CN108407636B - 一种电动汽车本地实时优化充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车本地实时优化充电控制方法，包括以下几个步骤：步骤(1)：充电设备实时检测本地电网频率；步骤(2)：确定所述充电设备初始响应时间；步骤(3)：确定功率调整过程中的限值；步骤(4)：根据步骤(1)中检测到的本地电网频率，调整充电设备的功率输出值。每辆电动汽车采用相同的控制策略，当电动汽车充电设备输出功率满足用户充电需求时，考虑电网状态，根据策略要求进行响应不断调整充电设备的输出功率值，减小对电网的冲击。本发明公开的充电控制方法实现不但能够考虑用户需求，而且实现电动汽车与电网的互动，减小电动汽车对电网的不利影响，可促进充电设施的推广和应用，该方法操作简单，管理方便。

Description

一种电动汽车本地实时优化充电控制方法

技术领域

本发明涉及充电控制技术领域，尤其涉及一种电动汽车本地实时优化充电控制方法。

背景技术

随着石油、煤炭等传统能源的日益枯竭以及环境问题的日益加重，发展新能源技术已经成为全世界解决能源问题的共同选择。作为解决交通、能源和环境的重要手段，发展电动汽车成为提高我国汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济的重要途径。大力发展电动汽车，加快推进节能与新能源汽车的产业化进程，既是有效应对能源和环境挑战、实现我国汽车产业可持续发展的必然选择，也是把握战略机遇，缩短与先进国家差距，实现汽车产业跨越式发展的重要举措及重大战略需求。

近年来，我国积极落实各项电动汽车推广计划，从国家层面开展顶层设计，布局电动汽车推广计划。2012年3月，国家科技部发布了《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，进一步加大对电动汽车科技研发的投入，使我国成为节能及新能源汽车强国。2012年7月，国务院发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》。根据该规划，到2015年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆，到2020年纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。2014年以来，国家相关部委机关纷纷加速落实各项电动汽车推广政策。2014年7月9日，国务院常务会议决定，从2014年9月1日起至2017年底免征新能源汽车车辆购置税。2014年7月13日，国家机关事务管理局发布《政府机关及公共机构购买新能源汽车实施方案》，提出加强公务车采购新能源汽车。2014年7月21日，国务院发布《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》，从打破地方保护、推进充电设施建设、新能源汽车准入条件、政策体系等8个方面提出30条措施，着眼于“生产、购买、使用、监管”四大环节提出相应政策推进新能源汽车的推广。尤其针对电动汽车充电设施配套不完善问题提出了7条措施，针对充电桩的技术标准、用地审批、价格、运营、规划等问题给出了全面指导意见。按照“企业投资为主、政府鼓励引导、形成工作合力、积极稳妥推进”的原则，充分调动社会各方面积极性，加强新能源汽车充电设施建设，保障充电需求，建成与使用规模相适应、满足新能源汽车运行需要的充电设施及服务体系，充电接口与新能源汽车数量比例不低于1:1。2014年7月30日，国家发展改革委下发《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》，确定对电动汽车充换电设施用电实行扶持性电价政策。从购车、充换电设施建设、运营电价优惠、公用车辆带动私用车辆推广等方面积极推动电动汽车推广。2015年11月17日，国家发展改革委等四部门发布的《电动汽车充电基础设施发展指南(2015－2020年)》提出，到2020年，新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求。

大量的电动汽车充电将带来用电负荷的快速增长，会给电力系统带来新的供电压力。大量电动汽车随意充电会给电网带来频率降低、支路容量不匹配等问题。发展和应用电动汽车互联互通充电策略不仅能满足用户充电需求还还可以作为系统备用，参与系统频率调节，对改善电网电能质量具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种电动汽车本地实时优化充电控制方法，该方法基于充电设备对电网状态的监测以及用户充电需求的响应，避免了随意充电对电网造成冲击，使电动汽车充电时具有调频功能。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种电动汽车本地实时优化充电控制方法，包括以下几个步骤：

步骤(1)：充电设备实时检测本地电网频率；

步骤(2)：确定所述充电设备初始响应时间；

步骤(3)：确定频率调整过程中的电动汽车充电功率限值；

步骤(4)：根据步骤(1)中检测到的本地电网频率，调整充电设备的功率输出值。

步骤(1)中，检测所述本地电网频率的具体步骤如下：

将不规则负荷变动规律分解为3种有规律可循的负荷变动：第一种变动幅度小，变化周期短，设为10s以内；第二种变动幅度大，周期长，设为10s-3min；第三种变动幅度最大，周期也最长。

