CN103456099A - 一种基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法，电价预测模块对实时电价进行预测；用户信息接收模块获取用户的充电及出行信息；充电参数设置模块计算常规充电时间；日前预调度优化模块优化充电电价触发值；实时电价获取模块获取实时电价；常规充电控制模块执行常规充电控制策略；特殊充电控制模块判断是否执行特殊充电控制策略；本发明基于预测电价，考虑电动汽车充电负荷的时空随机性以及电池充电状态和用户出行需求的各种限制，以最小化用户的充电成本为目标，采用优化算法对用户充电电价触发值进行求解，将触发电价应用于实时电力市场中，当实时电价小于等于该触发值时进入充电状态，否则不充电，直至电池荷电状态达到设定值为止。

Description

一种基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电控制领域，具体涉及一种插入式电动汽车充电控制方法。

背景技术

由于电动汽车在节能减排和产业发展方面的巨大前景，近年已经成为研究的热点领域。电动汽车的能源供给可分为插充和换电两种模式，插充是当前试点较多的模式。在插充模式下，电池与电动汽车一体，对整车实施充电，充电方法与车辆的行驶特性密切相关。电动汽车充电负荷与其他负荷不同，其在时间尺度上具备一定的随机性和可调节性，因此怎样对其充电进行优化控制成为急需解决的问题。

实时电价是在电力市场条件下，着眼于电力的瞬时供需平衡，兼顾电力系统的安全运行，以电能边际成本为定价依据的一种定价方法。目前世界范围内不存在零售侧的实时电价，用户所面临的价格主要为分时电价，较典型的就是峰谷平三段电价。分时电价可以大致反映负荷随时间的变化情况，但只能反映一段时间内负荷的统计规律，而不能精确反映每天各时刻负荷的变化，而实时电价可以反映短期（1h甚至更短时段）的用电量信息，从而更能指导用户优化用电。随着智能电网环境下智能计量系统和通信系统的不断发展，对电动汽车充电负荷实施实时电价已成为未来的趋势。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种能够合理平衡用户充电成本和出行需求风险的基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法。

技术方案：本发明所述的一种基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法，包括以下步骤：

（1）电价预测模块根据历史电价和负荷在一天前对实时电价进行预测；

（2）用户信息接收模块判断用户在工作区或住宅区充电；

（3）用户信息接收模块读取用户的出行信息，即用户到达充电地点的时间及离开时间；

（4）用户信息接收模块读取电动汽车的初始荷电状态和离开时最低荷电状态；

（5）充电参数设置模块设置充电机的充电参数，并计算常规充电时间；

（6）日前预调度优化模块根据实时电价预测值和用户的出行约束等优化充电电价触发值；

（7）进入实时电力市场，设置初始时刻；

（8）判断用户是否启用特殊充电控制策略，若启用，则执行步骤（9），否则转步骤（11）；

（9）计算用户在该时刻达到出行需求所需的剩余充电时间；

（10）特殊充电控制模块判断是否到达临界充电区域，若到达则以额定功率进行充电，直至满足用户设定的离开时最低荷电状态为止，完成后转步骤（14），否则执行步骤（11）；

（11）实时电价获取模块获取该时刻的实时电价；

（12）常规充电控制模块比较实时电价与充电电价触发值的大小，若实时电价不大于触发电价则以额定功率进行充电；否则不充电，直接进入步骤（13）；

（13）判断是否超过离开时间，若未超过，则进入下一时刻，转步骤（8）；

（14）判断是否到达电动汽车样本总数，若未到达，则开始优化下一个用户的充电策略，转步骤（2）。

进一步，所述日前预调度优化模块的目标在于节约用户的充电成本，充电电价触发值越低，则用户的充电成本越低，故日前预调度优化模块以最小化充电电价触发值为目标函数，同时需满足的约束条件包括充电状态约束、充电功率约束、荷电状态约束和用户出行需求约束。

进一步，步骤（10）中所述临界充电区域为该时刻距用户设定的离开时刻的时间长度小于等于从该时刻的荷电状态至设定荷电状态用户所需的剩余充电时间。

有益效果：1、本发明基于预测电价，考虑电动汽车充电负荷的时空随机性以及电池充电状态和用户出行需求的各种限制，以最小化用户的充电成本为目标，采用优化算法，对用户充电电价触发值进行求解，将得到的触发电价应用于实时电力市场中，当实时电价小于等于该触发值时用户进入充电状态，否则不充电，直至电池荷电状态达到设定值为止；2、本发明还可避免预测电价误差带来的用户出行需求无法满足的问题，当用户启用特殊充电模式时电动汽车智能终端可实时动态检测电池的荷电状态及所需的剩余充电时间，判断是否到达临界充电时刻，若达到，则立即进行充电，从而保证用户在离开前电量满足出行需求，本发明可合理平衡用户的充电成本和出行需求风险。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图；

