序充電；

(6)實時監(jiān)測充電設施內(nèi)電動汽車的荷電狀態(tài)，當每類電動汽車充電到荷電狀態(tài)達到90％，則將該類電動汽車轉(zhuǎn)為恒壓充電，并啟動一定數(shù)量的之前未參與充電的荷電狀態(tài)不小于90％的電動汽車開始恒壓充電，若有M輛電動汽車開始恒壓充電，則需要保證

的同時，滿足

(7)計算恒壓充電電流，并計算M輛電動汽車的恒壓功率

判斷充電電流是否超過電動汽車的電流最大值；

(8)執(zhí)行步驟(3)，按照

來重新分配功率；

(9)計算步驟(8)中的功率是否在規(guī)定功率Pmax范圍內(nèi)，如果不超過Pmax，則按實時計算得到的功率進行充電，如果超過Pmax，則按照Pmax進行充電；

(10)實時監(jiān)測動力電池的荷電狀態(tài)值，若有電動汽車的荷電狀態(tài)值達到100％則停止該類電動汽車充電。

4安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

4.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

4.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)語

所述電動汽車充電設施有序充放電調(diào)度方法由電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和充電設施進行協(xié)商共同確定電動汽車進行有序放電過程中的調(diào)峰功率，由電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)各充電設施上報的實時狀態(tài)進行實時分配，然后充電設施對于充電設施內(nèi)的電動汽車進行有序的、智能的調(diào)度管理。充電設施的有序充電策略根據(jù)電網(wǎng)的實時負荷進行調(diào)整， 在安全條件下，使充電設施的功率最優(yōu)，保持充電設施的充電功率在電網(wǎng)給充電設施分配的充電功率附近，同時又不超出設備的安全條件。實現(xiàn)電動汽車充電設施和電網(wǎng)之間電能受控、有序地雙向交換，實現(xiàn)充電設施管理系統(tǒng)的開放性及其與電網(wǎng)的互動操作性。