基于電網負荷信息的電動汽車充放電控制裝置研制

青志明，張宏艷，劉化龍，胡軍毅，傅 望，周士圍，周 飛

(1.國網重慶市電力公司技能培訓中心， 重慶 400053；2.國網重慶市電力公司南岸供電分公司， 重慶 401336；3.國網重慶市電力公司營銷部， 重慶 400010)

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基于電網負荷信息的電動汽車充放電控制裝置研制

青志明1，張宏艷1，劉化龍2，胡軍毅3，傅 望1，周士圍1，周 飛1

(1.國網重慶市電力公司技能培訓中心， 重慶 400053；2.國網重慶市電力公司南岸供電分公司， 重慶 401336；3.國網重慶市電力公司營銷部， 重慶 400010)

針對居民自有充電樁建設困難及電動汽車無序充電加劇電網峰谷差這2個問題，研制了一種家用電動汽車充放電控制裝置。通過控制中心對用電信息采集系統(tǒng)中獲取的的用戶負荷信息、用戶所在臺區(qū)負荷信息以及電動汽車電池狀態(tài)信息進行分析，實現(xiàn)有序用電邏輯控制。通過有線或無線公網給該裝置下達控制命令，使得電動汽車能在用電低谷時進行充電，而在用電高峰時盡量不充電，或者逆變輸出家庭負荷用電。Matlab仿真及實際應用證明:該裝置能夠有效調節(jié)配網用電負荷峰谷差。

電動汽車；控制策略；充放電裝置；有序用電；移峰填谷

隨著全球能源危機和環(huán)境問題的不斷突出與惡化，各國都在大力推動電動汽車產業(yè)的發(fā)展。電動汽車作為新能源汽車的代表，相比于石化燃料作為動力的傳統(tǒng)汽車，在環(huán)保、節(jié)能等方面占據(jù)明顯優(yōu)勢。為此，我國也制定了一系列政策來大力推動電動汽車產業(yè)的發(fā)展。近年來我國電動汽車行業(yè)發(fā)展迅速，據(jù)數(shù)據(jù)預測，到2020年電動汽車累計產銷量將超過500萬輛[1]。

我國《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)規(guī)劃( 2011—2020 )》強調大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車，從而實現(xiàn)我國汽車工業(yè)跨越式發(fā)展。插入式混合動力電動汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)和純電動汽車(battery electric vehicle，BEV)是新能源汽車發(fā)展的重要方向。

然而，電動汽車的推廣與大規(guī)模的接入電網充電將帶來一系列的問題。其中，充電樁建設不足與無序充電為兩大主要問題。

目前，電動車充電不便與居民自有充電樁建設困難等問題很突出。在一些居民小區(qū)，由于供電容量有限，無多余的容量供電動汽車充電，這成為了制約居民自有充電樁建設的主要因素。這一問題如果不能及時解決，必將嚴重影響到電動汽車的推廣與應用。

電動汽車大規(guī)模接入電網進行無序充電，將加劇電網負荷的峰谷差[2-3]，可能造成電網的電能質量下降，并給電網的安全、穩(wěn)定與經濟運行帶來極大的挑戰(zhàn)[4-7]。

針對上述問題，國內外學者進行了一系列研究。文獻[8]采用網格選取法，在保證變壓器不過載運行的同時，靈活規(guī)劃電動汽車的充電時段，但是該方法沒有考慮到居民的充電需求。文獻[9]提出一種在不增加小區(qū)已有配電容量的前提下，考慮私家電動汽車出行規(guī)律和普通居民小區(qū)生活用電規(guī)律的充電策略，基于峰谷分時電價，最大限度利用谷時段進行充電。文獻[10]綜合考慮用戶響應和新能源發(fā)電協(xié)同兩個方面，通過制定合理的谷時段電價來引導用戶的充電行為。但這兩個方法的調控效果有限。文獻[11-12]在綜合考慮用戶的充電需求和電網負荷水平的基礎上，以削峰填谷為目標，并考慮峰谷分時電價，由用戶自主響應，控制電動汽車有序充電。

