CN107176046A - 基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法 - Google Patents

基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法，包括如下步骤：首先，建立电动汽车充电失败风险评估模型；其次，当电动汽车接入充电站时，获取电动汽车的状态信息；再次，为电动汽车提供3种充放电方案，由用户进行选择；进一步地，根据充电失败风险评估模型评估电动汽车的充电失败风险，并分别对不同方案的电动汽车进行排序；最后，由充电站控制电动汽车的充放电过程。本发明提出的电动汽车充放电控制方法，能够对评估电动汽车的充电失败风险，降低电动汽车的充电失败次数和缺充电量，提高充电站的客户服务质量和电动汽车车主的满意度。

Description

基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统的电动汽车充放电控制方法，具体涉及一种基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法。
背景技术
随着环境和能源问题的日益严峻，电动汽车凭借其节能、环保、清洁等优势得到了世界各国政府的普遍重视。根据国务院规划，到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车的市场保有量将超过500万辆，发展潜力巨大。汽车是人们日常出行的代步工具，电动汽车作为汽车的一种，其能否满足用户的出行需求是用户最关心的问题。特别是纯电动汽车，车载动力电池是其唯一动力来源，电池能否在可充电时段内完成充电会直接影响车主的出行和生活。
当前关于电动汽车充放电控制方法的研究主要集中在充电站运行成本、充电费用以及电网负荷的优化等方面，暂时还未有关于电动汽车充电失败风险评估的相关研究内容。当前受限于充电站的充电桩数量以及配电变压器的容量限制，电动汽车接入充电站后不一定能全部同时进行充电。为了降低电动汽车充电失败的次数、提升充电站运营商的客户服务质量和电动汽车用户的满意度，有必要对计及充电失败风险的电动汽车充放电控制方法进行研究。
本发明基于充电失败风险排序方法，对充电站内电动汽车充放电过程进行有序控制。
发明内容
本发明的目的在于降低电动汽车充放电过程中的充电失败风险，提高电动汽车充电成功率，减少电动汽车不能按时充好电的次数以及缺充电量，提高充电站运营商的客户服务质量和电动汽车用户的充电可靠性水平。
本发明提出一种基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法，包括以下步骤：
1)获取充电站所在配电网的网架结构和电网元件的故障率和修复时间参数，建立电动汽车充电失败风险评估模型；
2)当电动汽车接入充电站时，获取电动汽车的电池容量、充放电功率、接入时的荷电状态(即电池电量占总容量的比例)、到达时刻、预计离开的时刻以及离开时期望的荷电状态信息；
3)充电站为用户提供以下3种充放电方案：①立即充电；②在电价谷时段充电，但不向电网放电；③在电价峰时段向电网放电并在电价谷时段充电，由用户选择充放电方案；
4)根据充电失败风险评估模型评估每辆电动汽车的充电失败风险，并按照充电失败风险分别对不同方案的电动汽车进行排序；
5)按照用户所选的充电方案、分时电价、配电变压器的容量以及排序结果控制电动汽车进行充放电。
上述的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法中，所述的充电失败是指电动汽车未能在离开充电站前将电池充到所需的电量。所述电动汽车的充电失败风险评估模型为：
式(1)中：t表示当前的时刻；γi,t表示第i辆电动汽车在时刻t时的充电失败风险；K为会影响充电站所在负荷点的供电可靠性的电网元件数量；Tc,i,t表示第i辆电动汽车在t时之后的可充电时间；Tn,i,t表示第i辆电动汽车在t时之后的需充电时间；TR,k表示第k个元件的平均故障修复时间；λk表示第k个电网元件的平均故障率。
式(1)中：Tc,i,t和Tn,i,t的计算方法分别如式(2)和式(3)所示：
Tc,i,t＝tl,i-t (2)
Tn,i,t＝(SOCi,l-SOCi,t)Qi/Pi (3)
式(2)和式(3)中：tl,i表示第i辆电动汽车的预期离开时间；SOCi,l表示第i辆电动汽车离开时期望的电池荷电状态；SOCi,t表示第i辆电动汽车在时间为t时的荷电状态；Qi表示第i辆电动汽车的电池容量；Pi表示第i辆电动汽车的充放电功率。
上述的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法中，所述的按照充电失败风险对待充电的电动汽车进行排序，具体实现步骤包括：
i.选择充电方案1的电动汽车按照充电失败风险由高到低进行排序；
ii.选择充电方案3的电动汽车在电价峰时段按照充电失败风险由低到高进行排序，并将充电失败风险高于某一限定值λmax的电动汽车归入充电失败风险过高集合H；
iii.选择充电方案2和3的电动汽车在电价谷时段按照充电失败风险由高到低统一进行排序。
上述的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法中，所述的按照用户所选的充电方案、分时电价、配电变压器容量以及排序结果控制电动汽车的充放电，具体包括以下步骤：
i.对于选择方案1的电动汽车，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电，其中配电变压器容量约束如式(4)所示：
式(4)中：Lt为在时间为t时配电变压器所接的除充电站外的其它所有负荷；Nt为在时间为t时接入充电站的电动汽车数量；Si,t为第i辆电动汽车在时刻t的充放电状态，Si,t＝1表示处于充电状态，Si,t＝-1表示处于放电状态，Si,t＝0表示处于非充放电状态；PT为配电变压器的最大负载功率；
