CN114425964B - 一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器及方法，属于电动汽车充电控制技术领域。本发明的一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器，充分考虑“电动汽车特别是家用电动汽车不但携带有大容量的电池组，而且每日平均运行时间较短，是潜在的优质需求侧能源”的现状，进而本发明设置用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块、中央决策模块，在满足用户参与意愿的前提下，根据需求响应激励信号的变化，自主控制电动汽车参与充放电的需求响应。进一步，本发明能够实现合理的充放电控制，可以充分发挥电动汽车能够作为可调节负荷和储能的特性，通过参与需求响应能创造出可观的经济和社会效益。

Description

一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器及方法

技术领域

本发明涉及一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器及方法，属于电动汽车充电控制技术领域。

背景技术

目前，电动汽车的保有量在民用和商用领域都已经相当可观。特别是家用电动汽车不但携带有大容量的电池组，而且每日平均运行时间较短，是潜在的优质需求侧能源。

但电动汽车的开发利用面临着车辆数目多、个体差异大、用户积极性低等问题，导致电动汽车难以参与需求响应，不仅造成了潜在资源的浪费，也使得电动汽车用户无法获得预期的相应利益。

进一步，中国专利(CN110503309A)公开了基于主动需求响应的电动汽车充电调度方法，方法包括：采集用户的充电需求数据；所述用户包括私家车用户和出租车用户；根据用户的充电需求数据，结合电网系统条件、天气状况信息、历史报价信息和负荷数据信息，计算批发电价；建立经济激励值-用电量曲线；根据经济激励值-用电量曲线，构建最优充电调度模型；通过最优充电调度模型确定经济激励值和充电量。本发明的需求响应建立在用户自愿响应的基础上，用户有权选择是否参与响应，提高了用户的参与意愿度；另外，本发明通过对用户的经济激励，使得方案更易于实施，可广泛应用于电力系统及其自动化技术领域。

但上述方案只是改变车辆的开始充电时间或充电功率，避免电动汽车在负荷高峰时段进行充电，鼓励电动汽车在负荷低峰时段进行充电，因此上述方案对电力系统的负荷影响有限，不能有效减小电力系统中负荷的波动，无法充分发挥电动汽车能够作为可调节负荷和储能的特性，进而无法通过电动汽车参与需求响应能创造出可观的经济和社会效益。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过设置用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块、中央决策模块，在满足用户参与意愿的前提下，根据需求响应激励信号的变化，自主控制电动汽车参与充放电的需求响应，使得能够通过改变电动汽车的充放电计划，实现合理的充放电控制，可以充分发挥电动汽车能够作为可调节负荷和储能的特性，通过参与需求响应能创造出可观的经济和社会效益；采用成本较低的方式维持了电力系统的稳定性，使用户获得相应的收益的自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器及方法。

为实现上述目的，本发明的一种技术方案为：

一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器，

包括用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块、中央决策模块；

所述用户交互模块，用于和用户进行交换信息，其将用户参与需求响应的意愿传输到中央决策模块，同时将中央决策模块得出的结果反馈给用户；

所述充放电控制模块，用于控制车辆充电以及对外放电，其依据来自中央决策模块的充放电计划对充放电过程进行控制，并将车辆的实时状态信息传输给中央决策模块；

所述实时状态信息包括电量、充放电功率；

所述用户意愿存储模块，用于存储用户需求响应意愿，其将用户设定的参与需求响应意愿进行存储，根据用户交互模块的输入信息对意愿信息进行实时更新，并向中央决策模块传递所需的最新用户设定信息；

所述激励信号接收模块，用于接收需求响应激励信息，其将激励信号数据传输给中央决策模块作为车辆充放电计划的决策信息；

所述激励信号为需求响应的补贴价格信号；

所述中央决策模块，用于接收用户交互模块的用户信息、用户意愿存储模块的用户设定信息、激励信号接收模块的激励信号信息，并通过优化求解对车辆的充放电计划进行合理的决策，并将充放电计划信息输出给充放电控制模块进行执行。

本发明经过不断探索以及试验，充分考虑“电动汽车特别是家用电动汽车不但携带有大容量的电池组，而且每日平均运行时间较短，是潜在的优质需求侧能源”的现状，进而本发明设置用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块、中央决策模块，在满足用户参与意愿的前提下，根据需求响应激励信号的变化，自主控制电动汽车参与充放电的需求响应。

进一步，本发明能够实现合理的充放电控制，可以充分发挥电动汽车能够作为可调节负荷和储能的特性，通过参与需求响应能创造出可观的经济和社会效益。在电动汽车参与需求响应的过程中，本发明的充电桩控制器一方面可以改变车辆的开始充电时间或充电功率，避免电动汽车在负荷高峰时段进行充电，鼓励电动汽车在负荷低峰时段进行充电；另一方面，电动汽车可以作为电力系统的备用资源。在电力系统中供需关系紧张的时段，电动汽车通过改变其自身和电网之间的传输功率，扮演一个可调负荷和虚拟发电资源的角色，采用成本较低的方式维持了电力系统的稳定性，有效减小电力系统中负荷的波动，提高系统的运行效率。

再进一步，本发明的充电桩控制器在满足用户使用需求的前提下，控制车辆自主参与需求响应，能够获取一定的收益，可以有效提高用户参与的积极性。

为实现上述目的，本发明的另一种技术方案为：

一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，

应用上述的一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器，

其包括以下步骤：

步骤1：电动汽车充电桩控制器的监控模块对充电桩的运行状态进行监控，当电动汽车接入充电桩之后，电动汽车充电桩控制器的其余模块才会开始运行，否则处于休眠状态，提高设备的运行效能；

