CN113320413B - 一种居民区电动汽车充电功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种居民区电动汽车充电功率控制方法。所述方法包括：获取目标小区配电变压器的容量和所接的充电桩的额定充电功率；与参与充电功率控制的电动汽车居民用户签订年度合约，并建立可控车辆的基础信息数据库；签约用户将可控车辆接入充电桩时，由用户自主输入可控车辆的信息；实时检测配电变压器低压侧的有功功率和无功功率，得到配电变压器的负载率，确定各可控车辆下一时刻的充电功率指令并下发；检查各充电功率指令是否正常执行，更新各可控车辆的年度累计受控时长，并获取相应签约用户的补贴电费。本发明以较低的控制成本，有效防止配电变压器短时过载现象，也免除了小区昂贵的增容成本。

Description

一种居民区电动汽车充电功率控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车的充电功率控制领域，具体涉及一种居民区电动汽车充电功率控制方法。

背景技术

在能源危机和环境问题日益突出的背景下，电动汽车因良好的节能减排和能源替代作用，成为了各国政府和汽车制造厂商关注的焦点。

但是，当电动汽车的数量发展至一定规模时，其表现出来的负荷聚集与无序波动特性，必将对电气设备造成冲击，进而影响电网的安全、稳定与经济运行，因此，可从规划以及运行控制的层面，研究集群电动汽车接入配电网后的应对措施。在运行控制方面，针对居民区的电动汽车充电负荷，文献[1](王姝凝,杨少兵.居民小区电动汽车充电负荷有序控制策略[J].电力系统自动化,2016,40(04):71-77.)提出了网格选取法，以配电变压器的供电容量限制作为边界，将冗余功率划分为多个网格，并基于峰谷分时电价政策构建最优目标函数，采用遗传算法求解每一辆车的最优充电安排；文献[2](苏海锋,梁志瑞.基于峰谷电价的家用电动汽车居民小区有序充电控制方法[J].电力自动化设备,2015,35(06):17-22.)在私家电动汽车出行规律和普通居民小区生活用电规律的基础上，基于峰谷分时电价，提出了最大限度利用谷时段进行充电的有序充电控制方法。上述文献均考虑了峰谷电价的引导作用，可实现一定的充电负荷时空转移，但是，通过电价间接引导的方式可靠性低于直接的功率控制，当电动汽车数量过多时，单纯依靠电动汽车用户的自主转移，配电变压器仍然存在过载风险。文献[3](师瑞峰,梁子航,马源.基于TOPSIS方法的居民区电动汽车有序充电策略[J].电力系统自动化,2018,42(21):104-110+159+111-113.)在综合考虑充电时间、充电费用、等待时间、充电完成率、小区总负荷变化率等决策指标基础上，建立了基于理想解法的有序充电排序方法，但该方法没有充分考虑居民用户实际的充电需求紧急程度，部分充电需求较为紧急的用户若充电功率仍然受到削减，可能无法在预期的时间内完成所需的充电电量。

综上可知，为保证居民区配电变压器不发生过载现象，相比于间接电价引导，采用直接功率控制的方式可靠性更高；同时，应进一步细化、考量居民用户的充电需求紧急程度，使功率控制的逻辑更为合理有效。

发明内容

本发明的目的在于，针对集群电动汽车接入居民区引起的配电变压器过载问题，提出了一种充分考虑用户充电需求紧急程度的功率可控制方法，采用与用户签订合约、直接进行功率控制并给予一定补贴电费的形式，以较低的控制成本，有效防止配电变压器短时过载现象，也免除了小区昂贵的增容成本。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种居民区电动汽车充电功率控制方法，包括以下步骤：

