摘  要：電動(dòng)汽車(chē)及充電站近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。充電站在為電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)將消耗巨大的電能，如果任由眾多的充電站無(wú)序無(wú)限制地進(jìn)行充電工作，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成巨大的沖擊，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，將充電站納入電網(wǎng)調(diào)度的體系，充電站根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度值對(duì)站內(nèi)充電機(jī)的充電功率實(shí)施控制與分配，從而降低大規(guī)模充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)  充電站  功率控制

1引言

電動(dòng)汽車(chē)以電池作為能源，具有節(jié)能、無(wú)污染、零排放等特點(diǎn)，逐漸成為世界上各個(gè)國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)之一^[1]。假設(shè)每輛電動(dòng)汽車(chē)充電功率為10kW，在最極端的情況下，如果6000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)充電，則峰值充電功率將達(dá)到6億千瓦，將達(dá)到2030年全國(guó)預(yù)計(jì)總裝機(jī)容量23.2億千瓦的26%^[2]。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模后，如果任由電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模的無(wú)序充電，巨大的充電功率將形成沖擊性負(fù)荷，產(chǎn)生的擾動(dòng)將會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成巨大的沖擊，負(fù)荷的巨大變化使得電網(wǎng)的頻率、電壓產(chǎn)生波動(dòng)，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定。

文獻(xiàn)[3]研究了利用光伏發(fā)電的電動(dòng)汽車(chē)充電站，有效利用太陽(yáng)能，與電網(wǎng)互補(bǔ)為電動(dòng)汽車(chē)提供充電服務(wù)，能在一定程度上減輕電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[4]研究了利用超級(jí)電容來(lái)緩沖充電能量的充電站，也可以在一定程度上可以減小充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，但是利用超級(jí)電容不僅增加了建設(shè)成本，緩沖的能力也是有限度的。文獻(xiàn)[5]對(duì)充電站內(nèi)汽車(chē)的等待時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃，但是卻沒(méi)有給出從功率角度分析充電對(duì)電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[6-10]對(duì)充電站的監(jiān)控管理進(jìn)行了研究，但是它們均立足于如何高效運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)充電站，將電網(wǎng)認(rèn)為能夠提供足夠能源的一個(gè)無(wú)窮大系統(tǒng)，不符合實(shí)際的需要。文獻(xiàn)[11]針對(duì)快速脈沖充電的方式探討了靈巧潮流控制的充電站，均衡充電功率，該作者也認(rèn)為應(yīng)將充電站納入“堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)”中，形成有機(jī)整體。本文通過(guò)以上研究成果，探討將充電站納入電網(wǎng)調(diào)度體系中，電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)向充電站發(fā)送限定功率，充電站通過(guò)自己的功率控制策略實(shí)現(xiàn)總功率可控狀態(tài)下的充電，降低充電站充電工作對(duì)電網(wǎng)的影響。

2充電站功率控制策略

在用電高峰時(shí)期，電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)將提供一個(gè)充電站可消耗的功率值，其可能低于充電站的裝機(jī)容量，在輸出總功率不允許超過(guò)限定值的情況下，充電站將如何分配被限制的總功率。

2.1充電站功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

充電站的功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電站功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1中所示，充電站功率控制策略是通過(guò)對(duì)接入充電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)充電功率的預(yù)測(cè)，再對(duì)充電機(jī)的輸出能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度給定的限定值和當(dāng)前輸出來(lái)制定相應(yīng)的分配策略，從而實(shí)現(xiàn)充電站充電總功率的控制。在充電站功率控制策略的目標(biāo)都將是充電站輸出總功率不超過(guò)電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)發(fā)送的限定值的基礎(chǔ)上提出了平均分配方式下的功率控制策略、基于充電時(shí)間最短的隊(duì)列功率控制策略和基于利用率最大的協(xié)調(diào)功率控制策略三種控制方式。

2.2平均分配方式下的功率控制策略

為了使充電站的總功率不超過(guò)電網(wǎng)設(shè)定的限定值，最簡(jiǎn)單的方式是采取平均分配進(jìn)行充電站的功率控制，即將充電站允許消耗的總功率平均分配至每臺(tái)充電機(jī)，達(dá)到限制總功率的目的。

這種控制方法簡(jiǎn)單，但是存在很多的不足，它即沒(méi)有考慮充電機(jī)是否有電動(dòng)汽車(chē)接入的狀態(tài)，也沒(méi)有考慮不同電動(dòng)汽車(chē)不同的充電需求，電網(wǎng)限定功率的利用率顯然不高，單臺(tái)車(chē)輛也可能不能夠獲得足夠的充電功率。

2.3基于充電時(shí)間最短的隊(duì)列功率控制策略

采取類(lèi)似于銀行、加油站等服務(wù)機(jī)構(gòu)的先到先服務(wù)的態(tài)度，如圖2所示。將待充電的電動(dòng)汽車(chē)形成隊(duì)列，在輸出不超過(guò)限制總功率的情況下按照隊(duì)列順序，逐步完成充電業(yè)務(wù)，充電過(guò)程中滿足每一個(gè)充電用戶的充電功率，讓每一輛電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)間最短。