步骤2：当步骤1中的电动汽车充电桩控制器的其余模块处于运行状态后，激励信号接收模块开始接收需求响应补贴信息，获取市场中对需求侧资源参与响应的需求量和相应的激励方法，经过分析和处理后形成标准化的激励信号，并传输给中央决策模块；

步骤3：在步骤2的接收需求响应补贴信息的同时或之后，用户交互模块询问用户是否更改之前所设定的意愿信息；

意愿信息包括如预期充电离开时间、预期离开电量；

如果用户需要更改信息，根据用户交互模块的反馈信息对所存储的意愿进行更新，提高准确性；并调用用户意愿存储模块，向中央决策模块提供所需的相关信息；

步骤4：根据步骤3中的用户意愿信息，中央决策模块按照用户所设定的决策目标，结合需求响应激励信号和用户意愿信息，对电动汽车的最优充放电策略进行求解，并对预期效果进行评估；

步骤5：充放电控制模块接收到步骤4中的最优充放电策略后，在不需要用户参与的前提下，在设定的响应时段按照设定的响应量自主参与需求响应。

本发明能够实现合理的充放电控制，在满足用户使用需求的前提下，控制车辆自主参与需求响应，可以充分发挥电动汽车能够作为可调节负荷和储能的特性，通过参与需求响应能创造出可观的经济和社会效益，可以有效提高用户参与的积极性，并能够有效减小电力系统中负荷的波动，提高系统的运行效率。

进一步，在电动汽车参与需求响应的过程中，本发明一方面可以改变车辆的开始充电时间或充电功率，避免电动汽车在负荷高峰时段进行充电，鼓励电动汽车在负荷低峰时段进行充电；另一方面，电动汽车可以作为电力系统的备用资源。在电力系统中供需关系紧张的时段，电动汽车通过改变其自身和电网之间的传输功率，扮演一个可调负荷和虚拟发电资源的角色，采用成本较低的方式维持了电力系统的稳定性，有效减小电力系统中负荷的波动，提高系统的运行效率。

作为优选技术措施：

所述步骤2中，激励信号的分析处理过程，具体包括以下步骤：

步骤21：激励信号接收模块接收需求响应补贴信息，分析不同时段上参与需求响应的补贴价格；

步骤22：在步骤21接收需求响应补贴信息的同时或之后，激励信号接收模块结合具体电动汽车参与需求响应的实际能力，分析不同的需求响应容量下，该用户预期获得收益的情况；

步骤23：将步骤22分析出的不同响应容量下的预期收益转化成中央决策模块能识别的数据形式，并传输给中央决策模块。

作为优选技术措施：

所述步骤3中，意愿信息分为长期用户意愿信息和实时用户意愿信息；

所述长期用户意愿信息，包括放电深度、最大放电次数，其存储在用户意愿存储模块，通过签订充电合约来确定；

所述实时用户意愿信息，包括次日的充电时段、预期需求电量，其由用户提前一天或者几小时通过用户交互模块进行实时申报。

作为优选技术措施：

所述步骤4中，电动汽车的充放电策略是根据电动汽车和电网的交互形式进行有序的延迟或提前对电动汽车进行充放电，其在充放电之前需对电动汽车充电桩是否参与需求响应，进行判断，其具体判断流程如下所示：

步骤41：中央决策模块对激励信号接收模块传来的信息进行检测，判断该时刻下是否存在需求响应激励信号；如果不存在激励信号，退出判断流程，不参与需求响应；

步骤42：在步骤41对信息进行检测的同时或之后，中央决策模块对用户意愿存储模块传来的信息进行分析，判断此时用户的用电需求是否具有弹性；如果用户的用电需求不具有弹性，改变用电特性会对用户的正常使用产生不利影响，则退出判断流程，不参与需求响应；

步骤43：进行步骤41和步骤42的同时或之后，中央决策模块从用户意愿存储模块中获取需求响应激励信号的期望阈值，判断此时需求响应的激励信号是否达到用户的期望阈值；如果未达到，则退出判断流程，不参与需求响应；

步骤44：在步骤41、步骤42、步骤43分别判断完成后，并得到参与需求响应的信息情况下，中央决策模块制定出电动汽车充电桩参与需求响应的控制方案，所述控制方案包括有响应时段、响应容量，并传输给充放电控制模块执行，同时通过用户交互模块把相关信息及时地反馈给用户。

作为优选技术措施：

所述步骤4中，最优充放电策略的优化目标是用户使用电能的总花费最小；

所述总花费等于用户的购电花费减去参与需求响应的补贴；

所述优化目标的计算公式如下：

MIN(M)＝∑_t(c(t)×P_c(t)-c_u(t)×P_u(t)) (1)

其中，变量M代表用户使用电能的总花费，中央决策模块的优化目标是使得该变量值最小；P_c(t)代表在t时段中的家用电动汽车的实时充放电功率，P_u(t)代表在t时段中电动汽车参与需求响应的容量，c(t)代表t时段上的购电单价，c_u(t)代表t时段上的需求响应的补贴单价。

作为优选技术措施：

有序充放电过程中，中央决策模块的最优充电方案结果会受到车辆电池组特性和用户意愿的约束，车辆充放电过程中，所述优化目标受到的主要约束包括电量约束、功率约束、保底电量约束、期望电量约束：

所述电量约束是指电池组容量是有限的，存储的电量需要在某一个区间内变动，不能超过最大电池组容量，也不能小于电池组的最低电量，如下述表达式(2)所示：

E_min≤E(t)≤E_max (2)