S1、选定目标小区，获取目标小区配电变压器的容量S_b和所接的充电桩的额定充电功率P_TH,i，i＝1，2，……，N，N为所接的充电桩个数；

S2、与参与充电功率控制的电动汽车居民用户签订年度合约，并建立可控车辆的基础信息数据库；

S3、签约用户将可控车辆接入充电桩时，由用户自主输入可控车辆的起始荷电状态SOC₀、目标荷电状态SOC_T以及预计离开时间T_L；

S4、实时检测配电变压器低压侧的有功功率P_t和无功功率Q_t，得到配电变压器的负载率α_t，当α_t≤1时，令可控车辆以充电桩的额定功率进行正常充电；当α_t＞1时，启动充电功率控制模式，确定各可控车辆下一时刻的充电功率指令并下发；

S5、检查各充电功率指令是否正常执行，更新各可控车辆的年度累计受控时长，并获取相应签约用户的补贴电费。

进一步地，步骤S2中，与电动汽车居民用户签订的年度合约的具体内容如下：

1)、合约有效期为一年，自签订之日起生效，在合约期内，用户每次充电前需自主输入以下参数：可控车辆起始荷电状态SOC₀、目标荷电状态SOC_T以及预计离开时间T_L，可控车辆接于充电桩上的时间内将接受电网的统一调控；

2)、若车主实际停车时长少于预计停车时长的1/2，将对用户收取违约金；

3)、年度合约到期时，电网将根据功率控制的补贴单价和可控车辆的年度累计受控时长，计算并发放用户的年度补贴费用。

进一步地，单次违约金为该用户该次充电电费的10％。

进一步地，步骤S2中，基础信息数据库包括所有可控车辆的识别号码V_j和电池容量信息B_j，j＝1，2，……，M，V_j表示第j个可控车辆的识别号码，B_j表示第j个可控车辆的电池容量，M表示可控车辆的数量。

进一步地，所述充电桩的额定充电功率与充电桩的类型有关，不同充电场所根据用户的充电习惯安装直流桩(即快充桩)和交流桩(即慢充桩)。充电场所可分为生活区、工作区、商业/休闲区等，此外还有道路沿线的快速充电站，具体如下表所示。

表1各类充电场所特性对比

由上表所知，生活区和办公区等场所的用户群体和用户充电习惯较为固定，生活区的居民用户一般在下班回到家中后开始充电，休闲区的工作用户一般在上班时间内对车辆电量进行补充，且由于这两类场所由于车辆停留时间较长，因此普遍安装慢充桩，充电时间亦较长；而对于商业区/休闲区以及道路沿线等充电场所，普遍安装快充桩，以满足用户的临时电量补充需求。

进一步地，可控车辆的识别号码为车架号码(Vehicle Identification Number)，简称VIN，是一组由十七个字母或数字组成，用于汽车上的一组独一无二的号码，可以识别汽车的生产商、引擎、底盘序号及其他性能等资料，相当于汽车的‘身份证’，可将车辆与其基本信息一对一匹配起来。

进一步地，步骤S4中，根据下式计算配电变压器的负载率α_t：

进一步地，步骤S4中，所述充电功率控制模式，具体控制流程如下：

S4.1、统计时刻T_t时正在充电的可控车辆，根据可控车辆的识别号码检索获取其电池容量数据，计算时刻T_t时各可控车辆的平均充电功率需求P_ave，并根据P_ave从小到大对可控车辆进行编号，编号为1，2，……，M_t，M_t为时刻T_t时正在充电的可控车辆总数，具体如下：

式中，P_ave,m、SOC_t,m、SOC_T,m、T_L,m、B_m分别为正在充电的第m个可控车辆的平均充电功率需求、在时刻T_t时的荷电状态、目标荷电状态、预计离开时间和电池容量；

S4.2、计算时刻T_t时的配电变压器过载功率P’_b，具体如下：

S4.3、初始化各可控车辆的充电功率指令P_EV,m＝P_TH,m，m＝1,2,K,M_t，并令k＝1；

S4.4、判断第k个可控车辆的起始荷电状态SOC_0,k是否过低，若SOC_0,k≤荷电状态阈值，则表示第k个可控车辆的起始荷电状态较低，不宜进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.5；