為解決充電樁建設不足與無序充電兩大主要問題，本文研制了一種家用電動汽車充放電控制裝置。該裝置基于用電信息采集系統(tǒng)及對電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析，對電動汽車電池進行有序充電，并在用電高峰時可以離網逆變輸出電能供家庭負荷使用，以降低電網負擔。該裝置可解決供電容量不足、居民自有充電樁建設困難的問題。同時，基于用電負荷信息的有序充放電控制能有效降低電網負荷的峰谷差，確保電網的安全、穩(wěn)定與經濟運行。

1 電動汽車充電設備與充放電特性

1.1 設備類型及特性

電動汽車的充電設備是維持電動汽車正常運轉的重要條件，也是電動汽車產業(yè)鏈中重要的基礎設施。電動汽車充電設備包括充電站及其附屬設施，如充電機、充電監(jiān)護系統(tǒng)、配電室以及安全防護設施等。

根據(jù)各變換環(huán)節(jié)的不同，現(xiàn)階段電動汽車充電機可分為：① 不控整流+斬波器；② 不控整流+DC/DC變換器；③ PWM整流+DC/DC變換器。 不控整流+斬波器屬早期產品，具有直流側電壓紋波小、動態(tài)性能好、 工作隔離等優(yōu)點， 但體積大、諧波電流嚴重、效率低，不適用于公共電網。不控整流+DC/DC變換器具有直流側電壓紋波小、 動態(tài)性能好、高頻隔離、體積小等優(yōu)點，但電網側電流諧波大， 變換效率低。PWM 整流+DC/DC變換器型充電機可將諧波電流限制在很低的水平，而不需加裝濾波裝置，功率因數(shù)高，變換效率高，對公共電網電能質量幾乎不構成威脅，但卻受限于制造成本、容量等很難推廣。

1.2 充放電特性

1.2.1 充電特性

電動汽車充電特性包含充電電流、電壓降落及充電時間等方面。電動汽車電池充電模式有常規(guī)充電、快速充電和機械充電3種。常規(guī)充電為交流充電，利用電力低谷時段進行充電，包括恒流充電、恒壓充電和階段充電3種.常規(guī)充電效率較高，但充電時間過長?？焖俪潆姵潆姇r間短，可以大容量充電， 滿足電動汽車緊急充電的需求，但充電效率較低，充電電流較大，充電時會對配電網產生一定的沖擊，同時大電流充電對電池壽命有影響。機械充電為直接更換電動汽車的電池組，對更換下來的蓄電池可以利用低谷時段進行充電。

1.2.2 放電特性

電動汽車在滿足行駛需求的前提下將多余電能回饋給電網。放電特性隨電池類型的不同而不同。無論是大電流放電還是小電流放電都會對鉛酸蓄電池造成損害。大電流放電易造成正活性物質脫落，而小電流放電容易造成蓄電池的放電終止電壓過高，從而造成過放電， 因此應控制蓄電池的放電電流在一定的范圍內。鎳氫電池具有較高的放電效率， 在放電起始階段其端電壓下降緩慢，在電池電量接近放盡時端電壓才開始大幅度地下降，在放電過程中溫度對電池的影響不大。鋰離子動力電池的工作電壓變化與放電深度存在著密切關系，其在恒流放電時，在放電初始階段電池工作電壓下降迅速，進入線形下降區(qū)，在放電接近終止時，電池工作電壓開始急劇下降。

2 充放電控制裝置有序用電的控制原理

家用電動汽車充放電控制裝置的控制系統(tǒng)主要分為3層：控制中心、通訊層及現(xiàn)場終端，其控制架構如圖1所示。

圖1 電動汽車充放電控制架構

控制中心MCU的主要功能是接受來自于通訊層的電網信息和電池狀態(tài)信息，并且通過邏輯判斷輸出控制命令，再通過通訊層將控制命令下發(fā)至終端。

通訊層由通訊通道構成，主要有2個通道：一是國家電網公司用電信息采集系統(tǒng)所使用的內部網絡，該部分數(shù)據(jù)的獲取是單向的，只可以從用電信息采集系統(tǒng)獲取用戶用電負荷信息及用戶所在臺區(qū)用電負荷信息；二是外部互聯(lián)網，遠程用Internet光纖網，本地用Wi-Fi無線網絡。通訊通道通道用于采集電動汽車電池狀態(tài)信息，并下發(fā)控制命令，該通道是雙向通訊。

