CN102130478B - 电动汽车充电站协调充电控制方法 - Google Patents

Abstract

电动汽车充电站协调充电控制方法属于电动汽车充电站充电控制技术领域，其特征在于，根据用户输入的充电需求信息，电动汽车车辆电池信息以及电力系统的负载信息，以充电站运行经济效益最大化为目标，以配电变压器不过载，客户充电需求为约束条件，控制各台充电机的通断，从而实现充电站内所有电动汽车的协调充电控制。

Description

电动汽车充电站协调充电控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电站协调充电控制方法领域，是一种智能的根据电力系统状态，充电站内部车辆电池信息以及车主需求的电动汽车充电站协调充电控制方法。

背景技术

近年来，国内外电动汽车技术发展日趋成熟。各国政府也相继出台激励政策推动电动汽车的普及。对于电动汽车的使用用户来说，充电的便利和可靠，是电动汽车使用过程中很重要的环节。另一方面，随着未来电动汽车的发展，电动汽车充电需求将成为常规用电负荷中不可忽视的一部分。电动汽车充电行为的不确定性，以及电动汽车大功率的充电需求将可能对电网的运行造成极大的负面影响。这些影响主要包括配电网线路过载，电压跌落严重，配电变压器过载，配电网峰谷负荷差加剧等问题。鉴于电动汽车充电将主要在充电站和装有充电机或充电桩的停车场内完成，因此一种适用于充电站的能控制电动汽车充电自动开断的智能充电控制方法是十分必要的。该智能充电控制方法在尽量满足客户需求的前提下，结合系统负荷状态，避开用电高峰，避免线路，变压器过载，实现电力资源经济有效配置。就目前国内建设的充电站，并没有电动汽车充电站协调充电控制方法的运用。

发明内容

本发明提供一种电动汽车充电站协调充电控制方法。当电动汽车停靠车位后，使用者通过客户端向控制系统输入其充电需求，主要包括预期车辆停靠时间和期望车辆离开时的电池电量水平(State of Charge(SOC))。另外客户端上电池信息输入模块通过电动汽车电池管理系统收集电动汽车电池的相关信息，主要包括电动汽车动力电池容量，当前电池电量水平(SOC)。电动汽车充电站协调充电控制系统将结合充电站内所有客户需求，系统当前状态(如配电变压器负载等)，预测未来负载情况以及系统电价信息，调用系统中集成的优化充电计算模块，计算出停车场内部所有车辆的最优充电策略，在单位的控制时间点，向各个充电机发出控制信号，控制充电开断，改变系统充电状态，实现电动汽车充电的协调控制，有效的避开用电高峰，将电动汽车充电对电网的负面影响降到最低，并能显著提高电动汽车用户和充电站运营商的经济效益。

本发明的特征在于，是在充电现场的客户端计算机，以下简称为客户端，以及电动汽车充电协调控制系统的主控机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)：初始化

步骤(1-1)：主控机初始化：

设有以下模块：

a)充电站模型形成模块(6)，预置有以下参数：充电站的充电机数量N，每台充电机充电功率大小P和配电变压器额定容量S_T，

b)当日配电网可用容量信息以及当日电价信息输入模块(4)，输入有以下参数：当日配电网负载信息Cap_j，在[0，1]间取值，表示在第j个时间点变压器容量中允许用户对电动汽车进行充电的可用容量比例，j＝1，2，...，96，采样间隔为15分钟，当日电价信息，包括：充电站运行时的单位用电成本cost_j以及用户充电用电电价price_j，j＝1，2，3，......96，

c)电动汽车电池信息与客户需求信息采集模块，

d)电动汽车充电站优化协调充电策略计算模块，

e)充电控制信号输出模块；

步骤(1-2)：客户端初始化，设有：电动汽车电池信息输入模块和客户需求信息输入模块，其中：

电动汽车电池信息输入模块，输入客户电动汽车的当前电池信息，包括：电池容量B_n，n为客户电动汽车接入的充电机序号，以及电池当前充电水平

即当前电动汽车电池电量与该电动汽车电池总容量的百分比。

客户需求信息输入模块，输入客户电动汽车的预期停留时间t_n以及客户离开时期望的电池充电水平

步骤(2)：当客户电动汽车接入充电机n时，n＝1，2，...N，N为充电机数量，所述主控机通过所述电动汽车电池信息与客户需求信息采集模块采集电动汽车电池信息和客户需求信息后送入到所述电动汽车充电站协调充电策略计算模块；