将电力系统有功功率和频率调整分为一次调频、二次调频、三次调频3种：一次调频为第一种变化负荷引起的频率偏移由所有发电机组调速器自动进行调整；二次调频为第二种变化负荷引起的频率偏移通过调速器、调频电厂的发电机调频装置参与频率调整；三次调频为发电厂按事先设定的发电负荷曲线发电。

步骤(2)中，所述充电设备初始响应时间的确定方法如下：

每一电动汽车的初始响应时间t_i服从均衡分布，其产生的初始时刻在[0，T]内是均衡分布，每一周期里每一电动汽车参与响应的机会是均等的；每一周期里，充电设备按初始响应时间进行排序，公式如下：

其中，n为电动汽车总数，T为检测周期。

步骤(3)中，功率调整过程中限值的确定方法如下：

充电设备在功率调整过程中最大功率不会超出充电设备所能提供的最大功率P_i ^max；最小功率P_i ^min必须要使得用户在离开前达到设置的最小充电需求，即最小

P_i ^max由如下公式确定：

其中，

Δt时间内，电动汽车增加的最大电量值为

式中：Q_i为电池容量；η_char为电动汽车充电效率；

为t+Δt时刻所允许最大电量与当前电量的差值；

为当前时刻的电量；P_i ^max为充电设备所能提供的最大充电功率；P_i ^min由如下公式确定：

其中，

计算公式如下：

其中，T_i为第i辆电动汽车离开时刻；

为t+Δt时刻所允许最小电量与当前电量的差值；

为用户离开时需要达到的电量。

步骤(4)中，充电设备输出功率响应依据电网频率偏差情况进行响应，其响应幅度的具体表达式下如公式所示：

式中，L代表响应门槛数，即响应等级，l＝1,2，...，L；α_l为电动汽车的功率调整系数，即电动汽车所调整的功率占其可用功率的百分比，0＜α₁≤α₂≤...≤α_L＜100％；δ_i为响应等级l的响应门槛；P_i为电动汽车i的可用功率：

1)当Δf_t为正时，P_i为电动汽车i可增加的最大充电功率；

2)当Δf_t为负时，P_i为电动汽车i可减少的最大充电功率；sign为符号函数，其表现形式如式所示：

式中，J为车辆数，ΔP_i ^ev为电动汽车参与调频的总G2V调整功率。

步骤(4)中，所述充电设备功率输出值的调整方法如下：

当系统处于低频状态时，电动汽车参与低频调节，将充电负荷的充电功率减小，或将其与电网断开连接；

当系统处于高频状态时，电动汽车都表现为充电模式，加大其充电功率，使频率恢复到正常值；

在整个充电过程中，充电功率不能超过电池管理系统BMS所提供的功率限值以及充电设备所能提供的最大输出功率，公式如下：

在设定时段内，若电网频率稳定，则各个充电设备按照功率P进行输出，即这一时段内各个电动汽车的充电功率恒定；若这一时段内电网频率发生偏移，并且偏移达到了需要调节的程度，即f＞50.5或f＜49.5，电动汽车各个充电设备参与系统调频；若频率上升，则相应的增加电动汽车充电功率，ΔP＝K_H(f-f_{d_H})；若频率下降，则相应的减少电动汽车充电功率，ΔP＝K_L(f-f_{d_L})。

本发明的有益效果是：

本发明以降低功率代替电池向电网供电，避免了电动汽车动力电池的频繁充放电对电网造成冲击，延长了电池的使用寿命。聚焦于数量快速增长且分散充电的私家车，从电网频率控制要求和用户角度提出相应的控制方法。

附图说明

图1是分散式电动汽车参与电网调频框图；

图2电动汽车参与电网一次频率调节的控制结构图；

图3是参与调频的充电控制原理图；

图4是电动汽车初始响应时间分布图；

图5是功率响应表现形式图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明具体包括以下几个步骤：

步骤(1)：充电设备实时检测本地电网频率；

步骤(2)：充电设备初始响应时间确定；

步骤(3)：功率调整过程中的限值确定；

步骤(4)：根据步骤(1)中检测到的本地电网频率，适当的调整充电设备的功率输出值。

步骤(1)中，检测本地电网频率的具体步骤如下：

实际电力系统中的负荷无时无刻不在变动，深入分析这种不规则的负荷变动规律可见，它其实是几种负荷变动规律的综合。反而言之，可将这种不规则负荷变动规律分解为3种有规律可循的负荷变动：第一种变动幅度很小，变化周期短，一般为10s以内；第二种变动幅度较大，周期较长，一般为10s-3min；第三种变动幅度最大，周期也最长。据此，电力系统有功功率和频率调整大体可以分为一次调频、二次调频、三次调频3种。第一种变化负荷引起的频率偏移可由所有发电机组调速器自动进行调整；第二种变化负荷引起的频率偏移仅靠调速器的作用往往不能将频率偏移限制在允许的范围内，此时还需要调频电厂的发电机调频装置参与频率调整；第三种调频主要责成各发电厂按事先给定的发电负荷曲线发电。