S4.5、计算指标ΔB_k判断对第k个可控车辆进行降功率控制是否会影响车主的正常取车需求，具体如下：

ΔB_k＝P_TH,k·(T_L,k-T_t-Δd)-(SOC_T,k-SOC_t,k)·B_k； (4)

式中，P_TH,k表示第k个可控车辆所接入的第k个充电桩的额定充电功率，Δd为单次功率控制的时长；若ΔB_k<0，则降功率控制将影响车主的正常取车需求，不宜进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.6；

S4.6、令第k个可控车辆的年度累计受控时长L_y,k＝L_y,k+Δd，判断L_y,k是否超过上限，若L_y,k≥受控时长阈值，则第k个可控车辆的年度累计受控时长已超上限，不宜再进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.7；

S4.7、更新配电变压器过载功率P'_b，令配电变压器过载功率P'_b＝P'_b-P_TH,k，并对第k个可控车辆进行降功率控制，令第k个可控车辆的充电功率指令P_EV,k＝0；

S4.8、判断配电变压器是否仍然过载，若P'_b≤0，则配电变压器不过载，下发各可控车辆的充电功率P_EV,m，m＝1,2,K,M_t，结束控制流程；否则执行步骤S4.9；

S4.9、若k<M_t，则令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则下发各可控车辆的充电功率P_EV,m(m＝1,2,K,M_t)。

进一步地，步骤S4.4中，荷电状态阈值设置为0.5，即当SOC_0,k≤0.5时，表示第k个可控车辆的起始荷电状态较低，不宜进行降功率控制。

进一步地，步骤S4.6中，受控时长阈值设置为2，即当L_y,k≥2时，表示第k个可控车辆的年度累计受控时长已超上限，不宜再进行降功率控制。

进一步地，步骤S5中，签约用户的补贴电费的具体计算方法如下：

式中，C_j为第j个可控车辆的年度补贴电费；c_s为补贴单价；n_j为第j个可控车辆的年度总违约次数；w_j,z为第j个可控车辆第z次的违约金。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)对居民区电动汽车采用直接功率控制，即由电网或运营商直接控制电动汽车的充电时段和充电功率，以电费补贴的形式吸引自愿协议参与功率控制的用户，并与这部分用户签订合约、达成协议，当用户将车辆接于充电桩时，需接受电网的统一调控，该控制形式的可靠性更高，可有效保证配电变压器不发生过载问题；

2)对充电功率控制的逻辑进行改进，从荷电状态、平均充电功率需求、年度累计受控时长等多个维度，充分考虑了用户的充电需求紧急程度，控制逻辑更为完善、合理。

附图说明

图1是本发明一种居民区电动汽车充电功率控制方法流程示意图；

图2是充电功率控制模式的具体控制流程示意图；

图3是典型居民区基础负荷曲线图；

图4是居民区负载率年变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例：

本实施例中，以某居民小区为例，该居民区配变容量为630kVA，当前的基础负载率最大值为75％，其日负载率曲线如图3所示为典型生活区负载曲线，其基础负载率日最大值的变化趋势与2017年广州市全市负荷变化趋势一致，如图4所示。小区共160户居民，其中66户居民配备电动汽车，即该小区的电动汽车渗透率为0.4％，统一安装额定功率为7kW的交流充电桩。

一种居民区电动汽车充电功率控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、选定目标小区，获取目标小区配电变压器的容量S_b和所接的充电桩的额定充电功率P_TH,i，i＝1，2，……，N，N为所接的充电桩个数；