步骤(3)：所述电动汽车充电站协调充电策略计算模块依次执行以下步骤，

步骤(3-1)：根据当前时间与所述充电站内所有车辆的各自离开时间设定值，确定从当前时刻起的所有车辆停留时间的最大值t_max，得到充电协调控制的时间点数

表示小于x的最大整数，

步骤(3-2)：构造充电站状态矩阵S_N×J，其中，

S_nj表示从当前时刻算起第j个时间点上充电机n的停车状态：S_nj＝1，为有车，_Snj＝0，为无车，

若第k个停车位没有停放待充电的电动汽车，则S_kj＝0，j＝1，2，3...，J，k＝1，2，3...N，

步骤(3-3)：构造充电站电动汽车充电机开断控制矩阵C_N×J，C_nj表示第n个充电机从当前时刻算起的第j个时间点的控制决策，C_nj＝1，表示充电机开启，C_nj＝0，表示充电机关闭，

步骤(3-4)：按下式确定控制目标函数：

$\begin{array}{cc}\max & \underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nj}}\×S_{\mathrm{nj}}\×P\×\mathrm{\Δt}\×({\mathrm{price}}_j-{\cos t}_j),\end{array}$

表示：使得在J个时间段中所有充电机的经济效益取最大值，以此作为控制目标函数，

步骤(3-5)：确定约束条件：配电网变压器不过载

(

为平均功率因数，假设为0.8)

表示，在各个时间点上配电变压器的可用充电容量要大于各个所有充电机的充电功率之和，而且，在时间点j，被充电的电动汽车的电池充电水平要达到充电开始时所需求的最终充电水平

同时在充电结束时应停止充电，

$\∀n\∈\{\mathrm{1,2,3},......,N\},{\mathrm{SOC}}_n^D{B}_n\≤(\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nj}}\×S_{\mathrm{nj}}\×P\×\mathrm{\Δt}+{\mathrm{SOC}}_n^A\×B_n)\≤B_n,$

表示：充电后的电量应大于最终需要的电量且小于电池容量，充电后的电量用充电开始时的电量和在充电时间J内所需要的充电功率之和表示，Δt表示单位控制时间段：长度为15分钟，

步骤(3-6)：用混合整数规划算法求解上述优化问题，若无解，表示不能满足客户充电需求，则每次递减新进入车辆的值的2％，再次求解，直到有解为止，若

降到

时，上述优化问题仍无解，则说明充电站不能满足新进入客户的任何充电需求，只

能放弃为该客户服务，根据上述计算最终得到最优充电机开断控制策略矩阵C_N×J；

步骤(4)：根据步骤3-6求出的最优充电机开断控制策略矩阵C_N×J，由所述充电控制信号输出模块向各个充电机发出控制信号，控制充电机的开断。

本发明的有益效果在于结构简单，所有的客户信息输入，电池信息输入都在安装充电机或者充电机客户端完成。计算机根据输入系统状态，制定充电站所有电动汽车最优充电策略，实现电动汽车充电站协调充电控制。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为本智能控制方法的原理框图。

图中1为电动汽车电池信息输入模块，2为客户需求信息输入模块，3电动汽车充电站协调充电控制客户端，4为当日配网负载信息以及当日电价信息输入模块，5为电动汽车充电站优化协调充电策略计算模块，6为充电站模型形成模块，7充电控制信号输出模块。

图2为电动汽车充电站协调控制方法程序流程框图。

具体实施方式

本发明的目的在于提出一种电动汽车充电站协调充电控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种充电站电动汽车协调充电控制方法。根据用户输入的充电需求信息，电动汽车车辆电池信息以及电力系统信息，实现充电站电动汽车协调充电控制，步骤如下：

步骤(1)：在电动汽车充电站协调充电控制系统初始化阶段，通过调用模块6，充电站模型形成模块，输入充电站基本信息，主要包括充电站的充电机数量n，每台充电机充电功率大小P，配电变压器额定功率S_T。

步骤(2)：在每次计算开始调用模块4，当日配网负载信息以及当日电价信息输入模块。输入当日配网负载信息，包括全天96个时间段的数据，Cap_j(j＝1，2，......96)，每隔15分钟一个数据，其中，Cap_j(Cap_j∈[0，1])表示第j个时间点，变压器容量中可用来对电动汽车进行充电的可用容量比例(另一部分容量用于满足其他常规负荷)，因此，在时间点j，可用于充电的容量为Cap_jS_T。当日电价信息主要包括充电站运行单位用电成本以及用户充电用电电价，分别用cost_j，price_j(j＝1，2，3，......96)表示。

步骤(3)：每当充电站内部有新的电动汽车接入充电机n(n＝1，2，3，......，N)时，通过客户端上的模块1，电动汽车电池信息输入单元，读取电动汽车车载电池管理系统上的数据，收集电动汽车当前电池信息，主要包括电池容量B_i，电池当前充电水平

