電動汽車有序充放電的控制與關(guān)鍵問題綜述

冷祥彪, 孫成龍, 袁太平, 彭飛, 余海翔, 張良, 白永軍

(1.南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510670；2. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室(東北電力大學(xué))，吉林 吉林 132012；3. 內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

隨著化石燃料的枯竭、全球變暖趨勢加劇，由于不依賴化石能源、對環(huán)境影響小以及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，電動汽車(electric vehicle，EV)產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展。對此，世界各國政府紛紛出臺了一系列政策支持EV產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國政府規(guī)定了政府部門的能效和排放目標(biāo)，并重申了2007年頒布的關(guān)于購買商用插電式混合動力車的13423號行政令[1]。我國政府也陸續(xù)推出了一系列EV產(chǎn)業(yè)政策，已逐步形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)體系?？萍疾繝款^實施了“十城千輛”推廣工程，計劃用3年左右的時間實現(xiàn)在大中城市的公交、出租、公務(wù)、社會服務(wù)等領(lǐng)域EV的示范運(yùn)行。此外，在宏觀上提出了汽車產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃等應(yīng)對EV發(fā)展的統(tǒng)籌方案[2]。

當(dāng)EV接入電網(wǎng)時，EV作為一種具有移動性的負(fù)荷，同時又具備強(qiáng)大的儲能潛力，使得其對電網(wǎng)的影響具有兩面性。由于EV作為負(fù)荷時其充電行為隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)[3]，在EV大規(guī)模普及的背景下，EV無序充電可能會給配電網(wǎng)帶來電壓下降、線路過載以及能量損耗增大等問題[4]，如果不對其充放電進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，將會加劇高峰時段的負(fù)荷需求量[5]，甚至可能影響局部或更大范圍電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過有序調(diào)控，EV負(fù)荷可以作為需求側(cè)管理資源直接或間接納入電網(wǎng)調(diào)度體系，改善電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀。因此需要對EV的充放電過程進(jìn)行深入研究，從而實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的最大化。

本文首先從提高經(jīng)濟(jì)性、削峰填谷、降低網(wǎng)損以及提高能源利用率4個方面介紹EV的充放電效益；其次，針對EV接入電網(wǎng)的充放電控制方法，以充放電模型和控制架構(gòu)作為切入點(diǎn)，討論目前充放電控制的研究現(xiàn)狀和存在問題；再次，對EV充放電技術(shù)中存在的問題與難點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)；最后，就EV充放電技術(shù)的發(fā)展及其與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行提出相關(guān)建議。

1 充放電控制效益

當(dāng)EV接入電網(wǎng)時，若電網(wǎng)的調(diào)度中心對其進(jìn)行合理的充放電控制，不僅能夠降低EV大規(guī)模接入對電網(wǎng)的不利影響，還能顯著改善電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行狀況。目前，EV充放電控制的主要目標(biāo)有如下幾類：降低用戶或電網(wǎng)的成本以提高經(jīng)濟(jì)性；對負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷；降低網(wǎng)損；提高新能源發(fā)電的利用率。

1.1 提高經(jīng)濟(jì)性

EV有序充放電不僅提高電網(wǎng)側(cè)的運(yùn)營效益，還能最大化用戶側(cè)成本。通過對EV的合理控制，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)和用戶的互利雙贏。文獻(xiàn)[6]針對微電網(wǎng)系統(tǒng)提出了自適應(yīng)能源管理系統(tǒng)及其控制器，確保EV在指定時間內(nèi)達(dá)到用戶所需的能量水平，有效地提高了用戶的經(jīng)濟(jì)效益，但是沒有考慮電池的充放電損耗。文獻(xiàn)[7]通過實時電價模型，建立包含充放電成本和電池?fù)p耗成本的綜合用戶成本目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了EV充放電負(fù)荷。以上研究旨在實現(xiàn)車主利益最大化。與實現(xiàn)用戶利益的控制策略相比，旨在增加電網(wǎng)運(yùn)營收益的研究更為廣泛。

