CN112926818A - 基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法 - Google Patents

基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法 Download PDF

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CN112926818A CN202011460556.0A CN202011460556A CN112926818A CN 112926818 A CN112926818 A CN 112926818A CN 202011460556 A CN202011460556 A CN 202011460556A CN 112926818 A CN112926818 A CN 112926818A
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Abstract

本发明公开基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法，该方法采集用户电动汽车出行数据确定电动汽车接入电网状态；根据电动汽车入网状态确定电动汽车需求响应能力评估；其中：所述电动汽车需求响应能力评估过程：通过电动汽车的最大放电功率计算电动汽车充电需求松弛度指标Li(t)；根据充电需求松弛度指标Li(t)对电动汽车进行分类；根据对电动汽车分类计算电动汽车需求响应能力；该方法通过建立与分析用户需求指标，充分考虑了电动汽车充放电的灵活性，不仅可以考虑电动汽车在入网期间响应能力的相对大小，还能通过用户需求指标准确衡量电动汽车在具体时间的响应能力。

Description

基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法
技术领域
本发明是属于对电动汽车入网管理方法，特别属于基于用户需求松弛度的电动汽车需求 响应能力评估方法。
背景技术
需求响应即电力需求响应的简称，是指电网管理人员通过改变电力用户固有的用电习惯 与用电模式，达到减少或者推移某时段的用电负荷而响应电力供应，从而保障电网稳定，并 促进电网的经济化最优运行，是现代电网发展的重要环节。
随着电动汽车的快速普及和发展，电动汽车将大规模接入配电网，若不对电动汽车充电 行为进行有效引导和控制，将会导致配电网出现负荷峰谷差增大、损耗增加、线路过载和电 压越限等后果。另一方面，研究表明，电动汽车在一天之中90％的时间处于停驶状态，并且 电动汽车电池具备快速响应系统需求的能力，能够在必要时向电网反向放电，起到削峰填谷、 辅助调频、降低系统运行成本、提升系统安全性和可靠性等作用。因此，研究电动汽车的需 求响应能力，具有很强的理论与实际价值。
目前国内外对电动汽车响应能力的评估方法已有相关研究，主要可以分为两类：以电动 汽车电量阈值为判据标准的响应能力评估方法和考虑电动汽车出行需求的响应能力评估方法。
1)以电量状态为判据标准的响应能力评估方法
部分文献以电动汽车电量状态作为衡量电动汽车响应能力的标准，认为当电动汽车电量 状态超过一定阈值后即可进行放电，该方法能够快速评估电动汽车的响应能力。
2)考虑用户出行电量需求的响应能力评估方法
部分文献认为电动汽车用户的出行时间具有不确定性，为优先满足用户出行电量需求， 认为只有电量状态在放电后仍能满足电动汽车出行需求的电动汽车能够进行反向放电。此外， 有学者将电动汽车的可放电能力定义为入网持续时间与充电所需时间之差，该方法能够衡量 电动汽车在入网期间响应能力的相对大小，但是无法衡量在某时刻电动汽车具体的响应能力。 上述方法虽然能够有效评估电动汽车响应能力，但均具有一定局限性：1)以电动汽车电量阈 值为判据标准的方法，虽然能够快速评估电动汽车的响应能力，但是以电量阈值作为电动汽 车能否放电的判据标准，忽略了电动汽车用户对出行电量的需求，电动汽车参与需求响应后 可能导致电动汽车出行时电量无法满足用户出行需求；2)目前考虑用户出行需求的电动汽车 响应能力评估方法中，多数方法认为只有电量状态在放电后仍能满足电动汽车出行需求的电 动汽车能够进行反向放电，忽略了电动汽车在放电后仍可在入网期间继续充电达到用户出行 需求的灵活性；其他方法虽然考虑了电动汽车充放电的灵活性，但仅考虑电动汽车在入网期 间响应能力的相对大小，无法准确衡量电动汽车在具体时间的响应能力。
发明内容