图2为预测电价和实时电价数据；

图3为实时电价下单个用户充电功率曲线；

图4为实时电价下规模化电动汽车充电功率曲线。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明主要针对实时电价下插入式电动汽车的充电控制方法，对于分时电价而言，可将各个电价区间划分为多个不同的时段，所以也可采用本发明提出的方法。

实施例1：对单个电动汽车的充电方法进行优化控制，一种基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

（1）电价预测模块初始化电网信息，并进行实时电价信息预测，本实施例采用2013年4月24日NYISO LONGIL的日前预测电价数据，如图2所示；

（2）用户信息接收模块判断用户i在工作区还是在住宅区充电；

由于电动汽车在住宅区和工作区停留时间较长，因此可以充分利用该段时间进行充电，用户可自行选择充电地点；假设用户在工作区和住宅区充电的比例分别为η₁和η₂，本实例中，取η₁和η₂分别为35.5％和64.5％。

（3）用户信息接收模块读取电动汽车在线时间t_start～t_end，根据用户上下班时间的出行规律，到达充电地点的时间t_start及离开的时间t_end均近似服从正态分布；本实施例用户到达工作区充电及离开的时间服从正态分布N(9,0.5²)和N(18,0.5²)，到达住宅区充电及离开的时间分别近似服从正态分布N(19,1.5²)和N(7,0.5²)；

（4）用户信息接收模块读取电动汽车的初始荷电状态soc₀和离开时最低荷电状态soc_set，本实施例电动汽车电池的起始荷电状态和离开时设定荷电状态均服从均匀分布U(0.2W_C,0.3W_C)和U(0.7W_C,0.8W_C)，W_C为电动汽车电池容量；

（5）充电参数设置模块计算常规充电时间t_c，其计算公式如下：

$t_c=\frac{({\mathrm{soc}}_{\mathrm{set}}-{\mathrm{soc}}_0)\×W_C}{P_C}$

其中，P_C为电池的额定充电功率，W_C为电动汽车电池容量，(soc_set-soc₀)×W_C为用户的充电电量需求；

（6）日前预调度优化模块根据日前预调度模型优化充电电价触发值p_set，为节约用户的充电成本，同时满足其出行约束，根据日前预测电价可建立日前预调度模型minp_set；用户的出行约束使得p_set不能过小，必须在满足用户出行需求的前提下最小化触发电价值，约束条件包括：

①充电状态约束，有

其中，δ^DA(t)为日前预调度中表示电动汽车充电状态的变量，δ^DA(t)为1时表示电动汽车处于充电状态，为0时不充电；price^DA(t)为实时电价的预测值，soc^DA(t)为表示电动汽车t时刻荷电状态的变量；

②充电功率约束，假设充电机以额定功率给电动汽车进行充电，有

P^DA(t)＝δ^DA(t)P_C,t_start≤t＜t_end

其中，P^DA(t)表示日前预调度策略下电动汽车t时刻的充电功率；

③荷电状态约束，有

${\mathrm{soc}}^{\mathrm{DA}}\left(t\right)={\mathrm{soc}}_0+\frac{\underset{t_{\mathrm{start}}}{\overset{t_{\mathrm{end}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}^{\mathrm{DA}}\left(t\right)\mathrm{\Δt}}{W_C},t\≤t_{\mathrm{end}}$

其中，Δt为最小时间间隔；

④用户出行约束，有

soc^DA(t_end)≥soc_set

（7）进入实时电力市场，设置初始时刻k=t_start；

（8）通过读取电动汽车智能终端的相应用户设定信息，判断用户是否启用特殊充电控制策略，若启用则执行步骤（9），否则转步骤（11）；

（9）计算剩余充电时间t_d(t)

$t_d\left(k\right)=\frac{({\mathrm{soc}}_{\mathrm{set}}-{\mathrm{soc}}^{\mathrm{RT}}\left(k\right))\×W_C}{P_C}$

其中，soc^RT(k)为时刻k的实际荷电状态；

（10）特殊充电控制模块判断是否到达临界充电区域，若k≥t_end-t_d(k)，则立即进入特殊充电状态，以额定功率进行充电，直至达到用户设定的离开时最低荷电状态为止，完成后转步骤（14），对应于特殊充电控制模块，有：

P^RT(k)＝P_Ct_end-t_d(k)≤k＜t_end

其中，P^RT(k)为用户在k时刻的实际充电功率；

若k<t_end-t_d(t)，则执行步骤（11）；

（11）实时电价获取模块获取第k个时段的实时电价price^RT(k)，本实施例中，采用2013年4月24日NYISO LONGIL的实时电价数据，如图2所示；

（12）若实时电价price^RT(k)小于等于充电电价触发值p_set，则进入常规充电模式，有：

${\mathrm{soc}}^{\mathrm{RT}}\left(k\right)={\mathrm{soc}}^{\mathrm{RT}}(k-1)+\frac{P^{\mathrm{RT}}(k-1)\mathrm{\&Delta;t}}{W_C}$

