CN108062614B - 一种港口电动牵引车充换电调度方法 - Google Patents

一种港口电动牵引车充换电调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种港口电动牵引车充换电调度方法，属于电力系统运行和控制技术领域。本发明在作业任务开始时，分析电动牵引车电池初始荷电状态，确保车辆电池电量大于满足行驶需求的最小规定荷电量；在作业任务过程中，当出现有电动牵引车的电池的荷电状态小于满足行驶需求的最小规定荷电量时对相应电池优先换电，当一批电动牵引车的电量处在同一区间范围时，提前制定换电计划。本发明能够计算港口电动牵引车充换电的经济性，在保障车辆连续作业的前提下辅助港口方制定经济的作业时间计划，同时在港口负荷高峰时期可以添加储能回馈的高级应用。

Description

一种港口电动牵引车充换电调度方法
技术领域
本发明涉及一种港口电动牵引车充换电调度方法，属于电力系统运行和控制技术领域。
背景技术
目前对于港口牵引车调度方法的研究很多，随着绿色港口的发展，牵引车电动化也逐步得到示范应用，但对于港口电动牵引车的充换电调度方法、充电经济性及其调峰应用的研究较少。
由于港口的作业大多是长时间连续不断的，电动牵引车动力电池的电量是有限的，在完成一次任务的过程中锂电池要跟换多次，电池的荷电量和数量必须满足相应的行驶要求才能保证车辆的不间断作业，需要研究基于电动牵引车实时荷电状态监测的充换电调度方法。
此外，电动牵引车的耗电量非常大，对于港口方来说是一笔不小的花费。而国内大多数港口采用分时电价，船舶在不同时刻进入港口，持续作业时间包含峰谷平三个时间段的长度会有所不同，电费也会不同，研究分时电价下的船舶进港和作业时间的经济性可以节省电费开支。
最后，由于港口的主要负荷是起重装卸机械，冲击性短时峰值负荷出现的频率很高。如能够通过合理的调度办法实现电池充电非同时性，就能避免同时充电功率过大。另外，当港口配电网遇到短时用电高峰时，如能通过电动牵引车电池为港口提供功率支撑，就能降低峰值负荷，减少峰值功率对港口电气设备安全运行带来的影响。
发明内容
本发明的发明目的是：根据现有技术不能满足上述对于港口电动牵引车的充换电调度方法、充电经济性及其调峰应用的需求的问题，提供一种港口电动牵引车充换电调度方法。该方法考虑经济性因素及港机设备不间断作业要求，对于完成不同时刻进入港口的船舶运载货物量的作业任务，制定电动牵引车合理的充换电调度计划，并在港口短时高峰负荷时通过电池回馈电网的电能辅助调峰。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案，包括以下内容：在作业任务开始时，分析电动牵引车电池初始荷电状态，确保车辆电池电量大于满足行驶需求的最小规定荷电量；在作业任务过程中，当出现有电动牵引车的电池的荷电状态小于满足行驶需求的最小规定荷电量时对相应电池优先换电，当一批电动牵引车的电量处在同一区间范围时，提前制定换电计划。
上述技术方案的进一步特征在于，还包括计算不同时刻进入港口的船舶装卸作业过程中电动牵引车充电经济性步骤，所述计算不同时刻进入港口的船舶装卸作业过程中电动牵引车充电经济性步骤包括以下内容：以每天为周期、每半小时为时间间隔，计算不同时刻船舶进入港口作业所需充电费用，所述充电费用根据船舶在港时间的峰谷平区间用电量计算，根据充电费用辅助港口方制定作业计划。
上述技术方案的进一步特征在于，还包括电池能量回馈电网的辅助调峰应用步骤，所述电池能量回馈电网的辅助调峰应用步骤包括以下内容：当港口配电网出现短时负荷尖峰时，将具备能量回馈条件的换电站电池变换其充电状态为上网状态。如果港口配电网功率缺额小于电池的最大回馈功率，优先选择荷电量最大的电池，否则结合港口需求卸载或减少港口辅助负载。
本发明的有益效果在于：本发明对电池的初始状态、运行状态、换电状态以及运输时间段的峰谷平价进行跟踪，分析运行车辆电池的电量数据，对于可能造成批量换电的聚类数据进行调整，制定聚类数据的排队换电策略，尽量避免批量换电造成车辆延误，作业延迟。由于每艘船舶的货物装卸运输任务需要多辆电动牵引车，每辆车电池会换电多次，每次换电时间不同，备用电池充电时间不同，峰谷平电价区间不同，所以最终的充电费用不同。通过本发明提出的充换电策略，能够计算港口电动牵引车充换电的经济性，在保障车辆连续作业的前提下辅助港口方制定经济的作业时间计划，同时在港口负荷高峰时期可以添加储能回馈的高级应用。
附图说明
图1为基于港口电动牵引车实时荷电状态分析的调度流程图。