本发明针对现有电动汽车需求响应能力评估方法的不足，提出了考虑用户需求松弛度的 电动汽车需求响应能力评估方法，该方法通过建立与分析用户需求指标，充分考虑了电动汽 车充放电的灵活性，不仅可以考虑电动汽车在入网期间响应能力的相对大小，还能通过用户 需求指标准确衡量电动汽车在具体时间的响应能力，其具体技术方案如下：
一种用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法，包括如下步骤：
采集用户电动汽车出行数据确定电动汽车接入电网状态；
根据电动汽车入网状态确定电动汽车需求响应能力评估；其中：
所述电动汽车需求响应能力评估过程：
通过电动汽车的最大放电功率计算电动汽车充电需求松弛度指标Li(t)；即：
Figure BDA0002831414550000021
式中：tleave,i为第i辆电动汽车预计的离网时间；t为当前时刻；
Figure BDA0002831414550000022
表示第i辆电动汽车离 网时的需求电量；SOCi(t)为第i辆电动汽车在t时刻的电量状态；Bi为第i辆电动汽车电池 容量(kWh)；Pchr,i表示第i辆电动汽车的额定充电功率(kW)；Δt为优化调度的单位时间(h)； 根据充电需求松弛度指标Li(t)对电动汽车进行分类；
根据对电动汽车分类计算电动汽车需求响应能力。
进一步，确定电动汽车接入电网状态过程：
步骤1.1，采用活动抽样的EV出行计划模型确定电动汽车出行计划；
步骤1.2，采用抽取方式确定电动汽车当日行程起始时间
Figure BDA0002831414550000023
步骤1.3，按照行程时间最短选择出行路线，计算电动汽车行程时间和里程以及EV电量消耗 确定本次电动汽车行驶时间和里程；
步骤1.4，判断行程途中EV是否需要进行充电，若电量满足，则选择距离当前所在区域行程 时间最短的充电站进行充电，充电完成后，更新EV电量状态及时间，继续前往目的地；若 否，则直接前往目的地；
Figure BDA0002831414550000024
式中：
Figure BDA0002831414550000025
为第i个用户离开第j个目的地时EV的电量状态，ΔSOCi,j+1为第i个 用户前往第j+1个目的地行驶途中EV消耗的电量。
步骤1.5，本次行程结束后，判断EV是否需要充电，若需要，更新EV电量状态及时间；
步骤1.6，判断EV是否完成当日全部出行计划，若已完成，则结束计算，否则进入下一步；
步骤1.7确定下次旅程开始时间，并返回步骤1.3。
进一步，根据充电需求松弛度指标Li(t)对电动汽车进行分类包括：
1)Li(t)＜0：从当前时刻持续充电至离网时刻仍不能满足出行电量需求；
2)0≤Li(t)＜Δt：从当前时刻持续充电至离网时刻能够满足出行电量需求，但充电过程 不可间断；
3)
Figure BDA0002831414550000031
电动汽车充电过程可间断，但若放电则不能满足出行电量需 求，即不能进行V2G；
4)
Figure BDA0002831414550000032
充电过程可间断，同时也可进行V2G。
进一步，根据对电动汽车分类计算电动汽车需求响应能力，所述电动汽车需求响应能力是通 过电动汽车在t时刻具备响应能力是否满足如下公式：
Figure BDA0002831414550000033
有益效果
如上所述，现有电动汽车响应能力评估方法均具有一定局限性。其中，以电动汽车电量 阈值为判据标准的方法，虽然能够快速评估电动汽车的响应能力，但是以电量阈值作为电动 汽车能否放电的判据标准，忽略了电动汽车用户对出行电量的需求，电动汽车参与需求响应 后可能导致电动汽车出行时电量无法满足用户出行需求。而目前考虑用户出行需求的电动汽 车响应能力评估方法中，多数方法认为只有电量状态在放电后仍能满足电动汽车出行需求的 电动汽车能够进行反向放电，忽略了电动汽车在放电后仍可在入网期间继续充电达到用户出 行需求的灵活性；其他方法虽然考虑了电动汽车充放电的灵活性，但仅考虑电动汽车在入网 期间响应能力的相对大小，无法准确衡量电动汽车在具体时间的响应能力。
因此，本发明针对现有电动汽车需求响应能力评估方法的不足，引入出行链理论确定电动汽 车入网状态，并提出用户需求松弛度指标，从而建立了考虑用户需求松弛度的电动汽车需求 响应能力评估方法，该方法通过综合考虑用户入网状态与用户需求，实现了电动汽车充放电 的灵活性。其不仅可以考虑电动汽车在入网期间响应能力的相对大小，还能通过用户需求指 标准确衡量电动汽车在具体时间的响应能力。
附图说明