上述表达式(2)中，E(t)代表电池组在时刻t的电量，E_min代表电池组的最低电量，E_max代表电池组的最大容量；

所述功率约束是指电池组最大充电功率和最大放电功率的限制；电池组的实际传输功率在任何时段都不能超过充放电的功率极限值，极限值是由电池组装置的特性决定，如下述表达式(3)所示：

-P_dcmax≤P(t)≤P_cmax (3)

上述表达式(3)中，P(t)代表电池组在时刻t的充放电，P_dcmax代表电池组的最大放电功率，P_cmax代表电池组的最大充电功率；

所述保底电量约束是指充放电过程中车辆电量要保持大于用户设定的某个特定值；当车辆入网电量低于保底电量时，车辆需要立即以最大充电功率进行强制充电，直到电量达到保底电量；当车辆受调度指令对外进行放电时，如果电量降低到保底电量，立即停止放电；保底电量约束如下述表达式(4)所示：

E_bot≤E(t) (4)

上述表达式(4)中，E_bot代表电池组的保底电量；

所述期望电量约束是指车辆在预期离开时刻需要达到用户设定的最低电量；

在预期离开时刻的临近时段中，车辆为了达到预期电量进行强制充电，不在参与需求侧响应；期望电量约束如下述表达式(5)所示：

E_exp≤E(t_l) (5)

上述表达式(5)中，E_exp代表电池组的保底电量，E(t_l)代表电动汽车在时刻t_l离开充电桩时的电量。

作为优选技术措施：

所述步骤4中，评估为对电力系统不平衡量的最大调节能力的评估，其通过上备用容量P_u和下备用容量P_d的大小来表示；

所述上备用容量P_u和下备用容量P_d的计算公式如下：

P_u(t)＝P(t)+P_dcmax

P_d(t)＝P_cmax-p(t)

其中，P(t)表示电动汽车的实时充放电功率；

P_dcmax表示电动汽车的最大放电功率，为正实数，数值大小主要受汽车的充电装置、充电桩设施的影响，不同的汽车个体数值不同；

P_cmax表示电动汽车的最大充电功率，为正实数，不同的汽车个体数值不同；

当P(t)>0时，表示电动汽车处于充放电状态，作为系统负荷吸收电能；

当P(t)<0时，表示电动汽车处于放电状态，作为系统电源放出电能。

作为优选技术措施：

所述步骤5：自主参与需求响应的具体过程如下:

步骤51：充放电控制模块接收来自中央决策模块的电动汽车充放电控制计划，获悉各个时间段上电动汽车的预期充放电功率；

步骤52：在实际运行过程中，根据步骤51的电动汽车充放电控制计划，充放电控制模块获取电动汽车的实时充放电状态，将实时充放电功率和该时间段上电动汽车的预期充放电功率进行比较；

如果两者相等，充放电控制模块不需要干预电动汽车的充放电状态，只需要继续保持监测；如果两者不相等，充放电控制模块需要干预电动汽车的充放电状态，控制实时充放电功率始终等于该时段下预期的充放电功率；

步骤53：在进行步骤52的充放电控制的同时或之后，充放电控制模块将电动汽车的充放电信息进行反馈。

作为优选技术措施：

所述充放电功率的计算公式如下：

其中，P_ex(t)为各个时间段上电动汽车的预期充放电功率；

P_c(t)为充放电控制模块获取电动汽车的实时充放电状态；

P_c(t)为实时充放电功率P_c(t)；

P_ex(t)为某时间段上电动汽车的预期充放电功率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明经过不断探索以及试验，充分考虑“电动汽车特别是家用电动汽车不但携带有大容量的电池组，而且每日平均运行时间较短，是潜在的优质需求侧能源”的现状，进而本发明设置用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块、中央决策模块，在满足用户参与意愿的前提下，根据需求响应激励信号的变化，自主控制电动汽车参与充放电的需求响应。

进一步，本发明能够实现合理的充放电控制，可以充分发挥电动汽车能够作为可调节负荷和储能的特性，通过参与需求响应能创造出可观的经济和社会效益。在电动汽车参与需求响应的过程中，本发明的充电桩控制器一方面可以改变车辆的开始充电时间或充电功率，避免电动汽车在负荷高峰时段进行充电，鼓励电动汽车在负荷低峰时段进行充电；另一方面，电动汽车可以作为电力系统的备用资源。在电力系统中供需关系紧张的时段，电动汽车通过改变其自身和电网之间的传输功率，扮演一个可调负荷和虚拟发电资源的角色，采用成本较低的方式维持了电力系统的稳定性，有效减小电力系统中负荷的波动，提高系统的运行效率。

更进一步，本发明可以考虑由用户自主设定的短期和长期参与需求响应意愿，确保车辆在参与需求响应的过程中不会影响用户的正常需求，减少需求响应过程中延时充电等操作对用户使用体验的影响。

同时本发明可以接收实时的需求响应激励信号，控制器根据需求响应补贴信号来决定自身的响应程度，最大程度上减小车辆的充电花费和增大需求响应的经济收益。

再进一步，本发明可以依据车辆的充电速度、电池组容量等信息，合理地安排车辆充放电计划，可以为电力系统提供调峰、备用等服务，减少传统火电机组提供上述服务所承担的损失；进而可以有效实现用户和控制器之间的信息交互，能在决策过程中充分考虑用户的参与意愿，也能让用户了解到车辆的实时充放电状态，增强了用户在需求响应过程中的主动性。