客戶終端為硬件部分。通過客戶終端將電網、負荷、電動汽車電池這3個部分連接起來，通過該終端來實現(xiàn)電動汽車電池的充電、放電、停止工作3種狀態(tài)。

3 控制中心

控制中心主要是數(shù)據(jù)管理、分析與命令下發(fā)的軟件部分，有3個方面的功能：

1) 電網負荷與電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的獲取。通過通訊層獲取來自用電信息采集系統(tǒng)的負荷信息和電動汽車的電池狀態(tài)信息。

2) 有序用電邏輯控制。通過對采集的用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析，判斷其處于尖、峰、平谷的哪個時段，結合電動汽車電池狀態(tài)信息，判斷電動汽車電池此時該充電、放電或者停止工作。

3) 控制命令下發(fā)。通過有序用電邏輯進行分析后，將得到的控制命令通過Wi-Fi下發(fā)給現(xiàn)場終端，以實現(xiàn)電動汽車電池充電、放電或者停止工作的狀態(tài)。

3.1 控制邏輯分析

3.1.1 臺區(qū)嚴重缺電(負荷尖時段)

1) 找到該臺區(qū)“正在充電”電池，檢查其電量，如果電量大于80%，對其發(fā)指令：建議關閉充電并切換至為家庭負荷供電。每15 min檢測一次，直到電網負荷由尖峰轉降時發(fā)出指令：建議停止供給家庭負荷。

2) 找到該臺區(qū)“正在充電”電池，檢查其電量，如果電量小于80%，對其發(fā)指令：建議關閉充電。

3.1.2 臺區(qū)輕微缺電(負荷峰時段)

1) 找到該臺區(qū)“正在充電”電池，檢查其電量，如果電量大于80%，對其發(fā)指令：建議關閉充電。

2) 30 min以后，若電網負荷繼續(xù)增加，找到該臺區(qū)“正在充電”的電量大于50%的電池，對其發(fā)指令：建議關閉充電。

3.1.3 臺區(qū)用電量少(負荷平時段)：

1) 找到該臺區(qū)“正在用電”電池，對其發(fā)指令：建議停止供給家庭負荷。

2) 10 min后，找到該臺區(qū)“停用”電池，檢查其電量，如果電量小于50%，對其發(fā)指令：建議充電。

3.1.4 臺區(qū)電量大量富裕(負荷谷時段)：

找到該臺區(qū)“全部”電池，檢查其電量，如果電量小于100%，對其發(fā)指令：建議充電。

臺區(qū)內所有電池的充放電順序是按電量的多少來進行時間排序的。

3.2 控制邏輯數(shù)據(jù)編碼

通過對控制中心的控制邏輯分析進行數(shù)據(jù)的邏輯編碼，如表1所示,其中b為電池電量。

表1 終端控制邏輯編碼

電網負荷狀態(tài)的尖、峰、平、谷時段信息是通過用電信息采集系統(tǒng)動態(tài)獲取的，也可手動輸入。user1_gird_state表示用戶1所在區(qū)域的電網負荷狀態(tài)信息，其他的以此類推。電池電量信息以百分比的形式表示，分為5個區(qū)間，每個區(qū)間通過與電網負荷狀態(tài)信息進行比較，得出終端控制邏輯.終端控制邏輯代碼解釋如下：

電池充電代號：1 In_OFF：0-電池充電關，In_ON：1-電池充電開。

電池放電代號：2 Out_OFF：0-電池放電關，Out_ON：1-電池充電開。

電網供電代號：3 Gird_OFF：0-電網供電關，Gird_ON：1-電網供電開。

供電時序按照前后排列，其中第1個數(shù)字是用戶代號，后面每2位表示1個開關的狀態(tài)，共有3個開關。如1301021代碼解釋如下：用戶代號為1；第2、3位的30表示電網供電關；第4、5位的10代表電池充電關；第6、7位的21代表電池放電開。

4 通訊層

通訊層用于接收電網和電池狀態(tài)信息，并下發(fā)控制命令，分別有內網和外網2個渠道，其通訊通道構建如圖2所示。該部分主要有兩個功能：

1) 接收來自兩個通道的3類數(shù)據(jù)并上傳至控制中心MCU：① 通過國網內部通道用電信息采集數(shù)據(jù)庫獲取單個用戶用電負荷信息、用戶所在整個臺區(qū)用電負荷信息；② 通過互聯(lián)網(Internet+Wi-Fi)獲取電動汽車電池狀態(tài)信息。