(电动汽车电池当前容量与总容量的比值)。

步骤(4)：调用模块2，客户需求信息输入模块，输入客户信息，输入的需求信息主要包括汽车预期停留时间t_n以及离开时期望电池

值。

步骤(5)：通过模块3，电动汽车充电站协调充电控制客户端，完成电动汽车电池信息输入与的客户需求信息的输入，为下一步的优化控制做好准备。

步骤(6)：信息初始化之后，调用模块5电动汽车充电站优化协调充电策略计算模块，以充电站运营经济效益最大为控制目标，满足变压器不过载，电动汽车用户要求的离开时最小SOC为约束条件，计算最优协调充电策略。具体的控制方法如下描述：

a)控制时间段个数的选取

根据当前时间与充电站内所有车辆的离开时间，确定所有车辆最长停留时间t_max。

由于控制策略是每15分钟改变一次所有接入车辆的充电开关状态，因此控制的时间点个数(每15分钟为一个控制时间段)选择为

(

为小于x的最小整数)。

b)充电站状态矩阵的形成

根据充电站的状态，形成充电站的状态矩阵S(N×J阶)，S_nj表示为第n个充电机或充电桩，从当前时刻算起的第j个时间点上停车状态，如果停有待充的电动汽车，S_ij＝1，否则S_ij＝0。如第k号停车位上没有停放待充电的电动汽车，则S_kj(j＝1，2，....J)均设为0。

c)充电站电动汽车充电控制矩阵

设充电站电动汽车充电控制矩阵为C_N×J。C_nj表示第n个充电机或充电桩在从当前时刻算起的第j个时间段的控制决策，C_nj＝1表示充电机开启，否则表示充电机关闭。

d)控制目标函数的确定

为最大化充电站运营的经济效益，我们确定控制目标函数如下：

$\begin{array}{cc}\max & \underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nj}}\×S_{\mathrm{nj}}\×P\×\mathrm{\Δt}\×({\mathrm{price}}_j-{\cos t}_j)\end{array}$

说明：这里的price_j与cost_j表示从当前时刻算起第j个时刻的单元电价信息，Δt为单位控制时间段的长度，为15分钟，即0.25小时。

e)约束条件的确定

充电的过程必须满足电力系统的约束条件，即变压器不能过载。因此，相应的充电策略需要满足如下约束条件：

(

为平均功率因数，假设为0.8)

另外，充电站需要在顾客离开的时候，满足客户的充电需求，让电动汽车电池充电水平(SOC)达到

另一方面，在电动汽车电池被充满时，为防止电池损坏，应当停止充电，即应该满足如下约束条件。

$\∀n\∈\{\mathrm{1,2,3},......,N\},{\mathrm{SOC}}_n^D{B}_n\≤\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nj}}\×S_{\mathrm{nj}}\×P\×\mathrm{\Δt}+{\mathrm{SOC}}_n^A\×B_n\≤B_n$

对于控制变量C_nj，其约束为：

C_nj∈{0，1}

f)优化问题的求解

对于上述优化问题，采用混合整数规划方法(算法)求解即可，具有较高的求解效率。

g)特殊情况的处理方法

在解决生活中客户的实际需求时一定会遇到这样的问题，客户的需求急切，在短时间内需要充电站为之供给大量的电能(比如较大的

B_n需求)。此时由于充电设备硬件约束(充电功率P不可能很大)，以及电力系统的约束(变压器容量约束S_T，Cap_j)，充电站不可能满足客户的需求，即出现不能满足电动汽车客户离开电池充电水平(SOC)至少达到

的情况。在优化问题求解时即表现出优化无解。为解决这类问题，采取以下措施，当用户输入完毕之后，求解优化控制策略，若无解，提示用户系统不能满足客户充电需求。并每次递减新进入的用户

的2％，再次求解。直到有解为止。并告诉顾客最终调整后的

若客户满意，即按照调整后的

执行优化控制。若客户不满意，只能丧失这位客户。若

降到

时，上述问题仍无解，则此时充电站不能满足客户的任何充电需求，也只能丧失这位客户。

步骤(7)：根据模块5的计算出的最优控制策略C，调用模块7，充电控制信号输出模块，向各个充电机发出控制指令，控制每个充电机的开断。如果在本次15分钟的时间间隔内没有新车进入充电站，即按照计算好的控制策略15分钟改变充电机的状态，如果有新车进入，则在新车进入后按照上述步骤重新计算，但在本次15钟时间段内，保持原有车辆的充电状态不变。在下一个时间段内，根据计算得到的控制策略，改变充电站内充电机的状态。综上所述，电动汽车充电站协调充电控制方法程序流程框图如图2所示。

