基于功率分配的電動(dòng)汽車有序充電調(diào)控策略研究

摘要：探討電動(dòng)汽車充電決策中關(guān)鍵因素，分析充電需求多樣性，提出可調(diào)功率下的有序充電調(diào)控策略，通過自適應(yīng)角度區(qū)域劃分法優(yōu)化充電過程，提高充電效率和電網(wǎng)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建有序充電模型，明確目標(biāo)函數(shù)和約束條件，進(jìn)行實(shí)例分析以驗(yàn)證模型的有效性。研究表明，合理充電策略不僅能滿足用戶需求，還能促進(jìn)電動(dòng)汽車的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：功率分配；電動(dòng)汽車；有序充電；調(diào)控策略

中圖分類號(hào)：U461" 收稿日期：2024-12-18

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502006

1 前言

隨著電動(dòng)汽車快速普及，充電需求對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)，電動(dòng)汽車無序接入電網(wǎng)充電會(huì)導(dǎo)致充電設(shè)施過度使用，在高峰時(shí)段造成電網(wǎng)負(fù)荷的劇烈波動(dòng)，對電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成威脅[1]。

本文基于功率分配有序充電策略，解決充電設(shè)施管理混亂問題，通過考慮用戶充電需求和充電負(fù)荷波動(dòng)，分時(shí)段調(diào)節(jié)充電設(shè)施的充電功率，實(shí)現(xiàn)充電設(shè)施的有序管理。通過有序充電策略，減少電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，有序充電策略還能分散充電負(fù)荷，減少峰谷差值，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 電動(dòng)汽車充電決策

21 充電需求

電動(dòng)汽車充電需求是指用戶在特定時(shí)間段內(nèi)對電動(dòng)汽車進(jìn)行充電所需的電量，該需求受到多種因素影響，如用戶出行習(xí)慣、車輛使用頻率、充電基礎(chǔ)設(shè)施可用性、電動(dòng)汽車電池容量等，為量化電動(dòng)汽車充電需求，使用以下公式計(jì)算：

式中，Q為總充電需求，即用戶在特定時(shí)間段內(nèi)所需的充電電量；C為電池的容量，反映電動(dòng)汽車能夠存儲(chǔ)的電能總量；D為電動(dòng)汽車每日行駛的平均距離。通過建立充電需求模型深入分析電動(dòng)汽車充電行為特點(diǎn)，為有序充電策略提供基礎(chǔ)[2]。

22 充電方式

電動(dòng)汽車充電方式主要分為兩種類型：慢充和快充。

慢充通常是在夜間或電力需求較低的時(shí)段進(jìn)行，利用低谷電價(jià)來為電動(dòng)汽車充電，慢充對電池?fù)p耗較小，有助于延長電池的使用壽命，用戶在夜間停車后充電，早晨出發(fā)時(shí)電池已充滿，避免白天的充電排隊(duì)問題。慢充的缺點(diǎn)在于充電速度較慢，需要數(shù)小時(shí)才能充滿電池，適合于日常通勤或不急于用車的場合。

快充則是在白天或需要快速補(bǔ)充電能時(shí)使用，快充設(shè)備能夠在較短的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車提供大量電能，在30 min～1 h內(nèi)即可充滿一定比例電池電量，用戶根據(jù)需求在特定地點(diǎn)快速充電，增加用車靈活性?？斐涞娜秉c(diǎn)在于其充電成本通常高于慢充，并且頻繁使用快充可能會(huì)對電池產(chǎn)生一定的損耗，影響電池長期壽命[3]。

為管理電動(dòng)汽車充電需求并優(yōu)化充電方式，采用基于峰谷分時(shí)電價(jià)的有序充電策略，這種策略不僅能夠引導(dǎo)用戶在電價(jià)較低的時(shí)段充電，還可以有效降低電網(wǎng)的負(fù)荷，促進(jìn)電力資源的合理利用，動(dòng)態(tài)定價(jià)模型公式如下：