2) 將控制中心MCU處理后的控制命令下發(fā)至終端，控制充電、逆變輸出和電網直接供電開關的開合狀態(tài)。

圖2 通訊通道構建

4.1 用電信息采集系統(tǒng)：內網數(shù)據(jù)采集

通過用戶電能表獲取用戶用電負荷信息、臺區(qū)關口表獲取臺區(qū)用電負荷信息，上傳至用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，再通過數(shù)據(jù)庫將這些數(shù)據(jù)上傳至控制中心。這些數(shù)據(jù)傳輸是通過國家電網公司內部網絡完成，并且數(shù)據(jù)傳輸是單向的。表2為用電信息采集系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)的分析結果。

表2 用戶所在臺區(qū)用電負荷信息

4.2 電池狀態(tài)信息：外網數(shù)據(jù)采集

電動汽車電池狀態(tài)信息的采集一般是通過Internet完成的。由于目前的Wi-Fi普及率極高，且不用重新布線即可完成連接，因此本地采用了Wi-Fi進行通訊。充放電裝置有自動對接控制中心和手動對接控制中心2種模式。當處于手動對接時，可根據(jù)用戶需求進行充放電控制；當處于自動對接模式時，充放電裝置需要與控制中心對接成功后才可控制電池充放電。表3為對接成功后控制中心通過互聯(lián)網(Internet)讀取的數(shù)據(jù)。

表3 電動汽車電池狀態(tài)信息采集

5 客戶終端

客戶終端主要由終端、電動汽車電池、電網及負荷組成，其具體連接如圖3所示，其原理如圖4所示。終端通過接收控制中心下發(fā)的控制命令來控制電網儲能整流開關、逆變輸出開關以及直接供電輸出開關的開合。

圖3 客戶終端連接

圖4 客戶終端控制原理框圖

客戶終端連接電網、電動汽車電池及家用負荷。其通過Wi-Fi接收來自控制中心的命令控制3個開關的開合狀態(tài)(3個開關的開合相互閉鎖)，工作過程如下：

1) 當K1閉合時(K2、K3斷開)，即電網給電動汽車電池充電的開關閉合，此時電網通過AC-in輸入，通過客戶終端的整流模塊給電動汽車充電，此時電動汽車電池處于充電狀態(tài)；當K1、K3閉合時(K2斷開)，此時電網通過AC-in輸入，通過客戶終端的整流模塊給電動汽車充電。同時，K3閉合，給小負荷供電；否則K1斷開，電動汽車不充電。

2) 當K2閉合時(K1、K3斷開)，即電動汽車電池逆變輸出開關閉合，此時電動汽車電池通過客戶終端逆變模塊，由AC-out輸出工頻交流電，此時電動汽車處于逆變輸出狀態(tài)，可以供家庭負荷使用，也可以供其他需要充電的電動汽車電池充電；否則，K2斷開，電動汽車電池不逆變輸出。

3) 當K3閉合時(K1、K2斷開)，即電網直接輸出開關閉合，此時家庭負荷由電網供電，不從電動汽車電池取電，處于正常用電狀態(tài)。當K1、K3閉合時(K2斷開)，此時電網通過AC-in輸入，通過客戶終端的整流模塊給電動汽車充電。同時，K3閉合，給小負荷供電；否則，K3斷開，電網不直接給負荷供電，應由電動汽車電池供電。

6 算例分析

本文所研制的家用電動汽車充放控制電裝置已試制完成，圖5為實物。以下采用仿真分析及實際應用2個角度分析其效果。

圖5 家用電動汽車充放控制電裝置實物

6.1 仿真分析

在Matlab中搭建家用電動汽車充放控制電裝置的模型，采用重慶市楊家坪某小區(qū)某日的實際負荷曲線進行仿真，配置電動汽車滲透率為20%。仿真結果如圖6與圖7所示。

從圖6可以看出：當采用本文所提出的控制邏輯時，電動汽車負荷能夠在用電高峰時不充電甚至放電，而在用電低谷時進行充電。圖7是該小區(qū)的負荷曲線，通過疊加這20%的電動汽車電池負荷后，有序用電能有效削峰填谷，提高電能利用率。