电动汽车参与调频原理主要是通过增加负荷降低负荷来完成目标，根据原理可知主要参与的是电力系统的一次调频，故根据第一种负荷变动周期可将检测时间限制在10s以内，这里取7s。电力系统频率测量的实质是信号观测模型的动态参数辨识问题，即利用真实系统物理信号输入，通过一定的信号处理和数值分析过程，实现对预定模型参数的较好估计。实际的测量装置因应用时期、场合和要求不同，形式各异。有早期的模拟，数字电路模块和现如今广泛使用的单片机、工控机的内置程序信号处理。这里主要使用工控机内置程序信号处理，其主要优点：机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力、机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力、具有连续长时间工作能力、一般采用便于安装的标准机箱。

步骤(2)中，确定充电设备的初始响应时间具体步骤如下：

本发明所提的充电策略暂不考虑充电设备响应时间延迟，认为是瞬间响应，即当充电设备检测到本地电网频率偏移超过规定的界限时就立刻响应。在每一检测周期T里，每个设备都会监测一次电网频率。不同设备在不同的时间点对电网的频率开始检测，执行控制策略。因为没有对电动汽车监测电网频率的初始时间进行设置，但统一了每一设备的监测周期，因此它们发现频率偏差的时间点，即初始响应时间t_i是异步的。t_i是[0，T]之间的随机变量，由于每个设备的是相互独立的，且在[0，T]之间任何一个时间点分布的机会是均等的，即出现在[0，T]之间任一时刻是等可能的。根据概率论与统计学的相关理论可知，其类似于实际问题中的乘客候车时间问题，当参与调频的电动汽车总数n足够大时，这些设备的t_i(i＝1,2…),可视为服从均衡分布。也就是说当频率偏差事件发生时，每一电动汽车的初始响应时间t_i可认为是服从均衡分布的。其产生的初始时刻也可以认为在[0，T]内是均衡分布的。因此，每一周期里，每一电动汽车参与响应的机会是均等的。每一周期里，将这些设备按初始响应时间进行排序，公式如下：

步骤(3)中，充电设备功率调整过程中限值的确定步骤如下：

充电设备在功率调整过程中最大功率不会超出充电设备所能提供的最大功率P_i ^max；考虑到用户用电体验，为了不影响电动汽车用户的使用需求，最小功率P_i ^min必须要使得用户在离开前达到设置的最小充电需求，即最小

P_i ^max由如下公式确定：

其中，

P_i ^min由如下公式确定：

其中，

计算公式如下：

式中：Qi为电池容量；η为电动汽车充放电效率；T_i为第i辆电动汽车离开时刻；

为t+Δt时刻所允许最小电量与当前电量的差值；

为当前时刻的电量；P_i ^max为充电设备所能提供的最大充电功率。

步骤(4)中，根据本地电网频率调整充电功率，具体步骤如下：

电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生影响，所以必须保持在额定值50HZ上下，且偏移不超过一定的范围。我国规定对容量在3000MW以上的系统，频率允许偏差为50±0.2Hz，电钟指示与标准时间偏差不大于30秒；容量在3000MW以下的系统，频率允许偏差为50±0.5Hz，电钟指示与标准时间偏差不大于1分钟。

电动汽车当前充电功率为P，充电设备对本地电网进行检测，当电网频率在允许的范围之内时，充电设备继续以P给电动汽车充电。有了额定频率下的充电设备的充电功率，就有了“少充电”等效为“向电网馈电”，“多充电”等效为“存储电网过剰的发电量”，用单向充电方式达到同样的双向V2G调频效果。当系统处于低频状态时，电动汽车参与低频调节，将充电负荷的充电功率减小，或将其与电网断开连接；当系统处于高频状态时，电动汽车都表现为充电模式，加大其充电功率，使频率恢复到正常值。在整个充电过程中，充电功率不能超过BMS所提供的功率限值以及充电设备所能提供的最大输出功率。