图2为不同时刻进入港口船舶作业的用电费用计算流程图。
图3为电动牵引车辅助港口配电网调峰策略流程图。
具体实施方式
下面参照附图，并结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例为一种港口电动牵引车充换电调度办法。具体而言，本实施例考虑了港口作业不间断性的要求，合理的制定调度方法，并对不同时间进入港口的船舶货物运输作业消耗的电能进行计算，按照分时电价计算出用电费用。本实施例将换电站充电控制系统与港口配电网实时运行监控系统紧密联系，开发出一个港口小型的B2G(Battery-to-grid)高级应用环境，即正常时刻由电网向电池充电，当配电网出现短时尖峰时，换电站电池可以改变充电状态，变为停止充电或上网供电状态，降低港口峰值负荷。
不同时刻进入港口的船舶装卸作业过程中电动牵引车充换电调度方法及其经济性计算的主要流程如下：
1、基于牵引车电池实时荷电状态的充换电调度方法
如图1所示，设船舶进入港口为T时刻，港口方计划完成作业时刻为TP，△t为实时更换电池时刻与上一次更换电池时刻的时间间隔，作业任务开始时各电动牵引车电池的初始荷电状态分别为soc(1),soc(2),soc(3),......,soc(n)，n为电动牵引车的总数，则分析电动牵引车电池的初始荷电状态，确保每辆车电池电量大于满足基本行驶需求的最小规定荷电量，即满足下式：
soc(i)＞socmin
其中，socmin为满足基本行驶需求的最小规定荷电量，i为各电动牵引车的序号，soc(i)表示第i个电动牵引车电池的初始荷电状态。一般情况下，电池初始电量充足，能满足电池的持续多次充换电作业要求。
随着电动牵引车进入运输队列正常运行，电量不停的消耗，出现实时荷电状态小于等于socmin的车辆的电池需要优先换电，换电时将电动牵引车中最小荷电状态的电池与换电站最大荷电量的电池进行调换，以此类推。另一方面，当出现同一批次的电量时，后续可能出现批量换电的情形，不利于港口作业，造成车辆延误、作业等待问题，所以需要根据电动牵引车的荷电状态值，当一批电动牵引车电池的电量处在同一区间范围时，提前制定换电计划，换取换电站最大荷电量电池。可将换电条件表示如下：
Figure BDA0001451371540000041
其中，socr(i)表示第i个电动牵引车电池的实时荷电状态，z为设定的区间范围比例，socfull代表满荷电量，区间范围与处于这一区间的电池数量有关，一般区间值越高，处于这一区间的电池数量就越多，区间值越小，处于这一区间段的电池数量就越小，x代表处于这一区间的电动牵引车的总数。
当港口方计划完成作业时刻TP到来后，就完成了作业任务，此时电池进行充电直至下一班作业任务到来。
2、计算不同时刻进入港口的船舶装卸作业过程中电动牵引车充电经济性
如果港口全部采用电动牵引车，配备的数量非常多，用电量会很大，其经济性不容忽视。目前中国大多港口遵循峰谷平电价，部分地区有尖峰电价，各地峰谷平时间段不同，导致船舶在港口停泊期间电动牵引车的充电费用不同。因此有必要对港口作业时电动牵引车充电的分时电价的经济性计算开展研究。
设船舶进入港口时刻为T，离岗时间为Tn，根据港口的峰谷平电价的时间范围将此段划分为峰、谷、平三个时间段，即
Tn-T＝T1+T2+T3
其中，T1表示船舶在港时间处于港口负荷峰值时的时间总长，T2表示船舶在港时间处于港口负荷谷值时的时间总长，T3表示船舶在港时间处于港口负荷平值时的时间总长。
分析充电系统采集的电力数据，划分峰谷平时段时间总长，统计充电电量分别为Q1、Q2和Q3，Q1表示T1内的充电电量，Q2表示T2内的充电电量，Q3表示T3内的充电电量，则计算充电费用为：
Pall＝Q1*P1+Q2*P2+Q3*P3
其中，Pall为船舶入港作业期间的总充电费用，P1表示峰时电价，P2表示谷时电价，P3表示平时电价。
为了绘制船舶不同时刻进入港口的充电费用，如图2所示，以每天为周期，每半小时为时间间隔，记录从船舶入港作业时刻开始到完成后的换电站充电功率-时间曲线，根据峰谷平价格区间划分功率曲线，分段计算各部分电价，计算不同时刻进入港口作业所需费用，最后计算作业期间总的充电费用，从而得到船舶不同时刻进入港口的充电费用的分布图。此时可根据最小充电费用、最大充电费用所在时间段制定作业计划，预选择经济性最好、时间段适宜的作业范围。
3、电池能量回馈电网的辅助调峰应用