Claims (1)

1.电动汽车充电站协调充电控制方法，其特征在于，是在充电现场的客户端计算机，以下简称为客户端，以及电动汽车充电协调控制系统的主控机中依次按以下步骤实现的：

步骤（1）：初始化

步骤（1-1）：主控机初始化：设有以下模块：

a)充电站模型形成模块(6)，预置有以下参数：充电站的充电机数量N，每台充电机充电功率大小P和配电变压器额定功率S_T，

b)当日配电网负载信息以及当日电价信息输入模块(4)，输入有以下参数：当日配电网负载信息Cap_j，在[0,1]间取值，表示在第j个时间点变压器容量中允许用户对电动汽车进行充电的可用容量百分比，j=1,2,...96,采样间隔为15分钟，当日电价信息，包括：充电站运行时的单位用电成本cost_j以及用户充电用电电价price_j,j=1,2,3,......96，

c)电动汽车电池信息与客户需求信息采集模块，

d)电动汽车充电站优化协调充电策略计算模块，

e)充电控制信号输出模块；

步骤（1-2）：客户端初始化，设有：电动汽车电池信息输入模块和客户需求信息输入模块，其中：

电动汽车电池信息输入模块，输入客户电动汽车的当前电池信息，包括：电池容量B_n，n为客户电动汽车接入的充电机序号，以及电池当前充电水平

即当前电动汽车电池电量与该电动汽车电池总容量的百分比；

客户需求信息输入模块，输入客户电动汽车的预期停留时间t_n以及客户离开时期望的电池充电水平

步骤（2）：当客户电动汽车接入充电机n时，n=1,2,...N,N为设定值，所述主控机通过所述电动汽车电池信息与客户需求信息采集模块采集电动汽车电池信息和客户需求信息后送入到所述电动汽车充电站优化协调充电策略计算模块；

步骤（3）：所述电动汽车充电站优化协调充电策略计算模块依次执行以下步骤，

步骤（3-1）：根据当前时间与所述充电站内所有车辆的各自离开时间设定值，确定从当前时刻起的所有车辆停留时间的最大值t_max，得到充电协调控制的时间点数

表示小于x的最大整数，

步骤（3-2）：构造充电站状态矩阵S_N×J，其中，

n表示充电机序号，

S_nj表示从当前时刻算起第j个时间点上充电机n的停车状态：S_nj=1，为有车，S_nj=0，为无车，

若第k个停车位没有停放待充电的电动汽车，则S_kj=0，j=1,2,3...,J，k=1,2,3...K,K=N，

步骤（3-3）：构造充电站电动汽车充电机开断控制矩阵C_N×J，C_nj表示第n个充电机从当前时刻算起的第j个时间点的控制决策，C_nj=1，表示充电机开启，C_nj=0，表示充电机关闭，

步骤（3-4）：按下式确定控制目标函数：

$\max \underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nj}}\×S_{\mathrm{nj}}\×P\×\mathrm{\Δt}\×({\mathrm{price}}_j-{\cos t}_j),$

表示：使得在J个时间段中所有充电机的经济效益取最大值，以此作为控制目标函数，

步骤（3-5）：确定约束条件：配电变压器不过载

为平均功率因数，假设为0.8；

表示，在各个时间点上配电变压器的可用充电容量要大于各个所有充电机的充电功率之和，而且，在时间点j，被充电的电动汽车的电池充电水平要达到充电开始时所需求的最终充电水平

同时在充电结束时应停止充电，

$\∀n\∈\{\mathrm{1,2,3},......,N\},{\mathrm{SOC}}_n^D{B}_n\≤(\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nj}}\×S_{\mathrm{nj}}\×P\×\mathrm{\Δt}+{\mathrm{SOC}}_n^A\×B_n)\≤B_n,$

表示：充电后的电量应大于最终需要的电量且小于电池容量，充电后的电量用充电开始时的电量和在充电时间J内所需要的充电功率之和表示，Δt表示单位控制时间段：长度为15分钟，

步骤（3-6）：用混合整数规划算法求解上述优化问题，若无解，表示不能满足客户充电需求，则每次递减

值的2%，再次求解，直到有解为止，若

降到

时，上述优化问题仍无解，则说明充电站不能满足新进入客户的任何充电需求，只能放弃为该客户服务，根据上述计算最终得到最优充电机开断控制策略矩阵C_N×J；

步骤（4）：根据步骤（3-6）求出的最优充电机开断控制策略矩阵C_N×J，由所述充电控制信号输出模块向各个充电机发出控制信号，控制充电机的开断。

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