图1是本发明一种用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法流程图。
具体实施方式
以下结合实施案例和附图，对本发明的技术和方法进行详细描述，以下案例和附图用于 说明本发明的构成，但不是用来限定本发明的范围。
如图1所示，本发明首先采用基于活动抽样的EV出行计划模型确定电动汽车出行计划， 从每日EV用户离开居住区开始，直至EV用户完成最后一次出行，返回居住区，为一日完 整的出行活动。本发明考虑的EV出行活动目的地包括工作区、购物休闲区、医院、中途回家以及景区，基于统计概率对各活动进行抽样，确定用户一日之内的全部出行活动。确定全部出行活动后，若活动中包含“工作区”，则将其置于全部活动的首位，若活动中包含“中途回家”，则将其置于全部活动除首位之外的位置，其余活动则随机排序，由此可确定电动汽车 用户一日的出行计划。
在确定电动汽车出行计划的基础上，采用用户出行时间最短为目标函数确定用户出行路 径，采用蒙特卡洛采样确定用户出行链中的出行时间，进而综合出行的时间与空间的分配情 况，以及耗电情况，确定电动汽车的入网状态(电动汽车何时接入电网、接入电网的电量状 态)，如下图所示。
步骤(2)：根据电动汽车入网状态，确定用户在不同时刻的需求响应能力。
在确定电动汽车的入网状态后，根据不同用户的具体需求，提出了电动汽车充电需求松 弛度指标，根据用户需求指标，综合考虑用户的确定用户在接入电网后的预计的离网时间、 可剩余充电时间、最小充电时间等因素，确定用户在不同时刻的需求响应能力，从而对电动 汽车的充电行为进行有效引导和控制。利用电动汽车充电需求松弛度指标，不仅可以考虑电 动汽车在入网期间响应能力的相对大小，还能通准确衡量电动汽车在具体时间的响应能力。
步骤1确定电动汽车入网状态
步骤1.1确定电动汽车出行计划
本发明首先采用基于活动抽样的EV出行计划模型确定电动汽车出行计划，从每日EV 用户离开居住区开始，直至EV用户完成最后一次出行，返回居住区，为一日完整的出行活 动。本发明考虑的EV出行活动目的地包括工作区、购物休闲区、医院、中途回家以及景区， 基于统计概率对各活动进行抽样，确定用户一日之内的全部出行活动。确定全部出行活动后， 若活动中包含“工作区”，则将其置于全部活动的首位，若活动中包含“中途回家”，则将其置 于全部活动除首位之外的位置，其余活动则随机排序，由此可确定电动汽车用户一日的出行 计划。
步骤1.2抽取当日行程起始时间，即用户离开居住区时间.
用户每日出行活动始于居住区，用户日行程起始时间
Figure RE-GDA0003051265620000051
即为用户每日第一次驶离居住 区的时间。根据美国交通部发布的美国家庭出行调查数据(National HouseholdTravel Survey， NHTS)的调查统计数据，用户每日离开居住区的时间
Figure RE-GDA0003051265620000052
服从正态分布：
Figure BDA0002831414550000053
式中：μ1＝7.8，σ1＝1.5；
步骤1.3用户按照行程时间最短选择出行路线，计算行程时间和里程以及EV电量消耗
步骤1.3.1确定电动汽车出行路线
本发明采用用户出行时间最短为目标确定用户出行空间链中的目的地，目标函数如下所 示：
Figure BDA0002831414550000054
式中：crs(t)表示路段(r,s)在t时刻的时间阻抗，即在t时刻通过路段(r,s)需要花费的时间， 计算方式为：
Figure BDA0002831414550000055
式中：lrs为路段(r,s)的长度，vrs(t)为t时刻路段(r,s)的车速。
步骤1.3.2确定本次行驶时间和里程
电动汽车用户驶离当前所在区域，前往下一目的地，用户根据式(5-2)确定出行路线，可 得到用户离开当前所在区域前往下一目的地的行驶时间
Figure BDA0002831414550000056
行驶里程mi,j和行驶途中的消耗 电量ΔSOCi,j：
Figure BDA0002831414550000057
Figure BDA0002831414550000058
Figure BDA0002831414550000059
式中：S为电动汽车用户按照式(5-2)选择的出行路线对应的路段集合，crs(t)为路段(r,s) 时间阻抗的真实值，lrs为路段(r,s)的长度，wrs(t)为t时刻电动汽车在路段(r,s)行驶的单位里 程能耗。
步骤1.4判断行程途中EV是否需要进行充电，