公式如下

图1给出了分散式电动汽车参与电网调频框图，电动汽车依据电网的频率偏差信号进行响应，当频率下降时，减少其充电功率；当频率上升时，则增加其充电功率。电动汽车充电装置中的频率测量单元每隔一段时间(即频率检测周期)检测一次电网频率，将检测频率与电网额定频率相比，若其偏移程度超过所允许的限制范围，则频率响应控制器动作，根据频率响应控制策略，对电动汽车的充电功率(考虑SOC)进行相应的调整，使电网频率逐步恢复稳定；否则，电动汽车维持正常充电(即处于不响应状态)，不进行响应。

图2给出了电动汽车参与电网次频率调节的控制结构图。可见，电动汽车参与电网一次频率调节可理解为用户计划充电控制和频率下垂控制的综合。具体可归结为：1)计算计划充电功率，完成电动汽车用户充电需求；2)设计充电下垂，根据频率偏差，实现频率下垂控制。

图3给出了电动汽车参与调频的原理图。相应的电动汽车充电功率计算公式为

在某一特定时段内，若电网频率稳定，则各个充电设备按照功率P进行输出，即这一时段内各个电动汽车的充电功率恒定。若这一时段内电网频率发生波动，并且波动达到了需要调节的程度，则此时开始通过频率波动情况下的电动汽车各个充电设备参与系统调频。若频率上升，则相应的增加电动汽车充电功率，变为P+ΔP；若频率下降，则相应的减少电动汽车充电功率，变为P-ΔP。在这个过程中，电动汽车充电功率值P_EV一直为正值。这意味着在响应频率变化的同时，电动汽车一直处于充电状态，电动汽车电池不用像传统V2G参与调频方式来回地在充电与放电状态之间转换，既满足了调频要求，又满足了用户充电需求，并且有益于延长电动汽车电池的使用寿命。

图4给出了电动汽车初始响应时间分布图，在每一检测周期T里，每个设备都会监测一次电网频率。不同设备在不同的时间点对电网的频率开始检测，执行控制策略。因为没有对电动汽车监测电网频率的初始时间进行设置，但统一了每一设备的监测周期(即每一电动汽车充电设备设置相同的检测周期去监测电网频率)，因此它们发现频率偏差的时间点，即初始响应时间t_i是异步的。t_i是[0,T]之间的随机变量，由于每个设备的t_i是相互独立的，且在[0,T]之间任何一个时间点分布的机会是均等的，即出现在[0,T]之间任一时刻是等可能的。根据概率论与统计学的相关理论可知，当参与调频的电动汽车总数J足够大时，这些设备的t_i(i＝1,2,…,n)可视为服从均衡分布，其概率质量函数为1/n。即是说，在每一周期，当频率偏差事件发生时，每一电动汽车的初始响应时间t_j可认为是均衡分布的。此外，由于频率偏差产生的时间也是随机的独立变量，其产生的初始时刻也可以认为在[0,T]内是均衡分布的。因此，每一周期里，每一电动汽车参与响应的机会是均等的。则有如下公式：

图5给出了功率响应表现形式图，电动汽车充电负荷功率响应可依据电网频率偏差情况进行响应，其响应幅度的具体表达式下如公式所示。采用阶梯响应的方式，其具有简单、易于控制和实现的优点，且用户可以根据自身的不同需求情况灵活地设置不同的响应值。此外，本研究所用的阶梯响应方式，由于在一定的频率偏差段里，其响应幅度是一样的，故其可对频率的测量精度要求适当放宽。

式中，L代表响应门槛数，即响应等级；α_l(l＝1,2，...，L)为电动汽车的功率调整系数，即电动汽车所调整的功率占其可用功率的百分比，0＜α₁≤α₂≤...≤α_L＜100％；δ_i(i＝1,2,...,L)为响应等级i的响应门槛；P_i为电动汽车i的可用功率(可增加的充电功率或可减少的最大功率)：1)当Δf_t为正时，P_i为电动汽车i可增加的最大充电功率；2)当Δf_t为负时，P_i为电动汽车i可减少的最大充电功率；sign为符号函数，其表现形式如式所示：

式中，ΔP_i ^ev为电动汽车参与调频的总G2V调整功率。

最大充电功率受当前电池SOC和充电设备功率最大输出能力的限制，最小充电功率则受用户充电需求影响，具体如下所示。

P_i ^max＝min(P_i ^char，max，P_i ^soc，max)