1.2 削峰填谷

在負(fù)荷曲線的低谷時，鼓勵EV負(fù)荷接入電網(wǎng)充電；在負(fù)荷曲線的峰值時，EV進(jìn)行放電，以緩解供電側(cè)的出力。對EV有序充放電的合理控制，能夠使EV負(fù)荷平抑電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，有效進(jìn)行削峰填谷。文獻(xiàn)[8]首次基于同步逆變器原理實現(xiàn)EV充放電控制，通過相應(yīng)控制器使同步逆變器自主調(diào)節(jié)EV充放電功率以及自身工作模式，實現(xiàn)EV在系統(tǒng)中削峰填谷、調(diào)壓調(diào)頻以及無功補(bǔ)償?shù)墓δ?。文獻(xiàn)[9]提出了一種V2G情形下的混合整數(shù)線性規(guī)劃(mixed integer linear programming，MILP)模型，解決了EV、儲能系統(tǒng)以及配電網(wǎng)之間充放電的協(xié)調(diào)控制問題，有效地降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本并實現(xiàn)削峰填谷。

1.3 降低網(wǎng)損

通過對EV充放電的有序控制，可以降低系統(tǒng)網(wǎng)損。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于內(nèi)外雙層算法的控制策略，實現(xiàn)了降低網(wǎng)損和維持三相負(fù)載平衡的控制目標(biāo)，顯著提高了計算速度和精確度。文獻(xiàn)[11]以配電網(wǎng)有功功率網(wǎng)損最小為目標(biāo)建立了4類EV的需求響應(yīng)模型，結(jié)果表明無序充電會增加網(wǎng)損，該文獻(xiàn)所提出的控制方法能積極引導(dǎo)EV有序充放電，達(dá)到降低網(wǎng)損的效果。

1.4 提高能源利用率

隨著分布式發(fā)電的滲透率不斷增加，以及本身具有隨機(jī)性、波動性的出力特點(diǎn)，如何提高新能源的消納率成為亟待解決的問題。文獻(xiàn)[12]建立了以可再生能源利用率最大為目標(biāo)的模型，提出了變閾值優(yōu)化算法、充放電速率可調(diào)優(yōu)化算法，在一定程度上提高了可再生能源利用率，但此方法的研究對象主要是私家車。考慮到實時電價和集中式優(yōu)化計算量大、通信通道擁堵等弊端，文獻(xiàn)[13]以分散自治的控制方式提高分布式發(fā)電的利用率，有效避免了集中式控制的缺陷，改善了系統(tǒng)的負(fù)荷特性；但沒有考慮用戶響應(yīng)意愿，所提假設(shè)未能貼近實際情況。文獻(xiàn)[14]充分發(fā)揮EV的儲能作用，配合儲能系統(tǒng)使總負(fù)荷主動匹配新能源發(fā)電出力，從而提高分布式發(fā)電的利用率，并具有較強(qiáng)的魯棒性。

2 充放電技術(shù)

2.1 電能補(bǔ)給方式

目前純EV的電能補(bǔ)給方式主要有插電(充電)和換電2種。EV充電主要通過充電樁進(jìn)行，受城市充電樁地理位置規(guī)劃和數(shù)量分布的制約。充電方式分直流快充和交流慢充，交流慢充采用電流較小的恒壓或恒流方式充電，充電時間從數(shù)小時至十幾小時不等。這種充電方式充電時間過長，對有長時間運(yùn)行需求的車輛(公交車、出租車等)來講極為不便。直流快充的充電電流非常大，可達(dá)上百安培，充電時間低至數(shù)十分鐘，但會影響電池的使用壽命，對電池的性能要求較高。根據(jù)我國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會2015年發(fā)布的GB/T 20234.2—2015《電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分：交流充電接口》，我國的EV充電樁的充電功率標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 我國EV充電裝置的充電功率標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Charging power standards for EV charging devices in China