本实施例中，S_b＝630kVA，P_TH,i＝7kW,i＝1,2,K,66；

S2、与参与充电功率控制的电动汽车居民用户签订年度合约，并建立可控车辆的基础信息数据库；

与电动汽车居民用户签订的年度合约的具体内容如下：

1)、合约有效期为一年，自签订之日起生效，在合约期内，用户每次充电前需自主输入以下参数：可控车辆起始荷电状态SOC₀、目标荷电状态SOC_T以及预计离开时间T_L，可控车辆接于充电桩上的时间内将接受电网的统一调控；

2)、若车主实际停车时长少于预计停车时长的1/2，将对用户收取违约金，本实施例中，单次违约金为该用户该次充电电费的10％；

3)、年度合约到期时，电网将根据功率控制的补贴单价和可控车辆的年度累计受控时长，计算并发放用户的年度补贴费用。

基础信息数据库包括所有可控车辆的识别号码V_j和电池容量信息B_j，j＝1，2，……，M，V_j表示第j个可控车辆的识别号码，B_j表示第j个可控车辆的电池容量，M表示可控车辆的数量。

本实施例中，有50％的居民用户参与充电功率控制，因此M＝33。

S3、签约用户将可控车辆接入充电桩时，由用户自主输入可控车辆的起始荷电状态SOC₀、目标荷电状态SOC_T以及预计离开时间T_L；

S4、实时检测配电变压器低压侧的有功功率P_t和无功功率Q_t，得到配电变压器的负载率α_t，当α_t≤1时，令可控车辆以充电桩的额定功率进行正常充电；当α_t＞1时，启动充电功率控制模式，确定各可控车辆下一时刻的充电功率指令并下发；

根据下式计算配电变压器的负载率α_t：

本实施例中，由图4可以看出8月21日当天居民区的基础负荷负载率最大，则当天发生配变过载的概率最大，因此选取当天的运行情况进行讨论，晚上22:00时，检测到α_t＝1.05＞1，如图2所示，所述充电功率控制模式，具体控制流程如下：

S4.1、本实施例中，统计时刻T_t时正在充电的可控车辆，共20辆，根据可控车辆的识别号码检索获取其电池容量数据，计算时刻T_t时各可控车辆的平均充电功率需求P_ave，并根据P_ave从小到大对可控车辆进行编号，编号为1，2，……，M_t，M_t为时刻T_t时正在充电的可控车辆总数，M_t＝20，具体如下：

式中，P_ave,m、SOC_t,m、SOC_T,m、T_L,m、B_m分别为正在充电的第m个可控车辆的平均充电功率需求、在时刻T_t时的荷电状态、目标荷电状态、预计离开时间和电池容量；

S4.2、计算时刻T_t时的配电变压器过载功率P'_b，具体如下：

本实施例中，P'_b＝(1.05-1)·630·0.95＝29.925kW；

S4.3、初始化各可控车辆的充电功率指令P_EV,m＝P_TH,m，m＝1,2,K,20，并令k＝1；

S4.4、判断第k个可控车辆的起始荷电状态SOC_0,k是否过低，若SOC_0,k≤荷电状态阈值，本实施例中，荷电状态阈值设置为0.5，即当SOC_0,k≤0.5时，表示第k个可控车辆的起始荷电状态较低，不宜进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.5；

本实施例中，第1个可控车辆的SOC_0,1＝0.48<0.5，不宜进行降功率控制，因此令k＝2，返回步骤S4.4，对第2个可控车辆的进行判断，由于SOC_0,2＝0.65>0.5，可执行步骤S4.5；

S4.5、计算指标ΔB_k判断对第k个可控车辆进行降功率控制是否会影响车主的正常取车需求，具体如下：

ΔB_k＝P_TH,k·(T_L,k-T_t-Δd)-(SOC_T,k-SOC_t,k)·B_k； (4)

式中，P_TH,k表示第k个可控车辆所接入的第k个充电桩的额定充电功率，Δd为单次功率控制的时长，本实施例中，Δd设为0.25小时；若ΔB_k<0，则降功率控制将影响车主的正常取车需求，不宜进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.6；