圖6 電動汽車負荷曲線

圖7 小區(qū)負荷曲線

6.2 實際應用分析

實際上該小區(qū)的電動汽車滲透率僅為8.7%，給每個電動汽車用戶配置該充放電裝置，實際對比天氣、溫度等環(huán)境相似的相鄰2天的該小區(qū)負荷曲線，其中一天中用戶使用了該裝置，對比曲線如圖8所示。

圖8 有序和無序用電情況小區(qū)用電負荷曲線

從圖8可以看出：使用該家用電動汽車充放控制電裝置后，實現(xiàn)了小區(qū)電動汽車電池負荷的有序用電，能夠實現(xiàn)小區(qū)負荷削峰填谷、平抑負荷曲線波動的作用，有效避免了電動汽車電池無序用電時與小區(qū)常規(guī)負荷的峰段相互疊加。

7 結束語

本文介紹了一種家用電動汽車充放控制電裝置，通過該裝置的使用，可以實現(xiàn)電動汽車電池的有序充放電，達到用電負荷削峰填谷的作用。

該裝置可以實現(xiàn)在用電高峰時電動汽車電池負荷不充電甚至逆變輸出供負荷使用，而在用電低谷時給電動汽車電池充電，從而實現(xiàn)電動汽車電池有序用電，達到居民小區(qū)負荷移峰填谷的作用。

該裝置解決了居民自有充電樁建設困難的問題。該裝置簡單易實施，不需要重新布線建設充電樁。它可以通過Wi-Fi形式進行通訊，并且充當了充電樁的角色，是一種能與電網進行友好互動的新型充電樁。

未來隨著電動汽車的普及，其用電特性及充電樁建設問題必給居民小區(qū)的供電帶來壓力。采用該裝置后，既可以解決居民自有充電樁建設問題，也可以解決其有序用電問題，實現(xiàn)居民小區(qū)用電負荷移峰填谷，保證電網安全、穩(wěn)定及經濟運行。

[1] 中華人民共和國國務院.節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2022)[EB/OL].[2014-06-28].http://www.gov.cn/zwgk/2012-07/09/content_2179032.html.

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(責任編輯 劉 舸)

Researches on the Charging and Discharging Controlling Device of Electric Vehicles Based on the Grid Load Information

QING Zhi-ming1, ZHANG Hong-yan1, LIU Hua-long2, HU Jun-yi3, FU Wang1, ZHOU Shi-wei1, ZHOU Fei1

(1.Training Center of Skills, Chongqing Electric Power Company, State Grid of China, Jiulongpo District, Chongqing 400053, China; 2. Nan’an District Power Supply Branch Company, Chongqing Electric Power Company, State Grid of China, Chongqing 401336, China; 3.Marketing Department, Chongqing Electric Power Company, State Grid of China, Chongqing 400010, China)

In allusion to the construction difficulties of the residents’ own charging pole and the problem of the power grid peak-valley difference intensified by the disorder charging of the electric vehicles, a kind of home electric vehicle charging and discharging controlling device is developed in the paper. The users’ load information acquired by the electricity information collection system, the users’ transformer load information, as well as the battery status information of the electric vehicles are analyzed through the control center of the device, and then the logic control of the order electricity using is done. Controlling orders are transmitted by the Internet or Wi-Fi, thus the electric vehicles can be recharged when the electricity using is trough, and try not to charge or output the electricity for when the electricity using peak through inverting. Matlab simulation and practical application demonstrate that this device can adjust the peak-valley load difference of the distribution network effectively.

electric vehicle; control strategy; charge-discharge device; orderly power utility; peak-valley difference

2016-12-22 基金項目：國家電網科技項目(20KJ040301D2006520160000)

青志明(1961—)，男，碩士，高級雙師型教師，主要從事電力負荷研究，E-mail:1397440776@qq.com。

青志明，張宏艷，劉化龍，等.基于電網負荷信息的電動汽車充放電控制裝置研制[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(5):14-21.

format：QING Zhi-ming, ZHANG Hong-yan, LIU Hua-long,et al.Researches on the Charging and Discharging Controlling Device of Electric Vehicles Based on the Grid Load Information[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):14-21.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.003

TM910.6;U469.72

A

1674-8425(2017)05-0014-08