換電方式也稱租賃電池方式，是一種“車電分離”的運(yùn)營模式，用戶只負(fù)責(zé)購買EV，由換電站或電池租賃公司負(fù)責(zé)電池的購買、租賃、更換和充電，更換電池的時間一般為3～5 min。近年來國家陸續(xù)出臺相關(guān)政策明確鼓勵換電模式[15]，現(xiàn)階段換電模式主要應(yīng)用于公交、出租車、物流車等行業(yè)，但向私人領(lǐng)域發(fā)展仍面臨電池技術(shù)、換電標(biāo)準(zhǔn)體系及安全與責(zé)任界定等問題[16]。2種電能補(bǔ)給方式的對比見表2。

表2 換電模式與充電模式的特性對比Tab.2 Comparison of characteristics between battery swap mode and charging mode

2.2 充放電控制技術(shù)

合理的充放電控制是實現(xiàn)運(yùn)行效益的前提，也是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過合理的充放電控制，能夠充分發(fā)揮EV的優(yōu)勢，提高電網(wǎng)和用戶的經(jīng)濟(jì)效益，并實現(xiàn)對電網(wǎng)的有利調(diào)節(jié)。EV充放電控制有多種分類方式，如圖1所示。值得注意的是，無論哪種控制方式，如果將EV的能量來源配置為傳統(tǒng)化石能源產(chǎn)生的電能，帶來間接碳排放，比起燃油汽車并沒有明顯的減排優(yōu)勢。因此實現(xiàn)EV與光伏、風(fēng)力等分布式發(fā)電的結(jié)合，有利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、低碳和環(huán)保，同時可以發(fā)揮EV移動儲能的優(yōu)勢，有利于促進(jìn)新能源的消納和系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。

圖1 EV充放電控制分類Fig.1 Classification of EV charging and discharging control

2.2.1 參與方式

a)直接控制主要以實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)效益為目的，如削峰填谷、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度、輔助消納可再生能源、輔助微電網(wǎng)穩(wěn)定并網(wǎng)等。電網(wǎng)側(cè)通過直接控制EV集群的充放電行為進(jìn)行調(diào)度，并對EV用戶進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。文獻(xiàn)[17]以傳統(tǒng)的計及安全約束的機(jī)組最優(yōu)組合問題為基礎(chǔ)，研究了能夠容納插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，兼顧了PHEV車主的經(jīng)濟(jì)效益與發(fā)電的碳排放成本，并驗證了模型的正確性和有效性。

b)間接控制是指EV通過參與電力市場價格機(jī)制(分時電價、實時電價等)引導(dǎo)用戶自愿改變充放電行為以實現(xiàn)供需兩側(cè)綜合效益最大化[18-20]。文獻(xiàn)[21]基于分時電價機(jī)制，建立了計及電網(wǎng)負(fù)荷波動和用戶成本的EV充放電調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型，研究結(jié)果表明分時電價機(jī)制下EV參與電網(wǎng)調(diào)峰有較明顯的效果，但充放電成本因平均電價的上浮而升高。間接調(diào)度可以充分調(diào)動EV用戶參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的積極性，但需要政府或電力部門相關(guān)鼓勵性政策的支持。

2.2.2 控制架構(gòu)

a)集中式控制是指電網(wǎng)中的控制機(jī)構(gòu)直接收集匯總一定區(qū)域內(nèi)EV的狀態(tài)和需求信息，通過一系列計算和調(diào)度，向EV傳遞調(diào)度指令，從而實現(xiàn)對每輛EV的充放電進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[4]建立了考慮EV充放電損耗的“最小費(fèi)用-最小波動”控制策略，直接對充放電代理商進(jìn)行控制，在降低EV負(fù)荷對電網(wǎng)沖擊的同時，實現(xiàn)了代理商運(yùn)營費(fèi)用最小化。集中式控制對通信系統(tǒng)要求高，計算難度大[22]，尤其是當(dāng)區(qū)域內(nèi)EV數(shù)量龐大時，對EV的充放電控制過程十分復(fù)雜。文獻(xiàn)[23]考慮第一階段模型造成的新的負(fù)荷峰值，提出以最小峰谷差為目標(biāo)的兩階段優(yōu)化模型，顯著提高了計算效率，相對改善了集中式控制計算量大的弊端。