本实施例中，第2个可控车辆的指标ΔB₂＝7·(24+6-22-0.25)-(1-0.65)·61.9＝32.585>0，因此，可继续执行步骤S4.6；

S4.6、令第k个可控车辆的年度累计受控时长L_y,k＝L_y,k+Δd，判断L_y,k是否超过上限，若L_y,k≥受控时长阈值，本实施例中，受控时长阈值设置为2，即当L_y,k≥2时，表示第k个可控车辆的年度累计受控时长已超上限，不宜再进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.7；

本实施例中，第2个可控车辆的年度累计受控时长L_y,2＝L_y,2+0.25＝1+0.25＝1.25<2，因此可继续指令后续操作；

S4.7、更新配电变压器过载功率P'_b，令配电变压器过载功率P'_b＝P'_b-P_TH,k，并对第k个可控车辆进行降功率控制，令第k个可控车辆的充电功率指令P_EV,k＝0；

本实施例中，此时P'_b＝29.925-7＝22.925kW，P_EV,2＝0；

S4.8、判断配电变压器是否仍然过载，若P'_b≤0，则配电变压器不过载，下发各可控车辆的充电功率P_EV,m，m＝1,2,K,20，结束控制流程；否则执行步骤S4.9；

本实施例中，此时仍P'_b>0，因此继续执行步骤S4.9；

S4.9、若k<M_t，则令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则下发各可控车辆的充电功率P_EV,m(m＝1,2,K,M_t)；

本实施例中，此时k＝2，M_t＝20，因此令k＝3，返回步骤S4.4，以此类推，最终该时刻共有5辆电动汽车的充电功率需要受到控制，编号分别为2，3，4，6，7。

S5、检查各充电功率指令是否正常执行，更新各可控车辆的年度累计受控时长，并获取相应签约用户的补贴电费；

签约用户的补贴电费的具体计算方法如下：

式中，C_j为第j个可控车辆的年度补贴电费；c_s为补贴单价；n_j为第j个可控车辆的年度总违约次数；w_j,z为第j个可控车辆第z次的违约金。

本实施例中，应相应地更新编号为2，3，4，6，7的车辆的年度累计受控时长，用于最终补贴电费的计算。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选定目标小区，获取目标小区配电变压器的容量S_b和所接的充电桩的额定充电功率P_TH,i，i＝1，2，……，N，N为所接的充电桩个数；

S2、与参与充电功率控制的电动汽车居民用户签订年度合约，并建立可控车辆的基础信息数据库；

S3、签约用户将可控车辆接入充电桩时，由用户自主输入可控车辆的起始荷电状态SOC₀、目标荷电状态SOC_T以及预计离开时间T_L；

S4、实时检测配电变压器低压侧的有功功率P_t和无功功率Q_t，得到配电变压器的负载率α_t，当α_t≤1时，令可控车辆以充电桩的额定功率进行正常充电；当α_t＞1时，启动充电功率控制模式，确定各可控车辆下一时刻的充电功率指令并下发；

S5、检查各充电功率指令是否正常执行，更新各可控车辆的年度累计受控时长，并获取相应签约用户的补贴电费。

2.根据权利要求1所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，步骤S2中，与电动汽车居民用户签订的年度合约的具体内容如下：

1)、合约有效期为一年，自签订之日起生效，在合约期内，用户每次充电前需自主输入以下参数：可控车辆起始荷电状态SOC₀、目标荷电状态SOC_T以及预计离开时间T_L，可控车辆接于充电桩上的时间内将接受电网的统一调控；

2)、若车主实际停车时长少于预计停车时长的1/2，将对用户收取违约金；

3)、年度合约到期时，电网将根据功率控制的补贴单价和可控车辆的年度累计受控时长，计算并发放用户的年度补贴费用。

3.根据权利要求2所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，单次违约金为该用户该次充电电费的10％。