由于电动牵引车与换电站之间进行电池的循环更替，换电站对非满电状态的电池充电，当电池充满电后可能会存在充电位闲置。根据港口起重机械的功率特性，短时峰值功率出现的频率很高，持续时间较长的峰值功率会对港口的电气设备会带来损坏，换电站电池可以提供部分电池功率回馈电网，减小峰值功率。
如图3所示，根据船舶进入港口时刻T以后港口作业的电力负荷情况，得到港口的实时负荷值PA和根据港口以往的电力负荷统计制定的峰值PP。
若PA小于等于PP，则电动牵引车按照充换电调度流程有序工作，无需回馈电网的辅助调峰应用；否则考虑电动牵引车作业任务，是否具备给予一定时间功率支撑条件，即将具有一定电量能够具备能量回馈条件的换电站电池，变换其充电状态为上网状态。
如果港口配电网功率缺额不大，优先选择荷电量最大的电池；如果缺额功率太大，电池无法满足功率的补偿量，可结合港口需求，卸载某些辅助性负荷，保证电网和装卸作业的顺利进行。即设换电站每个充电位的功率为p，具备能量回馈条件的电池数量为fn，电网短时峰值功率缺额为Pv，则当Pv大于p*fn时，不仅要进行换电站的电池能量回馈，同时还要结合港口需求卸载或减少港口辅助负载，否则只需进行换电站的电池能量回馈即可。
考虑港口作业负荷峰值持续时间tp的因素，相比而言，每次最多能够提供电池能量回馈的时间t是有限的，并不是都能够在配电网负荷峰值的全部时间给予功率支撑。因此若t大于tp，则在tp之后(即峰值过后)就可恢复到电池原来的充换电调度作业，否则在t之后，就恢复到电池原来的充换电调度作业，此时通过港口短时间内峰值负荷运行或是卸载负载保证港口配电网的正常运作。电池能量回馈的时间t的计算方法如下：
t＝(sum(socf)-fn*socfull*mmin)/pm
其中，socf为所有具备能量回馈条件的电池的集合，mmin为具备能量回馈条件的最小电池电量比例，mmin*socfull代表具备能量回馈条件的最小电池电量，pm为上网平均功率计算值。
完成港口货物装卸工作之后，电池进行充电直至下一班作业任务到来。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (2)

1.一种港口电动牵引车充换电调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于牵引车电池实时荷电状态的充换电调度步骤：在作业任务开始时，分析电动牵引车电池初始荷电状态，确保车辆电池电量大于满足行驶需求的最小规定荷电量；在作业任务过程中，当出现有电动牵引车的电池的荷电状态小于满足行驶需求的最小规定荷电量时对相应电池先换电，当一批电动牵引车的电量处在同一区间范围时，提前制定换电计划，换取换电站最大荷电量电池；当港口方计划完成作业任务后，电池进行充电直至下一班作业任务到来；
电池能量回馈电网的辅助调峰应用步骤：根据船舶进入港口时刻T以后港口作业的电力负荷情况，得到港口的实时负荷值PA和根据港口以往的电力负荷统计制定的峰值PP；若PA小于等于PP，则电动牵引车按照充换电调度流程有序工作，无需回馈电网的辅助调峰应用，否则将具备能量回馈条件的换电站电池变换其充电状态为上网状态，此时设换电站每个充电位的功率为p，具备能量回馈条件的电池数量为fn，电网短时峰值功率缺额为Pv，则当Pv大于p*fn时，需要在进行换电站的电池能量回馈的同时结合港口需求卸载或减少港口辅助负载，否则只需进行换电站的电池能量回馈；电池能量回馈的时间需考虑港口作业负荷峰值持续时间tp的影响，设每次最多能够提供电池能量回馈的时间为t，如t大于tp，则在tp之后就恢复到电池原来的充换电调度作业，否则在t之后就恢复到电池原来的充换电调度作业，此时通过港口短时间内峰值负荷运行或是卸载负载保证港口配电网的正常运作，所述t的计算方法如下：
t＝(sum(socf)-fn*socfull*mmin)/pm
其中，socf为所有具备能量回馈条件的电池的集合，mmin为具备能量回馈条件的最小电池电量比例，mmin*socfull代表具备能量回馈条件的最小电池电量，pm为上网平均功率计算值。
2.根据权利要求1所述的港口电动牵引车充换电调度方法，其特征在于，还包括计算不同时刻进入港口的船舶装卸作业过程中电动牵引车充电经济性步骤，所述计算不同时刻进入港口的船舶装卸作业过程中电动牵引车充电经济性步骤包括以下内容：
以每天为周期、每半小时为时间间隔，计算不同时刻船舶进入港口作业所需充电费用，所述充电费用根据船舶在港时间的峰谷平区间用电量计算，根据充电费用辅助港口方制定作业计划。
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