b)分布式控制中，EV用戶或地方運(yùn)營商根據(jù)本地狀態(tài)信息進(jìn)行自主決策，生成相應(yīng)的運(yùn)行計劃上傳給上級控制中心。相較于集中式控制方式，分布式控制將集中式控制繁雜的數(shù)據(jù)量和計算量進(jìn)行分解，提高了控制過程的效率。

c)分層分區(qū)控制，即通過建立一個中間層控制中心以響應(yīng)上層的調(diào)度機(jī)構(gòu)，并與下一層的EV進(jìn)行信息互換，對EV集群進(jìn)行統(tǒng)一控制，能夠?qū)崿F(xiàn)EV對上層控制目標(biāo)的跟蹤。分層分區(qū)控制一般分配電網(wǎng)層、充電站層和用戶層，每層對應(yīng)不同的優(yōu)化目標(biāo)，在制訂充放電控制策略時需綜合考慮不同優(yōu)化層面的效益。和集中式控制相比，分層分區(qū)控制結(jié)構(gòu)精簡，通信效率高，能更加顯著地提高系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，進(jìn)而提高運(yùn)行的可靠性。

2.2.3 調(diào)度方式

a)日前調(diào)度是指前一日預(yù)測未來一日的電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)，并在滿足未來一日充電需求的情況下，根據(jù)一定的經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則安排EV的充放電計劃。但由于EV充電負(fù)荷的隨機(jī)性和移動性，日前調(diào)度方法易在次日(尤其周末和非周末的過渡時期)的具體實施過程中出現(xiàn)小范圍波動，因此日前調(diào)度方法需考慮當(dāng)?shù)谽V充電負(fù)荷在節(jié)假日和非節(jié)假日空間維度上的變化情況。

b)實時調(diào)度則是指每隔一定時間段讀取該時刻電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)，據(jù)此安排EV充放電行為的調(diào)度方式[24]。與日前調(diào)度相比，實時調(diào)度策略可以根據(jù)負(fù)荷曲線及時響應(yīng)負(fù)荷波動，實時更新EV的充放電行為，更有效地平抑電網(wǎng)的負(fù)荷曲線。

2.2.4 控制對象

a)單一EV控制通常在滿足車主充電需求的情況下對EV充電過程進(jìn)行優(yōu)化，是分析用戶側(cè)充電費(fèi)用、收益以及需求側(cè)響應(yīng)的重要手段，通常以充電費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，即

min[Celec(p,Pch)+Cfuel-RAS(Ssoc,Pch)]，

(1)

式中Celec、Cfuel、RAS分別為EV充電費(fèi)用、油耗費(fèi)用(對純EV而言Cfuel=0)和收益(放電收益及輔助服務(wù)補(bǔ)償費(fèi)用)。本文定義t為離散化的時間段，充電費(fèi)用是電價p(t)和充電功率Pch(t)的函數(shù)，收益是電池荷電狀態(tài)Ssoc(t)和充電功率Pch(t)的函數(shù)。

EV充放電約束條件一般為：

Ssoc(td)≥Ssoc0，

(2)

Eplug,in(Ssoc,Pch)=0，

(3)

Eplug,out(Ssoc,Pe,Pfuel,Pcons)=0.

(4)

式(2)—(4)中：td為用戶駛離時段；Ssoc0為電池荷電狀態(tài)期望值；Eplug,in為EV并網(wǎng)充電時的能量平衡關(guān)系；Eplug,out為EV離網(wǎng)行駛時的能量平衡關(guān)系；Pe為電動機(jī)功率；Pfuel為發(fā)動機(jī)功率；Pcons為行駛能量消耗。式(2)表明時段td的電池荷電狀態(tài)應(yīng)達(dá)到期望值Ssoc0。式(3)、(4)分別表明EV在充電時和行駛時的能量平衡過程，充電時Pch(t)和Ssoc(t)的變化保持平衡，行駛時Ssoc(t)的變化與電動機(jī)功率Pe(t)、發(fā)動機(jī)功率Pfuel(t)(只針對PHEV)和行駛能量消耗Pcons(t)保持平衡。

其他約束條件主要有：

-Pch,max

(5)

Ssoc,min≤Ssoc(t)≤Ssoc,max.