4.根据权利要求1所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，步骤S2中，基础信息数据库包括所有可控车辆的识别号码V_j和电池容量信息B_j，j＝1，2，……，M，V_j表示第j个可控车辆的识别号码，B_j表示第j个可控车辆的电池容量，M表示可控车辆的数量。

5.根据权利要求4所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，可控车辆的识别号码为车架号码，简称VIN，是一组由十七个字母或数字组成，用于汽车上的一组独一无二的号码，相当于汽车的‘身份证’，可将车辆与其基本信息一对一匹配起来。

6.根据权利要求4所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，步骤S4中，根据下式计算配电变压器的负载率α_t：

7.根据权利要求6所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，步骤S4中，所述充电功率控制模式，具体控制流程如下：

S4.1、统计时刻T_t时正在充电的可控车辆，根据可控车辆的识别号码检索获取其电池容量数据，计算时刻T_t时各可控车辆的平均充电功率需求P_ave，并根据P_ave从小到大对可控车辆进行编号，编号为1，2，……，M_t，M_t为时刻T_t时正在充电的可控车辆总数，具体如下：

式中，P_ave,m、SOC_t,m、SOC_T,m、T_L,m、B_m分别为正在充电的第m个可控车辆的平均充电功率需求、在时刻T_t时的荷电状态、目标荷电状态、预计离开时间和电池容量；

S4.2、计算时刻T_t时的配电变压器过载功率P'_b，具体如下：

S4.3、初始化各可控车辆的充电功率指令P_EV,m＝P_TH,m，m＝1,2,...,M_t；并令k的初始值为1；

S4.4、判断第k个可控车辆的起始荷电状态SOC_0,k是否过低，若SOC_0,k≤荷电状态阈值，则表示第k个可控车辆的起始荷电状态较低，不宜进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.5；

S4.5、计算指标ΔB_k判断对第k个可控车辆进行降功率控制是否会影响车主的正常取车需求，具体如下：

ΔB_k＝P_TH,k·(T_L,k-T_t-Δd)-(SOC_T,k-SOC_t,k)·B_k； (4)

式中，P_TH,k表示第k个可控车辆所接入的第k个充电桩的额定充电功率，Δd为单次功率控制的时长；若ΔB_k＜0，则降功率控制将影响车主的正常取车需求，不宜进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.6；

S4.6、令L_y,k＝L_,yk+Δd，判断第k个可控车辆的年度累计受控时长L_y,k是否超过上限，若L_y,k≥受控时长阈值，则第k个可控车辆的年度累计受控时长已超上限，不宜再进行降功率控制，令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则执行步骤S4.7；

S4.7、更新配电变压器过载功率P'_b，令P'_b＝P'_b-P_TH,k，并对第k个可控车辆进行降功率控制，令第k个可控车辆的充电功率指令P_EV,k＝0；

S4.8、判断配电变压器是否仍然过载，若P'_b≤0，则配电变压器不过载，下发各可控车辆的充电功率P_EV,m，m＝1,2,...,M_t，结束控制流程；否则执行步骤S4.9；

S4.9、若k<M_t，则令k＝k+1，返回步骤S4.4；否则下发各可控车辆的充电功率P_EV,m(m＝1,2,...,M_t)。

8.根据权利要求7所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，步骤S4.4中，荷电状态阈值设置为0.5，即当SOC_0,k≤0.5时，表示第k个可控车辆的起始荷电状态较低，不宜进行降功率控制。

9.根据权利要求7所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，步骤S4.6中，受控时长阈值设置为2，即当L_y,k≥2时，表示第k个可控车辆的年度累计受控时长已超上限，不宜再进行降功率控制。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种居民区电动汽车充电功率控制方法，其特征在于，步骤S5中，签约用户的补贴电费的具体计算方法如下：

式中，C_j为第j个可控车辆的年度补贴电费；c_s为补贴单价；n_j为第j个可控车辆的年度总违约次数；w_j,z为第j个可控车辆第z次的违约金。

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