P_i ^soc，max可由如下公式确定：

其中，

Δt时间内，电动汽车可以增加的最大电量值为

P_i ^min可由如下公式确定：

其中，

计算公式如下：

式中：Qi为电池容量；η为电动汽车充放电效率；T_i为第i辆电动汽车离开时刻；

为t+Δt时刻所允许最小电量与当前电量的差值；

为当前时刻的电量。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种电动汽车本地实时优化充电控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤(1)：充电设备实时检测本地电网频率；

步骤(2)：确定所述充电设备初始响应时间；

步骤(3)：确定频率调整过程中的电动汽车充电功率限值；

步骤(4)：根据步骤(1)中检测到的本地电网频率，调整充电设备的功率输出值；

步骤(1)中，检测所述本地电网频率的具体步骤如下：

将不规则负荷变动规律分解为3种有规律可循的负荷变动：第一种变动幅度小，变化周期短，设为10s以内；第二种变动幅度大，周期长，设为10s-3min；第三种变动幅度最大，周期也最长；

将电力系统有功功率和频率调整分为一次调频、二次调频、三次调频3种：一次调频为第一种变化负荷引起的频率偏移由所有发电机组调速器自动进行调整；二次调频为第二种变化负荷引起的频率偏移通过调速器、调频电厂的发电机调频装置参与频率调整；三次调频为发电厂按事先设定的发电负荷曲线发电。

2.如权利要求1所述的电动汽车本地实时优化充电控制方法，其特征在于，步骤(2)中，所述充电设备初始响应时间的确定方法如下：

每一电动汽车的初始响应时间t_i服从均衡分布，其产生的初始时刻在[0，T]内是均衡分布，每一周期里每一电动汽车参与响应的机会是均等的；每一周期里，充电设备按初始响应时间进行排序，公式如下：

其中，n为电动汽车总数，T为检测周期。

3.如权利要求1所述的电动汽车本地实时优化充电控制方法，其特征在于，步骤(3)中，频率调整过程中限值的确定方法如下：

充电设备在频率调整过程中最大功率不会超出充电设备所能提供的最大充电功率P_i ^max；最小充电功率P_i ^min必须要使得用户在离开前达到设置的最小充电需求，即最小

P_i ^max由如下公式确定：

其中，ΔSOC_i ^max，t+Δt≤100％；

Δt时间内，电动汽车增加的最大电量值为

式中：Q_i为电池容量；η_char为电动汽车充电效率；

为t+Δt时刻所允许最大电量与当前电量的差值；

为当前时刻的电量；P_i ^max为充电设备所能提供的最大充电功率；P_i ^min由如下公式确定：

其中，

计算公式如下：

其中，T_i为第i辆电动汽车离开时刻；

为t+Δt时刻所允许最小电量与当前电量的差值；

为用户离开时需要达到的电量。

4.如权利要求3所述的电动汽车本地实时优化充电控制方法，其特征在于，步骤(4)中，充电设备输出功率响应依据电网频率偏差情况进行响应，其响应幅度的具体表达式下如公式所示：

式中，L代表响应门槛数，即响应等级，l＝1,2，...，L；α_l为电动汽车的功率调整系数，即电动汽车所调整的功率占其可用功率的百分比，0＜α₁≤α₂≤...≤α_L＜100％；δ_i为响应等级l的响应门槛；P_i为电动汽车i的可用功率：

1)当Δf_t为正时，P_i为电动汽车i可增加的最大充电功率；

2)当Δf_t为负时，P_i为电动汽车i可减少的最大充电功率；sign为符号函数，其表现形式如式所示：

式中，J为车辆数，ΔP_i ^ev为电动汽车参与调频的总G2V调整功率。

5.如权利要求1所述的电动汽车本地实时优化充电控制方法，其特征在于，步骤(4)中，所述充电设备功率输出值的调整方法如下：

当系统处于低频状态时，电动汽车参与低频调节，将充电负荷的充电功率减小，或将其与电网断开连接；

当系统处于高频状态时，电动汽车都表现为充电模式，加大其充电功率，使频率恢复到正常值；

在整个充电过程中，充电功率不能超过电池管理系统BMS所提供的功率限值以及充电设备所能提供的最大输出功率，公式如下：

在设定时段内，若电网频率稳定，则各个充电设备按照功率P进行输出，即这一时段内各个电动汽车的充电功率恒定；若这一时段内电网频率发生偏移，并且偏移达到了需要调节的程度，即f＞50.5或f＜49.5，电动汽车各个充电设备参与系统调频；若频率上升，则相应的增加电动汽车充电功率，ΔP＝K_H(f-f_{d_H})；若频率下降，则相应的减少电动汽车充电功率，ΔP＝K_L(f-f_{d_L})。

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