附图说明

图1是本发明系统框架示图。

图2是本发明参与需求响应的流程图。

图3是本发明需求响应判断的流程图。

图4是本发明充电控制流程图。

图5是本发明结构示图。

图6是充放电过程中单个电动汽车状态仿真结果。

图中：1、充电桩的控制器；2、液晶显示屏；3、控制器开关按钮；4、电动汽车的充电历史记录查询按钮；5、菜单向上选定按钮；6、菜单向下选定按钮；7、菜单确定按钮；8、控制器的输出信号线孔；9、火线接入线孔；10、零线接入线孔；11、控制器的接收信号线孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，本发明的一种电动汽车充电桩控制器的具体实施例：

一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器，包括用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块、中央决策模块；

用户交互模块用于用户和控制器之间的信息交互，将用户设定的参与意愿传输给用户意愿存储模块和中央决策模块，同时中央决策模块将车辆实时状态信息提供给用户。

充放电控制模块用于车辆充放电过程的控制，使车辆充放电过程和中央决策系统结果相符合，实现用户利益的最大化。

用户意愿存储模块用于接收并存储用户参与意愿，接收用户交互模块的信息进行实时更新，快速、准确地为中央决策模块提供所需信息。

激励信号接收模块用于接收需求响应的激励信号，将需求响应补贴等信息形成激励信号，并将信号及时的传输给中央决策模块用于决策。

中央决策模块接收用户参与意愿数据、激励信号数据和电池组参数数据，进行处理后得出车辆充放电过程中的最优控制方案，并传输给充放电控制模块进行执行。

因此，本发明提出了一种自主参与需求响应的家用电动汽车充电桩控制器，在满足用户参与意愿的前提下，根据需求响应激励信号的变化，自主控制电动汽车参与需求响应。

合理的充电控制可以充分发挥电动汽车能够作为可调节负荷和储能的特性，通过参与需求响应能创造出可观的经济和社会效益。在电动汽车参与需求响应的过程中，充电桩控制器一方面可以改变车辆的开始充电时间或充电功率，避免电动汽车在负荷高峰时段进行充电，鼓励电动汽车在负荷低峰时段进行充电，减小电力系统中负荷的波动，提高系统的运行效率。另一方面，电动汽车可以作为电力系统的备用资源。在电力系统中供需关系紧张的时段，电动汽车通过改变其自身和电网之间的传输功率，扮演一个可调负荷和虚拟发电资源的角色，采用成本较低的方式维持了电力系统的稳定性。本充电桩在满足用户使用需求的前提下，控制车辆自主参与需求响应，能够获取一定的收益，可以有效提高用户参与的积极性。

本发明的一种应用在家用电动汽车充电桩控制器的具体实施例：

一种自主参与需求响应的家用电动汽车充电桩控制器，包括封装外壳和放置在外壳中的用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块和中央决策模块五个部分。

用户交互模块用于用户和控制器之间的交互信息，用户向控制器提供的信息包括计划出行时间、预期离开电量等短期设定的用户参与意愿，控制器向用户提供的信息包括实时电量、实时充电速度等车辆状态信息。

充放电控制模块控制车辆电池组的充放电过程，参照中央决策模块所提供的信息进行执行，改变车辆的开始充电时间、充电速度等状态参数，在有些情况下甚至可以控制车辆对电网进行反向放电，实现调峰、备用等预期效果。

用户意愿存储模块接收并存储用户设定的参与需求响应意愿。所储存的意愿一般为长期用户意愿，对中央决策模块的决策过程在一段较长的时间内具有相对固定的影响效果。用户意愿存储模块会接收来自用户交互模块的信息，对存储信息中发生改变的部分进行实时的更新。

激励信号接收模块将需求响应补贴价格作为激励信号，将激励信号传输给用户意愿存储模块和中央决策模块。

中央决策模块接收用户参与需求响应的意愿和需求响应的激励信号，通过决策求解得出家用电动汽车充电桩控制器的控制信号，实现用户利益的最大化，并将控制信号传送给电动汽车充放电控制模块以实现对电动汽车充电桩的控制。

用户信息可以分为长期和实时两类。长期的用户意愿通常会存储在用户意愿存储模块，通过签订充电合约来确定。针对实时的用户意愿，用户提前一天或者几小时通过用户交互模块进行实时申报。用户的参与意愿中，EV个体在次日的充电时段、预期需求电量等意愿就需要用户每次都提前一定的时段进行申报，而放电深度、最大放电次数等意愿是可以在合约中长期签订的。所述的用户交互模块将用户车辆预计接入时间、预计离开时间等用户信息传递给中央决策模块，同时中央决策模块也会通过手机应用程序等方式将最优充放电计划等信息反馈给用户。该模块可以通过在充电桩上安装显示屏模块实现，也可以通过手机应用程序等手段来实现。

所述的中央决策模块进行决策所依据的信息主要来自用户交互模块、用户意愿存储模块和激励信号接收模块，结合车辆的充电速度等性能指标对充放电计划进行安排，之后将充放电计划传输给充放电控制模块进行执行。

本发明的一种电动汽车充放电控制方法的具体实施例：

一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，

应用上述的一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器，在实际运行过程中，本发明的实施流程图如图2所示，具体实施流程如下：

步骤1：控制器对充电桩的运行状态进行监控，当电动汽车接入充电桩之后，控制器的其余部分才会开始运行，否则处于休眠状态，提高设备的运行效能。

步骤2：激励信号接收模块开始接收需求响应补贴信息，获取市场中对需求侧资源参与响应的需求量和相应的激励方法，经过分析和处理后形成标准化的激励信号，并传输给中央决策模块。

步骤3：用户交互模块询问用户是否更改之前所设定的意愿信息，如预期充电离开时间、预期离开电量等信息。如果用户需要更改信息，根据用户交互模块的反馈信息对所存储的意愿进行更新，提高准确性。调用用户意愿存储模块，向中央决策模块提供所需的相关信息。