(6)

式(5)—(6)中：Pch,max為充電功率上限；Ssoc,min、Ssoc,max分別為電池荷電狀態(tài)的下限和上限。式(5)表明V2G模式下EV充放電功率的約束，式(6)表明電池容量的使用約束，為避免深度放電對電池壽命的不利影響，Ssoc,min一般取0.2，Ssoc,max一般取0.8或1。

b)EV集群控制通常涉及對停車場、充電站的充放電控制問題，優(yōu)化策略和控制目標(biāo)更加豐富。EV集群控制與單一EV控制目標(biāo)函數(shù)通常相同，但約束條件卻有較大區(qū)別，即

gi,t[Pi(t),Qi(t),Ui(t),Pchi(t)]=0.

(7)

式中：Pi(t)、Qi(t)、Ui(t)、Pchi(t)分別為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i處的有功流入、無功流入、電壓、EV充電功率。式(7)表明EV集群控制下的潮流平衡約束。

Umin≤Ui(t)≤Umax，

(8)

(9)

式(8)—(9)中：Umin、Umax分別為節(jié)點(diǎn)電壓下限、上限；PLoss為系統(tǒng)總網(wǎng)損；PLoss(t)為系統(tǒng)在時段t的網(wǎng)損；T為總時段數(shù)。式(8)、(9)表明由于EV集群與單一EV相比充放電負(fù)荷較大，應(yīng)考慮電網(wǎng)的電壓水平約束和網(wǎng)損約束，而網(wǎng)損約束也可以作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 EV充放電模型

2.3.1 EV負(fù)荷模型

EV負(fù)荷模型的建立是進(jìn)行充放電控制的基礎(chǔ)。充放電負(fù)荷集中反映EV對電力系統(tǒng)的影響[25]。文獻(xiàn)[26]計及出租車載客和尋客狀態(tài)行駛速度，以及出行路線和電能補(bǔ)給方式?jīng)Q策上的差異性，量化仿真出租車運(yùn)營隨機(jī)性、分散性對充電需求時空分布的影響，建立了電動出租車的充電負(fù)荷模型。文獻(xiàn)[27]考慮交通系統(tǒng)對EV行駛行為和充電行為的影響，提出一種基于動態(tài)交通信息的EV充電需求預(yù)測模型。文獻(xiàn)[28]對多源的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失、重復(fù)、異常預(yù)處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷聚類分析，建立了基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的臺區(qū)負(fù)荷預(yù)測算法，通過仿真驗證了所提算法的優(yōu)越性。

EV負(fù)荷特性的影響因素主要包含以下幾個方面：

a)EV類型。EV根據(jù)用途可以分為公交車、公務(wù)用車、社會車輛以及私家車等多種類型。不同類型EV的行駛規(guī)律、出行需求存在明顯差異。不同的行駛特點(diǎn)使EV負(fù)荷更具復(fù)雜性。

b)EV數(shù)量。EV的數(shù)量反映充放電負(fù)荷規(guī)模的大小，決定了電網(wǎng)對EV儲能電池的可調(diào)度容量，進(jìn)而影響EV集群對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。EV數(shù)量與EV產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)息息相關(guān)，同時國家政策也有著積極的引導(dǎo)作用。

c)能量補(bǔ)充方式。目前EV的能量補(bǔ)充方式主要有充電和換電，充電又可分為快充和慢充。不同的能量補(bǔ)充方式在功率、時長和效率等方面有較大區(qū)別。

EV負(fù)荷主要取決于2個因素：首次出行時段tc和日行駛里程x。根據(jù)我國公安部交通管理局發(fā)布的調(diào)查結(jié)果，采用極大似然估計法可以得出首次出行時段和日行駛里程的分布函數(shù)。EV的首次充電時段滿足正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

(10)

式中：12、24分別對應(yīng)時間軸的第12、第24個時段(1 h為1個時段)；μc為正態(tài)分布隨機(jī)變量的均值，一般取μc=8.87；σc為該隨機(jī)變量的方差，一般取σc=3.16。

私家車的日行駛里程服從對數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)

(11)