步骤1.4.1若电量满足(5-7)，则选择距离当前所在区域行程时间最短的充电站进行充电，充 电完成后，更新EV电量状态及时间，继续前往目的地。
当用户行驶在途中发现剩余电量不足时，会选择改变当前行驶路线，选择就近的电动汽 车充电站进行快充充电。基于对电池性能的保护以及用户对电池充电起始电量的接受程度， 本文认为电动汽车用户在发现到达下一区域后EV剩余电量将不足20％时，将会在行驶途中 前往快速充电站进行充电，以满足电量需求，即：
Figure BDA0002831414550000061
式中：
Figure BDA0002831414550000062
为第i个用户离开第j个目的地时EV的电量状态，ΔSOCi,j+1为第i个 用户前往第j+1个目的地行驶途中EV消耗的电量。
电动汽车充电站现有的快充充电机一般都是以一定大功率充到电池额定容量的80％左右 后采用小功率对电池进行慢充，以达到保护电池的目的。因此，本发明中认为用户在快速充 电站将电动汽车电量状态充至80％后即离开。
充电时间为：
Figure BDA0002831414550000063
式中：ΔSOCi,station为EV用户从当前所在区域前往充电站过程中的电量消耗，Pchf为快速 充电功率。
步骤1.4.2若否，则直接前往目的地。
步骤1.5本次行程结束后，判断EV是否需要充电，若需要，更新EV电量状态及时间。
步骤1.6判断EV是否完成当日全部出行计划，若已完成，则结束计算，否则进入步骤1.7。
步骤1.7确定下次旅程开始时间，并返回步骤1.3。
第i个用户在
Figure BDA0002831414550000064
时刻离开当前所在区域(目的地j)前往下一目的地，若离开域区域为 工作区，则旅程开始时间即为用户离开工作区的时间。根据NHTS数据，车辆离开工作区时 间
Figure BDA0002831414550000065
服从正态分布：
Figure BDA0002831414550000066
式中：μ2＝17.5，σ2＝0.5。
若用户离开区域为非工作区，根据NHTS数据，车辆在工作区和居住区之外其他区域的 停留时间
Figure BDA0002831414550000071
均服从正态分布：
Figure BDA0002831414550000072
式中：μ3＝1.5，σ3＝0.5。
则可确定中间旅程开始时间为：
Figure BDA0002831414550000073
Figure BDA0002831414550000074
步骤2电动汽车需求响应能力评估
步骤2.1计算电动汽车充电需求松弛度
根据前述步骤可确定电动汽车入网状态。为有效衡量任意时刻电动汽车的响应能力，即 电动汽车的最大可放电功率，本文提出了电动汽车充电需求松弛度指标：
Figure BDA0002831414550000075
式中：tleave,i为第i辆电动汽车预计的离网时间；t为当前时刻；
Figure BDA0002831414550000076
表示第i辆电动汽 车离网时的需求电量；SOCi(t)为第i辆电动汽车在t时刻的电量状态；Bi为第i辆电动汽车 电池容量(kWh)；Pchr,i表示第i辆电动汽车的额定充电功率(kW)；Δt为优化调度的单位时间(h)。
式(5-13)中tleave,i-t为在t时刻第i辆电动汽车的剩余可充电时间，
Figure BDA0002831414550000077
表 示在t时刻，为满足电动汽车出行电量需求仍需要的充电时间，充电需求松弛度Li(t)表示t 时刻电动汽车剩余可充电时间与电动汽车剩余所需充电时间之差，体现了t时刻EV充电的紧 迫程度，Li(t)越小，电动汽车充电需求越强，可调度能力越弱；反之，Li(t)越大，电动汽 车的充电需求越弱，可调度能力越强。
步骤2.2评估电动汽车需求响应能力
步骤2.2.1根据充电需求松弛度Li(t)的定义，对电动汽车进行分类：
1)Li(t)＜0：从当前时刻持续充电至离网时刻仍不能满足出行电量需求；
2)0≤Li(t)＜Δt：从当前时刻持续充电至离网时刻能够满足出行电量需求，但充电过程 不可间断；
3)
Figure BDA0002831414550000081
电动汽车充电过程可间断，但若放电则不能满足出行电量需 求，即不能进行V2G；
4)
Figure BDA0002831414550000082
充电过程可间断，同时也可进行V2G。
步骤2.2.2根据2.2.1，计算电动汽车需求响应能力
根据前文分析，为保证电动汽车电池性能，电动汽车电量状态应不低于其容量的20％，t 时刻具备响应能力的电动汽车应满足：