步骤4：中央决策模块按照用户所设定的决策目标，结合需求响应激励信号和用户意愿信息，对电动汽车的最优充放电策略进行求解，并对预期效果进行评估。

步骤5：充放电控制模块接收到电动汽车的最优充放电计划，在不需要用户参与的前提下，在设定的响应时段按照设定的响应量自主参与需求响应。

在具体响应过程中，中央决策模块首先需要对电动汽车的状态进行评估。EV的上备用容量P_u和下备用容量P_d，分别代表着EV对电力系统不平衡量的最大调节能力，是一个极限值。备用容量的大小是由最大充电功率和实时功率两个因素共同决定的，可以用如下表达式分别表示：

P_u(t)＝P(t)+P_dcmax

P_d(t)＝P_cmax-p(t)

表达式中，P(t)表示EV的实时充放电功率。当P(t)>0时，表示电动汽车处于充电状态，作为系统负荷吸收电能；当P(t)<0时，表示电动汽车处于放电状态，作为系统电源放出电能。P_dcmax表示电动汽车的最大放电功率，为正实数，数值大小主要受汽车的充电装置、充电桩设施等因素的影响，不同的汽车个体数值不同。P_cmax表示EV的最大充电功率，为正实数，不同的汽车个体数值也不同。

在实际运行过程中，激励信号接收模块在接收到需求响应补贴信息后，会经过一定的处理形成控制器可识别的激励信号。

首先，激励信号接收模块接收需求响应补贴信息，分析不同时段上参与需求响应的补贴价格C(t)。然后，激励信号接收模块结合该设备参与需求响应的实际能力，包含上述的上备用容量P_u和下备用容量P_d，分析最大响应容量内不同响应百分比时，该用户预期获得收益W_ex(i,t)的情况。其中t代表时刻t，i代表t时刻时响应的百分比。最后，激励信号接收模块将不同响应容量下的预期收益W_ex(i,t)传输给中央决策模块，作为中央决策模块进行决策的依据信息。

电动汽车充放电过程中的控制策略是根据电动汽车和电网的交互形式进行有序充电，延迟或提前对电动汽车进行充电。

在具体运行过程中，如果没有需求响应激励信号，中央决策模块只需要在满足用户用电需求的情况下，控制电动汽车优先在电价低谷时段充电。如果存在需求响应激励信号，中央决策模块会根据用户需求和激励信号决定是否参与需求响应。如果该时刻用户的用电需求无法被移动到其它时段，控制器将会选择不参加需求响应；如果需求响应激励信号未达到用户根据自身意愿设置的参与响应阈值，控制器也不会选择参与需求响应；在其余情况下，控制器会选择自主控制电动汽车参与需求响应，并将及时反馈需求响应的状况。

在实际运行过程中，充放电控制模块会接收来自中央决策模块的电动汽车充放电控制计划，获悉各个时间段上电动汽车的预期充放电功率P_ex(t)之后，充放电控制模块获取电动汽车的实时充电状态P_c(t)，将实时充放电功率P_c(t)和该时间段上电动汽车的预期充放电功率P_ex(t)进行比较。如果两者相等，充放电控制模块不需要干预电动汽车的充电状态，只需要继续保持监测；如果两者不相等，充放电控制模块需要干预电动汽车的充电状态，控制实时充放电功率始终等于该时段下预期的充放电功率。因此，充放电控制模块控制下的充放电功率可以表示为：

最后，充放电控制模块将电动汽车的充放电过程中实际充放电功率、电量等信息进行反馈。

本发明中，中央决策模块采用延时充放电的有序充电控制策略。中央决策模块设定的优化目标是用户使用电能的总花费最小，总花费等于用户的购电花费减去参与需求响应的补贴。优化目标可以由下列表达式(1)进行描述：

MIN(M)＝∑_t(c(t)×P_c(t)-c_u(t)×P_u(t)) (1)

上述表达式(1)中，变量M代表用户使用电能的总花费，中央决策模块的优化目标是该变量值最小。式子中，P_c(t)代表在t时段中的家用电动汽车的实时充放电功率，P_u(t)代表在t时段中电动汽车参与需求响应的容量，c(t)代表t时段上的购电单价，c_u(t)代表t时段上的需求响应的补贴单价。

有序充放电过程中，中央决策模块的最优充电方案结果会受到车辆电池组特性和用户意愿的约束。车辆充放电过程中，充放电策略受到的主要约束有：

1.电量约束是指电池组容量是有限的，存储的电量需要在某一个区间内变动，不能超过最大电池组容量，也不能小于电池组的最低电量，如下述表达式(2)所示：

E_min≤E(t)≤E_max (2)

上述表达式(2)中，E(t)代表电池组在时刻t的电量，E_min代表电池组的最低电量，E_max代表电池组的最大容量。

2.功率约束是指电池组最大充电功率和最大放电功率的限制。电池组的实际传输功率在任何时段都不能超过充放电的功率极限值，极限值是由电池组装置的特性决定，如下述表达式(3)所示：

-P_dcmax≤P(t)≤P_cmax (3)

上述表达式(3)中，P(t)代表电池组在时刻t的充放电，P_dcmax代表电池组的最大放电功率，P_cmax代表电池组的最大充电功率。

3.保底电量约束是指充放电过程中车辆电量要保持大于用户设定的某个特定值。一方面，当车辆入网电量低于保底电量时，车辆需要立即以最大充电功率进行强制充电，直到电量达到保底电量；另一方面，车辆受调度指令对外进行放电时，如果电量降低到保底电量，会立即停止放电。保底电量约束如下述表达式(4)所示：

E_bot≤E(t) (4)