式中：μD為正態(tài)分布隨機(jī)變量的均值，一般取μD=2.89；σD為該隨機(jī)變量的方差，一般取σD=1.17。

基于上述數(shù)學(xué)模型，可以根據(jù)蒙特卡洛模擬法計算EV負(fù)荷，通過獲取單臺EV的起始充電時間和充電時長，累加得到總體的負(fù)荷曲線，從而得到全體EV的總充電負(fù)荷。若要具體分析某地區(qū)的EV充電負(fù)荷，需根據(jù)當(dāng)?shù)赜脩舻某鲂幸?guī)律調(diào)查數(shù)據(jù)重新擬合上述模型。

2.3.2 充放電決策模型

EV最優(yōu)充放電控制模型的求解，是一個在約束條件下對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解的過程。目標(biāo)函數(shù)包含了所設(shè)系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)，可以設(shè)為單目標(biāo)或多目標(biāo)函數(shù)，約束條件是在一定的運(yùn)行情況下，系統(tǒng)運(yùn)行所受到的限制。目標(biāo)函數(shù)的建立具有多樣性，包含以下幾個方面：

a)以電網(wǎng)負(fù)荷方差最小為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為

minDL(tck)=

(12)

式中：DL為負(fù)荷波動的方差；tck為第k輛EV的投入充電時段；PL+EV(t)為時段t包含EV在內(nèi)的計劃充電負(fù)荷；PEV,k(t)為第k輛EV在時段t的負(fù)荷；Pavg為平均負(fù)荷。

b)以用戶成本最小為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為

(13)

式中：Nev為需要充電的EV總數(shù)；Xt,k為第k輛EV在時段t需繳納的電費(fèi)。

c)以網(wǎng)損最小為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為

(14)

d)以新能源利用率最大為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)

(15)

式中：Pwv,t為時段t風(fēng)力和光伏發(fā)電的實際消耗量；Pw,t和Ppv,t分別為時段t風(fēng)力和光伏的出力值。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，基于所設(shè)目標(biāo)，系統(tǒng)的各個變量在運(yùn)行中應(yīng)受到一定的限制，通過約束條件使模型的求解更貼近實際?；镜募s束條件通常包含以下幾個方面：

a)系統(tǒng)的功率平衡約束為

Pt=Pload,t+PEV,t+PB,t-Pwv,t.

(16)

式中：Pt為時段t配電網(wǎng)向微電網(wǎng)注入的功率；Pload,t為時段t負(fù)荷功率；PEV,t和PB,t分別為時段t的EV和蓄電池充放電功率。

b)電壓限值約束為

Utmin

(17)

c)EV約束為：

-PEV,max

(18)

Ssoc,min

(19)

式(18)為考慮了V2G情況的EV充放電功率約束，式(19)為用戶對EV的容量需求約束。

以上為常用的目標(biāo)函數(shù)和基本的約束條件。由于系統(tǒng)運(yùn)行的多樣性和不確定性，除此之外還有一些目標(biāo)函數(shù)致力于電網(wǎng)的運(yùn)行成本最小、污染治理費(fèi)用最低等，以及約束條件中包含對蓄電池的約束、對輸電線路的約束等，根據(jù)實際運(yùn)行情況的不同，目標(biāo)函數(shù)和基本的約束條件會有所差異。

3 充放電控制中的關(guān)鍵問題

3.1 通信的安全性與穩(wěn)定性

建立可靠的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，通信系統(tǒng)在EV充放電控制中起到傳遞上下級指令和信息的作用，對于其穩(wěn)定性和安全性有著很高的要求。尤其是集中式控制數(shù)據(jù)冗雜，傳輸線路擁擠，對通信要求更高。以分層分區(qū)控制為例，通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分層控制的通信結(jié)構(gòu)Fig.2 Communication structure of hierarchical control