ii.对于选择方案2的电动汽车，待到电价谷时段开始后，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电；
iii.对于选择方案3的电动汽车，在电价峰时段根据电网需要优先安排充电失败风险低的电动汽车向电网放电，其中集合H内的电动汽车不参与放电；在电价谷时段，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)提出了充电失败风险的概念，并在电动汽车充放电过程中予以考虑，相比于现有的充放电控制方法，能够降低电动汽车充电失败的次数和缺充电量，避免电动汽车因充电失败而影响车主的日常出行，提高电动汽车用户的使用体验和满意度。
(2)能够在满足配电网容量约束的条件下，给电动汽车用户更多的充放电方案选择，提高充电站对电动汽车充电的成功率和客户服务质量。
附图说明
图1是基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法的流程示意图。
图2是具体实施例的电网架构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
图1反映了基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法的具体流程，包括以下步骤：
1)获取充电站所在配电网的网架结构和电网元件的故障率和修复时间参数，建立电动汽车充电失败风险评估模型，如下所示：
式(1)中：t表示当前的时刻；γi,t表示第i辆电动汽车在时刻t时的充电失败风险；K为会影响充电站所在负荷点的供电可靠性的电网元件数量；Tc,i,t表示第i辆电动汽车在t时之后的可充电时间；Tn,i,t表示第i辆电动汽车在t时之后的需充电时间；TR,k表示第k个元件的平均故障修复时间；λk表示第k个电网元件的平均故障率。
式(1)中：Tc,i,t和Tn,i,t的计算方法分别如式(2)和式(3)所示：
Tc,i,t＝tl,i-t (2)
Tn,i,t＝(SOCi,l-SOCi,t)Qi/Pi (3)
式(2)和式(3)中：tl,i表示第i辆电动汽车的预期离开时间；SOCi,l表示第i辆电动汽车离开时期望的电池荷电状态；SOCi,t表示第i辆电动汽车在时间为t时的荷电状态；Qi表示第i辆电动汽车的电池容量；Pi表示第i辆电动汽车的充放电功率。
2)当电动汽车接入充电站时，获取电动汽车的电池容量、充放电功率、接入时的荷电状态(即电池电量占总容量的比例)、到达时刻、预计离开的时刻以及离开时期望的荷电状态信息；
3)充电站为用户提供以下3种充放电方案：①立即充电；②在电价谷时段充电，但不向电网放电；③在电价峰时段向电网放电并在电价谷时段充电，由用户选择充放电方案；
4)根据充电失败风险评估模型评估每辆电动汽车的充电失败风险，并按照充电失败风险分别对不同方案的电动汽车进行排序，具体排序步骤如下所示：
i.选择充电方案1的电动汽车按照充电失败风险由高到低进行排序；
ii.选择充电方案3的电动汽车在电价峰时段按照充电失败风险由低到高进行排序，并将充电失败风险高于某一限定值λmax的电动汽车归入充电失败风险过高集合H；
iii.选择充电方案2和3的电动汽车在电价谷时段按照充电失败风险由高到低统一进行排序。
5)按照用户所选的充电方案、分时电价、配电变压器的容量以及排序结果控制电动汽车进行充放电，具体包括以下步骤：
i.对于选择方案1的电动汽车，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电，其中配电变压器容量约束如式(4)所示：
式(4)中：Lt为在时间为t时配电变压器所接的除充电站外的其它所有负荷；Nt为在时间为t时接入充电站的电动汽车数量；Si,t为第i辆电动汽车在时刻t的充放电状态，Si,t＝1表示处于充电状态，Si,t＝-1表示处于放电状态，Si,t＝0表示处于非充放电状态；PT为配电变压器的最大负载功率；
ii.对于选择方案2的电动汽车，待到电价谷时段开始后，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电；
iii.对于选择方案3的电动汽车，在电价峰时段根据电网需要优先安排充电失败风险低的电动汽车向电网放电，其中集合H内的电动汽车不参与放电；在电价谷时段，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电。
以下是本发明方法的一个实际算例，图2显示了该配电网的拓扑结构，其中LP20为电动汽车接入的住宅小区负荷点。根据实际情况和电动汽车的发展前景，对电动汽车仿真参数作如下假设：1)电池容量为24kW·h；2)采用恒功率充放电模型，功率为3kW，效率为95％；3)配电变压器容量为750kVA，日负荷曲线如表1所示，最大负荷率为80％；4)LP20共接入170辆电动汽车，其中60％为方案1用户，25％为方案2用户，15％为方案3用户；5)分时电价为07:00—23:00为高峰电价1.0064元/(kW·h)，23:00—次日07:00为低谷电价0.2495元/(kW·h)，电动汽车放电电价为高峰电价的80％。
图2所示的网架结构中，各元件故障率参数如表2所示，假定故障隔离及负荷转供的开关切换时间为1h。
表1日负荷变化曲线(时间间隔为15min)
表2电网元件可靠性参数
基于本文所提的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法对LP20的电动汽车进行控制，与未实施本文所提的充放电控制方法进行对比，选择不同充放电方案的电动汽车的年均缺充电量指标如表3所示。
表3电动汽车年均缺充电量指标
由表3可以看出，实施所提的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法后，每辆电动汽车平均每年缺充电量减少11.9％，可有效降低电动汽车的充电失败风险和年均缺充电量。