上述表达式(4)中，E_bot代表电池组的保底电量。

4.期望电量约束是指车辆在预期离开时刻需要达到用户设定的最低电量。因此，在预期离开时刻的临近时段中，车辆为了达到预期电量会进行强制充电，是不可以参与需求侧响应的。期望电量约束如下述表达式(5)所示：

E_exp≤E(t_l) (5)

上述表达式(5)中，E_exp代表电池组的保底电量，E(t_l)代表电动汽车在时刻t_l离开充电桩时的电量。

本发明形成可识别激励信号的一种具体实施例：

在实际运行过程中，激励信号接收模块接收需求响应补贴信息，形成控制器可识别的激励信号的判断流程如下所示：

步骤1：激励信号接收模块接收需求响应补贴信息，分析不同时段上参与需求响应的补贴价格。

步骤2：激励信号接收模块结合该设备参与需求响应的实际能力，分析不同的需求响应容量下，该用户预期获得收益的情况。

步骤3：将不同响应容量下的预期收益转化成中央决策模块可识别的数据形式，并传输给中央决策模块。

本发明判断是否参与需求响应的一种具体实施例：

在实际运行过程中，中央决策模块控制电动汽车充电桩参与需求响应的判断流程如下所示：

步骤1：中央决策模块对激励信号接收模块传来的信息进行检测，判断该时刻下是否存在需求响应激励信号。如果不存在激励信号，退出判断流程，不参与需求响应。

步骤2：中央决策模块对用户意愿存储模块传来的信息进行分析，判断此时用户的用电需求是否具有弹性。如果用户的用电需求不具有弹性，改变用电特性会对用户的正常使用产生较大的影响，则退出判断流程，不参与需求响应。

步骤3：中央决策模块从用户意愿存储模块中获取需求响应激励信号的期望阈值，判断此时需求响应的激励信号是否达到用户的期望阈值。如果未达到，则退出判断流程，不参与需求响应。

步骤4：中央决策模块制定出电动汽车充电桩参与需求响应的控制方案，包含有响应时段、响应容量等信息，传输给充放电控制模块执行，并通过用户交互模块把相关信息及时地反馈给用户。

本发明充电控制的一种具体实施例：

在实际运行过程中，充放电控制模块对电动汽车充放电过程的控制流程如下所示：

步骤1：充放电控制模块接收来自中央决策模块的电动汽车充放电控制计划，获悉各个时间段上电动汽车的预期充放电功率。

步骤2：在实际运行过程中，充放电控制模块获取电动汽车的实时充电状态，将实时充放电功率和该时间段上电动汽车的预期充放电功率进行比较。如果两者相等，充放电控制模块不需要干预电动汽车的充电状态，只需要继续保持监测；如果两者不相等，充放电控制模块需要干预电动汽车的充电状态，控制实时充放电功率始终等于该时段下预期的充放电功率。

步骤3：充放电控制模块将电动汽车的充电信息进行反馈。

本发明外壳结构的一种具体实施例：

如图5所示，充电桩的控制器1外壳被设计为长方体的形状，其正面有一个方形的液晶显示屏2，显示屏旁边设计五个圆形的控制按钮，从上到下分别是控制器开关按钮3，电动汽车的充电历史记录查询按钮4，菜单向上选定按钮5，菜单向下选定按钮6，菜单确定按钮7，控制器底部有四个接线孔，从左到右分别是控制器的输出信号线孔8，火线接入线孔9，零线接入线孔10，控制器的接收信号线孔11。使用时将电动汽车充电桩的控制信号输入端子与接线孔8连接，充电桩的火线接入接线孔9，零线接入接线孔10用于为控制器提供电源。

应用本发明的一种具体实施例：

选取居民区用户群体进行实际应用分析。居民区用户的入网时间和离网时间的分布具有明显的规律性，典型的用户状态是以24h为一个周期，车辆个体在上午时段离网出行，下午时段出行结束入网连接。该场景中，参与需求响应的最小时间尺度T一般为1h。因此，选用离散的多时间尺度进行研究，选取24h为一个周期，最小时间尺度T为1h，时刻t＝0为中午12点，是一个周期的开始，到第二天的中午12点结束，这样可以方便表达和计算。

电动汽车电价标准的设定，采用中国现行电价机制以及江苏省的执行电价，假定，负荷用电在白天高峰时段：08：00—21：00执行峰时段电价0.5794元/(kWh)，在其余时段执行谷时段电价0.3719元/(kWh)。辅助服务中，假定上备用容量价格为0.01元/(kWh)，下备用容量价格为0.01元/(kWh)。

下述内容选取典型的车辆个体进行研究，对充放电过程中充电状态、电量变化以及备用容量等参数的变化过程进行分析。假定车辆个体的入网初始电量为40％，电池组的最大容量为30kwh，入网时间为下午6点，即时刻t＝6，预期离网时间为第二天上午8点，即时刻t＝20。该个体的最短充电时间为10h。用户设定的充电要求有，车辆在离网时刻的预期电量为27kWh，在充放电过程中保底电量为15kWh，聚合商控制车辆放电时最大放电深度为50％的最大电池容量，整个充放电过程中最大放电次数为3次。