對于通信系統(tǒng)的研究，主要著眼點(diǎn)應(yīng)在穩(wěn)定性和安全性方面，既要保證通信系統(tǒng)能夠在各種情況下高效地完成數(shù)據(jù)傳輸，又要保證電力公司和用戶的信息安全。文獻(xiàn)[29]提出一種基于車輛自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicle ad-hoc network，VANET)的新型EV充放電通信協(xié)議，并通過仿真證明了所提方案在規(guī)定的約束內(nèi)能夠高效實現(xiàn)EV的充放電控制，同時提高EV成功入網(wǎng)的可能性。另外，通過改進(jìn)通信框架來優(yōu)化EV充電時間的研究也有了一定的進(jìn)展[30]。以上研究旨在保證通信系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，通信過程的安全性同樣不可忽視。通過設(shè)立安全的通信架構(gòu)，采取有利于通信系統(tǒng)的分層控制，能夠保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，同時滿足電網(wǎng)實時通信的需求，進(jìn)一步可以結(jié)合EV接入情況，提高以微電網(wǎng)/配電網(wǎng)接入EV為基礎(chǔ)的通信系統(tǒng)的安全性。

3.2 電能質(zhì)量的保證

EV接入電網(wǎng)時，良好的電能質(zhì)量是實現(xiàn)對EV有序充放電控制的基礎(chǔ)。衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)主要有母線和節(jié)點(diǎn)的電壓、頻率以及波形，目前對EV與分布式電源集成后的電能質(zhì)量問題尚有待深入研究。

當(dāng)光伏、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，配電系統(tǒng)變?yōu)橛性淳W(wǎng)絡(luò)而引起電壓分布變化，造成配電網(wǎng)電壓波動或閃變[31]。另外，電壓的穩(wěn)定對于微電網(wǎng)至關(guān)重要，尤其是直流微電網(wǎng)沒有無功功率波動，此時電壓質(zhì)量成為衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的唯一指標(biāo)[32]。利用EV的儲能特性為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)是V2G的主要功能之一。在維持系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定方面，應(yīng)考慮同時兼顧用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的EV充放電控制策略，在滿足用戶用車需求的前提下最大限度發(fā)揮EV的儲能特性，可以更靈活地調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電壓、頻率，維持直流母線電壓和系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，進(jìn)而改善電能質(zhì)量。

此外，諧波所導(dǎo)致的電能質(zhì)量下降對分布式發(fā)電和輸電線路的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。諧波的來源主要有電力電子裝置和非線性負(fù)荷2類，EV是典型的非線性負(fù)荷，其充電機(jī)內(nèi)部含有變流裝置，二者都會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不可忽視的影響。另外，諧波或電壓不平衡可能會給配電網(wǎng)內(nèi)的EV充電容量帶來額外的限制[33]。

3.3 集成系統(tǒng)的穩(wěn)定性

保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行有著重要意義，尤其是運(yùn)行隨機(jī)性高的EV、發(fā)電波動性強(qiáng)的可再生能源并入電網(wǎng)時，維持集成系統(tǒng)的穩(wěn)定性是實現(xiàn)各方經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的前提。

由于EV的推廣范圍有限，對于集成系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究還處于起步階段。文獻(xiàn)[34]針對含有分布式電源和EV接入的配電網(wǎng)，通過采用非線性控制策略控制充電機(jī)中的DC/DC變流器來提高穩(wěn)定性，無需改變系統(tǒng)的參數(shù)或硬件，并擴(kuò)展了直流配電系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。文獻(xiàn)[35]在保證光伏發(fā)電在最大功率點(diǎn)運(yùn)行的同時，通過控制接口變流器來提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，降低了對通信的要求，提高了運(yùn)行的可靠性。直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定性分為大信號穩(wěn)定和小信號穩(wěn)定[36]，目前對直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究主要集中在小信號穩(wěn)定方面。

3.4 動力電池的使用壽命

目前EV動力電池主要采用鋰電池，包括磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池等，其壽命受充放電電流和循環(huán)使用次數(shù)的影響較大。EV快充技術(shù)一般采用直流充電，其充電電流高達(dá)上百安培，這對EV的動力電池?zé)o疑是一個非常大的考驗，因此研究具有比能量高、比功率大、使用壽命長和成本低的動力電池迫在眉睫。文獻(xiàn)[37]指出目前正在研究的石墨烯電池由于體積密度低、成本高，與現(xiàn)有的鋰電池相比無明顯優(yōu)勢。在較為理想的動力電池推廣之前，換電模式無疑是現(xiàn)階段解決該問題的最好方法，換電模式只需3～5 min即可完成電池更換，且可以用慢充方式延緩電池壽命的衰減。