否则不充电，直接进入步骤（13）；

（13）判断k时刻是否超过离开时间t_end，若未超过，令k=k+1，转步骤（8）；

（14）判断是否到达电动汽车样本总数，若未到达，则令i=i+1，转步骤（2）；

（15）达到样本总数，停止计算。

本实施例假设某电动汽车用户选择在住宅区充电，i=1，其在线时间为20:00pm～9:00am，电动汽车的电池容量为30kWh，入网时初始荷电状态为20%，在离开前必须达到80%电池容量，电动汽车在常规状态下的额定充电功率P_C=3kW，则可以计算求出其常规充电时间t_c为6h。假设该用户启用特殊充电模式，基于日前预测电价，可以得到在满足用户出行需求下的最低电价触发值p_set为47.37$/MWHr，其日前预测充电时间为0:00am～6:00am，实时电力市场中在该电价设定值下用户将于1:00am开始充电，当到达7：00am时即可达到设定荷电状态，该用户无需进入特殊充电状态，用户的日前预调度充电功率曲线和实时充电功率曲线如图3所示。

实施例2：与实施例1的充电控制方法相同，所不同的是对多个电动汽车的充电方法进行优化控制，假设某地区的电动汽车保有量为100000辆，其基本参数设置如表1所示。基于蒙特卡罗仿真方法，根据表1的数据，随机产生规模化电动汽车的出行及充电参数，并对电动汽车的日前预调度计划和启用特殊充电控制模式的实时调度计划进行优化求解，仿真结果如图4所示。

表1电动汽车相关参数

可以看出，电价预测的不准确性导致实时充电功率与日前预测充电功率存在一定的偏差，事实上在实时电价下，即使不开启特殊充电模式，电动汽车也基本能完成其充电任务，但是用户将承担一定的风险，用户可根据其出行要求和承担风险的能力选择是否进行特殊充电。

表2为开启特殊充电模式的用户占总用户比例α=30%、60%和90%情况下的总充电成本和出行需求满足情况。可见，启用特殊充电功能的用户所占比例越高，则其总充电费用越高，而出行需求得不到满足的用户比例越低。

表2不同比例用户参与紧急充电的峰值负荷及其出行需求满足情况

通过以上分析可以看出：本发明提出的基于实时电价的插入式电动汽车充电控制策略，可利用电网的预测电价和实时电价信息，合理分配用户的充电功率需求，并能根据用户的意愿选择是否采用特殊充电控制策略，从而合理平衡用户的充电成本和出行需求风险。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）电价预测模块根据历史电价和负荷在一天前对实时电价进行预测；

（2）用户信息接收模块判断用户在工作区或住宅区充电；

（3）用户信息接收模块读取用户的出行信息，即用户到达充电地点的时间及离开时间；

（4）用户信息接收模块读取电动汽车的初始荷电状态和离开时最低荷电状态；

（5）充电参数设置模块设置充电机的充电参数，并计算常规充电时间；

（6）日前预调度优化模块根据实时电价预测值和用户的出行约束优化充电电价触发值；

（7）进入实时电力市场，设置初始时刻；

（8）判断用户是否启用特殊充电控制策略，若启用，则执行步骤（9），否则转步骤（11）；

（9）计算用户在该时刻达到出行需求所需的剩余充电时间；

（10）特殊充电控制模块判断是否到达临界充电区域，若到达则以额定功率进行充电，直至满足用户设定的离开时最低荷电状态为止，完成后转步骤（14），否则执行步骤（11）；

（11）实时电价获取模块获取该时刻的实时电价；

（12）常规充电控制模块比较实时电价与充电电价触发值的大小，若实时电价不大于触发电价则以额定功率进行充电；否则不充电，直接进入步骤（13）；

（13）判断是否超过离开时间，若未超过，则进入下一时刻，转步骤（8）；

（14）判断是否到达电动汽车样本总数，若未到达，则开始优化下一个用户的充电策略，转步骤（2）。

2.根据权利要求1所述的基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法，其特征在于：步骤（6）所述日前预调度优化模块以最小化充电电价触发值为目标函数，同时需满足的约束条件包括充电状态约束、充电功率约束、荷电状态约束和用户出行需求约束。

3.根据权利要求1所述的基于实时电价的插入式电动汽车充电控制方法，其特征在于：步骤（10）中所述临界充电区域为该时刻距用户设定的离开时刻的时间长度小于等于从该时刻的荷电状态至设定荷电状态用户所需的剩余充电时间。

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