Figure BDA0002831414550000083
根据上述判据标准可确定t时刻考虑用户出行需求的电动汽车响应能力：
Figure BDA0002831414550000084
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发 明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗 旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多 形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法，包括如下步骤：
采集用户电动汽车出行数据确定电动汽车接入电网状态；
根据电动汽车入网状态确定电动汽车需求响应能力评估；其中：
所述电动汽车需求响应能力评估过程：
通过电动汽车的最大放电功率计算电动汽车充电需求松弛度指标Li(t)；即：
Figure FDA0002831414540000011
式中：tleave,i为第i辆电动汽车预计的离网时间；t为当前时刻；
Figure FDA0002831414540000012
表示第i辆电动汽车离网时的需求电量；SOCi(t)为第i辆电动汽车在t时刻的电量状态；Bi为第i辆电动汽车电池容量(kWh)；Pchr,i表示第i辆电动汽车的额定充电功率(kW)；Δt为优化调度的单位时间(h)；根据充电需求松弛度指标Li(t)对电动汽车进行分类；
根据对电动汽车分类计算电动汽车需求响应能力。
2.根据权利要求1所述的基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法，其特征在于：确定电动汽车接入电网状态过程：
步骤1.1，采用活动抽样的EV出行计划模型确定电动汽车出行计划；
步骤1.2，采用抽取方式确定电动汽车当日行程起始时间
Figure FDA0002831414540000013
步骤1.3，按照行程时间最短选择出行路线，计算电动汽车行程时间和里程以及EV电量消耗确定本次电动汽车行驶时间和里程；
步骤1.4，判断行程途中EV是否需要进行充电，若电量满足，则选择距离当前所在区域行程时间最短的充电站进行充电，充电完成后，更新EV电量状态及时间，继续前往目的地；若否，则直接前往目的地；
Figure FDA0002831414540000014
式中：
Figure FDA0002831414540000015
为第i个用户离开第j个目的地时EV的电量状态，ΔSOCi,j+1为第i个用户前往第j+1个目的地行驶途中EV消耗的电量。
步骤1.5，本次行程结束后，判断EV是否需要充电，若需要，更新EV电量状态及时间；
步骤1.6，判断EV是否完成当日全部出行计划，若已完成，则结束计算，否则进入下一步；
步骤1.7确定下次旅程开始时间，并返回步骤1.3。
3.根据权利要求1所述的基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法，其特征在于：
根据充电需求松弛度指标Li(t)对电动汽车进行分类包括：
1)Li(t)＜0：从当前时刻持续充电至离网时刻仍不能满足出行电量需求；
2)0≤Li(t)＜Δt：从当前时刻持续充电至离网时刻能够满足出行电量需求，但充电过程不可间断；
3)
Figure FDA0002831414540000021
电动汽车充电过程可间断，但若放电则不能满足出行电量需求，即不能进行V2G；
4)
Figure FDA0002831414540000022
充电过程可间断，同时也可进行V2G。
4.根据权利要求1所述的基于用户需求松弛度的电动汽车需求响应能力评估方法，其特征在于：
根据对电动汽车分类计算电动汽车需求响应能力，所述电动汽车需求响应能力是通过电动汽车在t时刻具备响应能力是否满足如下公式：
Figure FDA0002831414540000023
式中，DPlug,i(t)表示第i辆电动汽车在t时刻的入网状态，DPlug,i(t)＝1表示电动汽车处于入网状态，DPlug,i(t)＝0则表示电动汽车处于离网状态；Li(t)充电需求松弛度指标；Bi为第i辆电动汽车电池容量(kWh)；Pchr,i表示第i辆电动汽车的额定充电功率(kW)；Δt为优化调度的单位时间(h)。
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