根据用户购电花费最小的优化目标，对此场景下电动汽车的最优充放电策略进行求解，仿真结果如图6所示。

由图6可知，该车辆个体在充放电过程中的充电速度和电池容量状态。在时段0到6期间，车辆处于出行状态下，无法和电网在电能量上进行传输，传输功率始终保持为0，此时车辆的电量也无法获知，于是统一使用0表示电量状态。在时刻6时，车辆出行结束后与充电桩连接，此时入网时刻的初始电量低于用户设定的保底电量，车辆以最大充电速度进行充电，电池电量开始快速增长。此时，车辆是不受充电桩控制器调度控制的，无法参与备用服务。在时刻7时，车辆的电池电量达到保底电量，进入可被调度状态，充放电状态受到充电桩控制器控制。在时段7到15期间，车辆按照控制器的调度指令执行，功率为0，电池电量保持不变。在时刻16时，充电桩控制器为了使车辆在预期离开时刻达到预期电量，只能控制车辆个体以最快充电速度进行充电，电池电量快速增长。直到预期离开时刻20时，电池电量达到预期电量，车辆停止充电，断开了和电网的连接，出行满足用户的需求。

在充放电过程中，该车辆个体的备用能力是不断变化的，受到优化目标和各类约束条件的限制。在时刻6时，车辆出行结束后与充电桩连接，此时入网时刻的初始电量低于用户设定的保底电量，车辆以最大充电速度进行强制充电，不接收充电桩控制器的调度指令，无法提供备用服务，因此上备用容量和下备用容量均为零。在时刻7时，车辆的电池电量达到保底电量，接收充电桩控制器的调度指令来执行。在时刻7到15期间，充电桩控制器对该EV个体的调度指令是功率为0。在该时段期间，电池组受到保底电量的限制，不能进行放电，结合实时传输功率，可以求得上备用容量为0；电池组能够改变输出功率，以最大充电速度进行充电，于是可求出下备用容量为3kW。到预期离开时刻20时，EV断开了和电网的连接，无法继续提供备用服务。通过上述仿真结果分析，充电桩控制器应用于电动汽车个体，可以有效的发掘车辆参加需求响应的潜力，可以在充分体现用户意愿的基础上对车辆充放电策略进行调整，降低用户的车辆使用成本。可见，同时考虑了用户参与意愿和激励信号的家用电动汽车充电桩控制器，在满足电动汽车用户正常使用体验的情况下，通过控制车辆的充放电过程来参与需求响应，发掘了需求侧中过去未开发的潜在资源，减轻了发电侧调峰和备用的压力，有利于提高电力系统的运行效率，实现节约资源的效果。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器，其特征在于，

包括用户交互模块、充放电控制模块、用户意愿存储模块、激励信号接收模块、中央决策模块；

所述用户交互模块，用于和用户进行交换信息，其将用户参与需求响应的意愿传输到中央决策模块，同时将中央决策模块得出的结果反馈给用户；

所述充放电控制模块，用于控制车辆充电以及对外放电，其依据来自中央决策模块的充放电计划对充放电过程进行控制，并将车辆的实时状态信息传输给中央决策模块；

所述实时状态信息包括电量、充放电功率；

所述用户意愿存储模块，用于存储用户需求响应意愿，其将用户设定的参与需求响应意愿进行存储，根据用户交互模块的输入信息对意愿信息进行实时更新，并向中央决策模块传递所需的最新用户设定信息；

所述激励信号接收模块，用于接收需求响应激励信息，其将激励信号数据传输给中央决策模块作为车辆充放电计划的决策信息；

所述激励信号为需求响应的补贴价格信号；

所述中央决策模块，用于接收用户交互模块的用户信息、用户意愿存储模块的用户设定信息、激励信号接收模块的激励信号信息，并通过优化求解对车辆的充放电计划进行合理的决策，并将充放电计划信息输出给充放电控制模块进行执行。

2.一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

应用如权利要求1所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充电桩控制器，

其包括以下步骤：

步骤1：电动汽车充电桩控制器的监控模块对充电桩的运行状态进行监控，当电动汽车接入充电桩之后，电动汽车充电桩控制器的其余模块才会开始运行，否则处于休眠状态；

步骤2：当步骤1中的电动汽车充电桩控制器的其余模块处于运行状态后，激励信号接收模块开始接收需求响应补贴信息，获取市场中对需求侧资源参与响应的需求量和相应的激励方法，经过分析和处理后形成标准化的激励信号，并传输给中央决策模块；

步骤3：在步骤2的接收需求响应补贴信息的同时或之后，用户交互模块询问用户是否更改之前所设定的意愿信息；

意愿信息包括如预期充电离开时间、预期离开电量；

如果用户需要更改信息，根据用户交互模块的反馈信息对所存储的意愿进行更新；并调用用户意愿存储模块，向中央决策模块提供所需的相关信息；

步骤4：根据步骤3中的用户意愿信息，中央决策模块按照用户所设定的决策目标，结合需求响应激励信号和用户意愿信息，对电动汽车的最优充放电策略进行求解，并对预期效果进行评估；

步骤5：充放电控制模块接收到步骤4中的最优充放电策略后，在不需要用户参与的前提下，在设定的响应时段按照设定的响应量自主参与需求响应。

3.如权利要求2所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

所述步骤2中，激励信号的分析处理过程，具体包括以下步骤：

步骤21：激励信号接收模块接收需求响应补贴信息，分析不同时段上参与需求响应的补贴价格；

步骤22：在步骤21接收需求响应补贴信息的同时或之后，激励信号接收模块结合具体电动汽车参与需求响应的实际能力，分析不同的需求响应容量下，该用户预期获得收益的情况；

步骤23：将步骤22分析出的不同响应容量下的预期收益转化成中央决策模块能识别的数据形式，并传输给中央决策模块。

4.如权利要求2所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

所述步骤3中，意愿信息分为长期用户意愿信息和实时用户意愿信息；

所述长期用户意愿信息，包括放电深度、最大放电次数，其存储在用户意愿存储模块，通过签订充电合约来确定；

所述实时用户意愿信息，包括次日的充电时段、预期需求电量，其由用户提前一天或者几小时通过用户交互模块进行实时申报。

5.如权利要求2所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

所述步骤4中，电动汽车的充放电策略是根据电动汽车和电网的交互形式进行有序的延迟或提前对电动汽车进行充放电，其在充放电之前需对电动汽车充电桩是否参与需求响应，进行判断，其具体判断流程如下所示：