式中，Pc為充電時(shí)段的電價(jià)；Pb為基礎(chǔ)電價(jià)，即在沒有峰谷電價(jià)調(diào)整的情況下的電價(jià)；[α]和[β]分別為峰時(shí)和谷時(shí)電價(jià)的調(diào)整系數(shù)，系數(shù)反映電力需求在不同時(shí)間段的變化；Ep和Ep分別為峰時(shí)和谷時(shí)的電價(jià)比例因子，用于量化峰谷電價(jià)的差異。

3 功率分配電動(dòng)汽車有序充電調(diào)控策略

31 可調(diào)功率下電動(dòng)汽車有序充電策略

居民區(qū)用戶以上班族為主，充電時(shí)間集中在日間下班后18∶00至次日上班前8∶30，這些用戶更注重充電費(fèi)用和電池壽命影響，而非充電速度，居民區(qū)充電策略需考慮峰谷電價(jià)差異，優(yōu)化充電成本。

在商業(yè)區(qū)和高速服務(wù)區(qū)，電動(dòng)汽車用戶需求主要集中在快速充電上，在短時(shí)間內(nèi)迅速補(bǔ)充電量，這些區(qū)域的用戶更關(guān)注充電速率，應(yīng)采取“先到先得”有序充電策略，確保充電效率。

為降低分時(shí)段內(nèi)的充電總負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)有序充電，設(shè)定電網(wǎng)能夠承受的最大限制負(fù)荷：居民用電負(fù)荷和充電負(fù)荷之和，控制充電車輛的數(shù)量從而避免電網(wǎng)負(fù)荷的過度集中。每日時(shí)間被劃分為96個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片為15 min，每15 min計(jì)算一次當(dāng)前充電車輛的充電總負(fù)荷，如果負(fù)荷超過限制負(fù)荷，通過調(diào)控充電功率來降低負(fù)荷，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

32 自適應(yīng)角度區(qū)域劃分法

在電動(dòng)汽車有序充電策略優(yōu)化過程中，為解決傳統(tǒng)MOPSO算法在優(yōu)化過程中過分注重解的可行性，導(dǎo)致可行區(qū)域過度開發(fā)而忽視不可行區(qū)域解的信息，影響優(yōu)化效果的問題。本文將目標(biāo)空間區(qū)域按照角度劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)角度，以此來改變粒子在目標(biāo)空間的搜索方向，這種方法可以使粒子擁有更加復(fù)雜的搜索路徑，更有效地搜索出最優(yōu)解。當(dāng)粒子數(shù)量增加時(shí)，粒子的角度值會(huì)越來越接近，從而使得粒子的搜索路徑更加復(fù)雜，增加搜索的多樣性，引入以下公式來描述粒子更新過程，速度更新公式：

33 可調(diào)功率下電動(dòng)汽車有序充電模型

331 目標(biāo)函數(shù)

333 有序充電建模

有序充電調(diào)控策略如圖2所示。當(dāng)電動(dòng)汽車接入充電站時(shí)，充電樁通過車載通信系統(tǒng)獲取車輛的關(guān)鍵信息。基于獲取的車輛信息和歷史充電數(shù)據(jù)，使用統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測充電需求，采用改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)充電樁的功率分配方案。根據(jù)功率分配方案，實(shí)時(shí)調(diào)整充電樁的輸出功率，并監(jiān)控充電狀態(tài)和電網(wǎng)負(fù)荷。充電完成后，自動(dòng)停止充電樁的功率輸出，并記錄充電結(jié)束時(shí)間。對充電過程進(jìn)行詳細(xì)記錄，并評估充電效果，為充電調(diào)控提供數(shù)據(jù)。通過以上步驟，有序充電建模能夠確保電動(dòng)汽車充電站的高效運(yùn)行，同時(shí)減少對電網(wǎng)的影響，提高充電過程的安全性。這種建模方法能提高充電站的運(yùn)營效率，還有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提升用戶的充電體驗(yàn)。

34 實(shí)例分析

本次分析擁有150戶居民小區(qū)，小區(qū)40%住戶配備電動(dòng)汽車，共有60輛電動(dòng)汽車，為構(gòu)建有效的充電模型，設(shè)置表1參數(shù)。