4 發(fā)展前景與建議

4.1 發(fā)展前景

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，EV的充放電控制技術(shù)將會朝著更普及、更成熟的方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下2個方面：

a)在電力網(wǎng)的建設(shè)方面，充電樁等設(shè)施將會趨于完善，以盡可能使公共資源得到充分利用。同時，調(diào)度中心在大數(shù)據(jù)下對于EV負(fù)荷的預(yù)測水平也會更加精確，調(diào)度能力更加成熟，實現(xiàn)用戶和電力公司的互利雙贏。

b)在EV用戶方面，車主對于充放電的認(rèn)可度會進(jìn)一步提高，能夠積極響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)度命令，促進(jìn)EV更加靈活可靠地參與電網(wǎng)互動，不僅實現(xiàn)削峰填谷，更有利于參與系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)壓以及作為旋轉(zhuǎn)備用，提高集成系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2 相關(guān)建議

對于EV充放電技術(shù)的發(fā)展，從政策層面和技術(shù)層面給出以下幾點(diǎn)建議：

a)國家應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)EV產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通過相關(guān)惠民政策提高用戶使用EV的積極性；繼續(xù)推進(jìn)V2G示范工程，建設(shè)含分布式電源的配電網(wǎng)、微電網(wǎng)等多種模式，并對工程效果進(jìn)行檢測與評估；鼓勵相關(guān)企業(yè)對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行自主研發(fā)，推動集成系統(tǒng)的建設(shè)。

b)對于集成系統(tǒng)建設(shè)的難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)研究。結(jié)合EV的接入，在維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，改善電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)的通信能力，為EV與分布式電源的協(xié)調(diào)運(yùn)行提供保障。

c)分布式電源中光伏和風(fēng)電間歇性、波動性的出力特性限制了電網(wǎng)的消納率，結(jié)合新能源的出力特點(diǎn)，研究基于新能源消納的EV充放電優(yōu)化調(diào)度，充分發(fā)揮EV的儲能作用，是提高分布式發(fā)電利用率、實現(xiàn)EV與分布式電源協(xié)同增效的關(guān)鍵。

5 結(jié)束語

綜上所述，EV的接入在調(diào)峰、調(diào)壓、調(diào)頻以及維持系統(tǒng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮著重要作用。本文在大規(guī)模EV接入的背景下，對EV充放電的控制方法、控制效益、相關(guān)技術(shù)、充電負(fù)荷模型以及充放電控制中的關(guān)鍵問題等進(jìn)行了論述，對該領(lǐng)域的前景作出了展望。在未來的相關(guān)研究中以下問題有待進(jìn)一步深入研究和解決：

a)有效的EV充電負(fù)荷模型是分析大規(guī)模EV接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響和制訂有序充放電控制策略的前提，但目前對EV充電負(fù)荷建模的研究中考慮的因素不夠全面，需進(jìn)一步深入研究，提高對EV負(fù)荷的預(yù)測精度。

b)在國家推行的“換電為主，充電為輔”的背景下應(yīng)盡快解決換電標(biāo)準(zhǔn)體系及安全與責(zé)任界定等問題，推動換電方式的發(fā)展。

c)目前對于車網(wǎng)集成系統(tǒng)電能質(zhì)量的研究有待深入，主要方向應(yīng)在研究配電網(wǎng)、微電網(wǎng)電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，充分考慮EV的優(yōu)缺點(diǎn)以及隨機(jī)性、儲能性等特點(diǎn)，發(fā)揮EV在調(diào)壓、調(diào)頻以及抑制諧波等方面的作用，尋求更加靈活高效的微電網(wǎng)電壓、頻率調(diào)節(jié)方式，以維持直流母線電壓和系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，抑制諧波，改善電能質(zhì)量，實現(xiàn)集成系統(tǒng)的高質(zhì)量運(yùn)行。