Claims (4)

1.一种基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)获取充电站所在配电网的网架结构和电网元件的故障率和修复时间参数，建立电动汽车充电失败风险评估模型；
2)当电动汽车接入充电站时，获取电动汽车的电池容量、充放电功率、接入时的荷电状态、到达时刻、预计离开的时刻以及离开时期望的荷电状态信息；
3)充电站为用户提供以下3种充放电方案：方案1、立即充电；方案2、在电价谷时段充电，但不向电网放电；方案3、在电价峰时段向电网放电并在电价谷时段充电，由用户选择充放电方案；
4)根据充电失败风险评估模型评估每辆电动汽车的充电失败风险，并按照充电失败风险分别对不同方案的电动汽车进行排序；
5)按照用户所选的充电方案、分时电价、配电变压器的容量以及排序结果控制电动汽车进行充放电。
2.根据权利要求1所述的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：步骤1)所述的充电失败是指电动汽车未能在离开充电站前将电池充到所需的电量，电动汽车的充电失败风险评估模型为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>K</mi> </munderover> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mn>0</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中：t表示当前的时刻；γi,t表示第i辆电动汽车在时刻t时的充电失败风险；K为会影响充电站所在负荷点的供电可靠性的电网元件数量；Tc,i,t表示第i辆电动汽车在t时之后的可充电时间；Tn,i,t表示第i辆电动汽车在t时之后的需充电时间；TR,k表示第k个元件的平均故障修复时间；λk表示第k个电网元件的平均故障率；
式(1)中：Tc,i,t和Tn,i,t的计算方法分别如式(2)和式(3)所示：
Tc,i,t＝tl,i-t (2)
Tn,i,t＝(SOCi,l-SOCi,t)Qi/Pi (3)
式(2)和式(3)中：tl,i表示第i辆电动汽车的预期离开时间；SOCi,l表示第i辆电动汽车离开时期望的电池荷电状态；SOCi,t表示第i辆电动汽车在时间为t时的荷电状态；Qi表示第i辆电动汽车的电池容量；Pi表示第i辆电动汽车的充放电功率。
3.根据权利要求1所述的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：步骤4)所述的按照充电失败风险分别对不同方案的电动汽车进行排序，具体步骤包括：
i.选择充电方案1的电动汽车按照充电失败风险由高到低进行排序；
ii.选择充电方案3的电动汽车在电价峰时段按照充电失败风险由低到高进行排序，并将充电失败风险高于限定值λmax的电动汽车归入充电失败风险过高集合H；
iii.选择充电方案2和3的电动汽车在电价谷时段按照充电失败风险由高到低统一进行排序。
4.根据权利要求1所述的基于充电失败风险排序的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：步骤5)所述的按照用户所选的充电方案、分时电价、配电变压器容量以及排序结果控制电动汽车的充放电，包括以下步骤：
i.对于选择方案1的电动汽车，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电，其中配电变压器容量约束如式(4)所示：
<mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>t</mi> </msub> </munderover> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>&lt;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(4)中：Lt为在时间为t时配电变压器所接的除充电站外的其它所有负荷；Nt为在时间为t时接入充电站的电动汽车数量；Si,t为第i辆电动汽车在时刻t的充放电状态，Si,t＝1表示处于充电状态，Si,t＝-1表示处于放电状态，Si,t＝0表示处于非充放电状态；PT为配电变压器的最大负载功率；
ii.对于选择方案2的电动汽车，待到电价谷时段开始后，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电；
iii.对于选择方案3的电动汽车，在电价峰时段根据电网需要优先安排充电失败风险低的电动汽车向电网放电，其中集合H内的电动汽车不参与放电；在电价谷时段，在满足配电变压器容量约束条件下，按照步骤4)的排序结果控制电动汽车进行充电。
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