步骤41：中央决策模块对激励信号接收模块传来的信息进行检测，判断该时刻下是否存在需求响应激励信号；如果不存在激励信号，退出判断流程，不参与需求响应；

步骤42：在步骤41对信息进行检测的同时或之后，中央决策模块对用户意愿存储模块传来的信息进行分析，判断此时用户的用电需求是否具有弹性；如果用户的用电需求不具有弹性，改变用电特性会对用户的正常使用产生不利影响，则退出判断流程，不参与需求响应；

步骤43：进行步骤41和步骤42的同时或之后，中央决策模块从用户意愿存储模块中获取需求响应激励信号的期望阈值，判断此时需求响应的激励信号是否达到用户的期望阈值；如果未达到，则退出判断流程，不参与需求响应；

步骤44：在步骤41、步骤42、步骤43分别判断完成后，并得到参与需求响应的信息情况下，中央决策模块制定出电动汽车充电桩参与需求响应的控制方案，所述控制方案包括有响应时段、响应容量，并传输给充放电控制模块执行，同时通过用户交互模块把相关信息及时地反馈给用户。

6.如权利要求5所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

所述步骤4中，最优充放电策略的优化目标是用户使用电能的总花费最小；

所述总花费等于用户的购电花费减去参与需求响应的补贴；

所述优化目标的计算公式如下：

MIN(M)＝∑_t(c(t)×P_c(t)-c_u(t)×P_u(t)) (1)

其中，变量M代表用户使用电能的总花费，中央决策模块的优化目标是使得该变量值最小；P_c(t)代表在t时段中的家用电动汽车的实时充放电功率，P_u(t)代表在t时段中电动汽车参与需求响应的容量，c(t)代表t时段上的购电单价，c_u(t)代表t时段上的需求响应的补贴单价。

7.如权利要求6所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

所述优化目标受到的主要约束包括电量约束、功率约束、保底电量约束、期望电量约束：

所述电量约束是指电池组容量是有限的，存储的电量需要在某一个区间内变动，不能超过最大电池组容量，也不能小于电池组的最低电量，如下述表达式(2)所示：

E_min≤E(t)≤E_max (2)

上述表达式(2)中，E(t)代表电池组在时刻t的电量，E_min代表电池组的最低电量，E_max代表电池组的最大容量；

所述功率约束是指电池组最大充电功率和最大放电功率的限制；电池组的实际传输功率在任何时段都不能超过充放电的功率极限值，极限值是由电池组装置的特性决定，如下述表达式(3)所示：

-P_dcmax≤P(t)≤P_cmax (3)

上述表达式(3)中，P(t)代表电池组在时刻t的充放电，P_dcmax代表电池组的最大放电功率，P_cmax代表电池组的最大充电功率；

所述保底电量约束是指充放电过程中车辆电量要保持大于用户设定的某个特定值；当车辆入网电量低于保底电量时，车辆需要立即以最大充电功率进行强制充电，直到电量达到保底电量；当车辆受调度指令对外进行放电时，如果电量降低到保底电量，立即停止放电；保底电量约束如下述表达式(4)所示：

E_bot≤E(t) (4)

上述表达式(4)中，E_bot代表电池组的保底电量；

所述期望电量约束是指车辆在预期离开时刻需要达到用户设定的最低电量；

在预期离开时刻的临近时段中，车辆为了达到预期电量进行强制充电，不在参与需求侧响应；期望电量约束如下述表达式(5)所示：

E_exp≤E(t_l) (5)

上述表达式(5)中，E_exp代表电池组的保底电量，E(t_l)代表电动汽车在时刻t_k离开充电桩时的电量。

8.如权利要求2所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

所述步骤4中，评估为对电力系统不平衡量的最大调节能力的评估，其通过上备用容量P_u和下备用容量P_d的大小来表示；

所述上备用容量P_u和下备用容量P_d的计算公式如下：

P_u(t)＝P(t)+P_dcmax

P_d(t)＝P_cmax-P(t)

其中，P(t)表示电动汽车的实时充放电功率；

P_dcmax表示电动汽车的最大放电功率，为正实数，数值大小主要受汽车的充电装置、充电桩设施的影响，不同的汽车个体数值不同；

P_cmax表示电动汽车的最大充电功率，为正实数，不同的汽车个体数值不同；

当P(t)＞0时，表示电动汽车处于充电状态，作为系统负荷吸收电能；

当P(t)＜0时，表示电动汽车处于放电状态，作为系统电源放出电能。

9.如权利要求2所述的一种自主参与需求响应的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，

所述步骤5：自主参与需求响应的具体过程如下：

步骤51：充放电控制模块接收来自中央决策模块的电动汽车充放电控制计划，获悉各个时间段上电动汽车的预期充放电功率；

步骤52：在实际运行过程中，根据步骤51的电动汽车充放电控制计划，充放电控制模块获取电动汽车的实时充放电状态，将实时充放电功率和该时间段上电动汽车的预期充放电功率进行比较；

如果两者相等，充放电控制模块不需要干预电动汽车的充放电状态，只需要继续保持监测；如果两者不相等，充放电控制模块需要干预电动汽车的充放电状态，控制实时充放电功率始终等于该时段下预期的充放电功率；

步骤53：在进行步骤52的充放电控制的同时或之后，充放电控制模块将电动汽车的充放电信息进行反馈。