設(shè)該居民區(qū)的配電變壓器額定功率為1 000 kW，在負(fù)荷模擬中，設(shè)定基礎(chǔ)負(fù)荷為y，利用蒙特卡洛方法對居民區(qū)的總負(fù)荷及基礎(chǔ)負(fù)荷進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示：總負(fù)荷在高峰時(shí)段可達(dá)約1 200 kW，而基礎(chǔ)負(fù)荷約為600 kW，結(jié)果揭示居民區(qū)在特定時(shí)段內(nèi)電力需求的高峰特性。根據(jù)模擬結(jié)果可知，居民區(qū)用電高峰主要集中在晚上18∶00～21∶00，家庭用電需求提升，導(dǎo)致整體電力需求飆升，通過對電動(dòng)汽車無序充電的模擬，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車的充電高峰同樣發(fā)生在17∶00～20∶00之間，與家庭用電高峰重疊的情況，重疊現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷壓力加大，進(jìn)而影響供電的穩(wěn)定性。

為應(yīng)對上述問題提出有序充電調(diào)控策略，該策略的核心是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)度，合理分配充電時(shí)間和功率，確保在不超過配電變壓器額定功率的情況下，滿足居民的充電需求。基于對電動(dòng)汽車車主的充電習(xí)慣分析，將60輛電動(dòng)汽車的充電時(shí)間劃分為三個(gè)時(shí)間段：高峰期17∶00～20∶00，平峰期20∶00～23∶00，低峰期23∶00～07∶00。在高峰期每輛車充電功率被限制在3 kW，確保總負(fù)荷不超過變壓器的安全額定值，平峰期的充電功率提升至5 kW，而在低峰期，則可以全力充電最高7 kW。

引入智能電表和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤小區(qū)內(nèi)的電力需求和充電狀態(tài)，當(dāng)總負(fù)荷接近1 000 kW時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)汽車的充電功率或充電時(shí)間，避免超載情況的發(fā)生，該系統(tǒng)還會(huì)定期向居民發(fā)送充電狀態(tài)通知和建議，鼓勵(lì)他們選擇在低峰期進(jìn)行充電。

35 效果評估

經(jīng)過為期一個(gè)月的監(jiān)測，對有序充電調(diào)控策略的效果進(jìn)行評估，以下是評估結(jié)果：

a.負(fù)荷平衡：有序充電實(shí)施前，小區(qū)的負(fù)荷高峰曾達(dá)到1 200 kW，而實(shí)施后高峰負(fù)荷成功控制在950 kW以內(nèi)，有效緩解供電壓力。

b.居民滿意度：通過問卷調(diào)查，92%居民表示對充電調(diào)控措施感到滿意，認(rèn)為該措施在保證充電便利性的同時(shí)，有效降低用電高峰的擁堵情況，提升整體居住環(huán)境的舒適度。

c.充電效率：在有序充電策略實(shí)施前，電動(dòng)汽車的充電效率約為70%，實(shí)施后，充電效率提升至85%，通過合理的時(shí)間分配與功率管理，減少充電過程中因電力不足導(dǎo)致的充電延遲。

d.經(jīng)濟(jì)效益：整體經(jīng)濟(jì)效益也顯著提升，通過在高峰時(shí)段限制充電功率，居民區(qū)的電費(fèi)支出減少約15%，減少因超負(fù)荷引發(fā)的維護(hù)。

4 結(jié)語

隨著電動(dòng)汽車的普及，對充電設(shè)施的需求日益增加，據(jù)此，本文深入分析了充電需求、充電方式、功率分配的多種調(diào)控策略充電需求考慮用戶行為、充電時(shí)間、充電成本等因素，在功率分配方面，通過可調(diào)功率下的有序充電策略，為電動(dòng)汽車的充電提供優(yōu)化方案。這種策略不僅能提高充電效率，還能減少對電網(wǎng)的沖擊，確保充電需求與電力供應(yīng)之間的平衡。在有序充電模型的構(gòu)建中，提出目標(biāo)函數(shù)和約束條件，使得充電過程更加可控。自適應(yīng)角度區(qū)域劃分法引入為充電調(diào)度提供思路，使得不同地區(qū)的充電需求可以得到精確響應(yīng)。通過實(shí)例分析，驗(yàn)證所提策略的有效性，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

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作者簡介：

王剛，男，1982年生，總經(jīng)理，研究方向?yàn)檐浖邪l(fā)。