圖2 隊(duì)列服務(wù)示意圖

當(dāng)有電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入充電站并接入充電機(jī)，充電站便將接入的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行排隊(duì)，隊(duì)列長(zhǎng)度為充電站的充電機(jī)數(shù)目。依次采集所有待充電汽車(chē)的相關(guān)信息，預(yù)測(cè)車(chē)輛的最大充電功率，分配時(shí)將隊(duì)列前充電功率預(yù)測(cè)值之和不超過(guò)電網(wǎng)限定值的汽車(chē)納入充電隊(duì)列，進(jìn)行充電工作。剩余電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入等待隊(duì)列進(jìn)行排序，用戶可以選擇等待或是離開(kāi)。當(dāng)有車(chē)輛完成充電時(shí)，等待隊(duì)列中的車(chē)輛按照順序依次加入充電隊(duì)列，直至完成隊(duì)列中所有電動(dòng)汽車(chē)的充電工作。

圖3為充電站隊(duì)列服務(wù)功率控制總流程。

圖3 充電站隊(duì)列服務(wù)功率控制總流程

將正在為電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電工作的充電機(jī)分為恒流充電階段的充電機(jī)和恒壓充電階段的充電機(jī)，對(duì)于恒流充電階段的充電機(jī)，由于其充電功率處于上升的趨勢(shì)，其分配功率為其預(yù)測(cè)的最大充電功率，對(duì)于處于恒壓充電階段的充電機(jī)，由于其充電功率處于下降的趨勢(shì)，為了有效利用可支配的功率，在這一控制周期內(nèi)將其分配功率設(shè)置為當(dāng)前輸出功率，在其輸出功率不斷下降的過(guò)程中不停改變其分配量，使得剩余可利用的功率盡量最大，有利于等待隊(duì)列的車(chē)量的迅速加入充電隊(duì)列，加快充電進(jìn)程。

當(dāng)電網(wǎng)的限定功率下降時(shí)，對(duì)已分配功率設(shè)置一個(gè)比例系數(shù)α（0<α<1），所有充電功率將當(dāng)前分配按照某一百分比下降，使分配總功率不超過(guò)電網(wǎng)限定功率。當(dāng)電網(wǎng)限定功率增大或是有車(chē)退出充電時(shí)，存在剩余可支配的充電功率，則先將α逐步恢復(fù)至1再進(jìn)入隊(duì)列功率控制流程，處理等待隊(duì)列中和新加入的車(chē)輛�？刂七^(guò)程中如果分配功率已被降至某一最小閾值，則認(rèn)為該車(chē)已完成充電過(guò)程，使其退出充電隊(duì)列。

2.4基于利用率最大的協(xié)調(diào)功率控制策略

如果充電站有閑置的充電機(jī)，當(dāng)有電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入充電站要求充電時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即為其提供充電服務(wù)，由此增加的充電功率納入到充電站的統(tǒng)一的協(xié)調(diào)功率控制中，協(xié)調(diào)功率控制方式的示意圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)功率控制方式示意圖

在充電站消耗總功率被限制的情況下，充電站在進(jìn)行分配時(shí)，采取集中協(xié)調(diào)方式，最大化的利用可支配的功率。與此同時(shí)，保證盡可能多的充電機(jī)處于工作狀態(tài)，減少等待電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量。另外，充電站仍需將電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)發(fā)送的限定值，以較為合理的方式分配至每一臺(tái)充電機(jī)。

在協(xié)調(diào)功率控制方式下，在電動(dòng)汽車(chē)接入充電機(jī)需要充電時(shí)，如果充電功率不超過(guò)電網(wǎng)的限定值，則該電動(dòng)汽車(chē)按照既定的充電方式進(jìn)行充電。如果新加入的車(chē)輛充電或是電網(wǎng)調(diào)度值的變化，使得充電站的總功率超過(guò)電網(wǎng)的限定值，則所有充電的車(chē)輛應(yīng)該以某種方式進(jìn)行降功率充電。如果某輛電動(dòng)汽車(chē)結(jié)束充電或是電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)發(fā)送的限定值變大，則所有功率被限制的充電機(jī)均可獲得提升充電功率的空間。總之，保證所有接入充電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)都能夠充電的同時(shí)，充電站的充電總功率不超過(guò)限定值。

式中，P_M（i）為每臺(tái)充電機(jī)的功率需求。對(duì)于恒流狀態(tài)的充電機(jī)，其值為U_set×I_set，對(duì)于恒壓充電狀態(tài)的充電機(jī)，其值為當(dāng)前輸出功率P_O。

在協(xié)調(diào)功率控制中，分配的方式為按需分配，即只要有充電需求，則為其分配充電功率。但是如果一直有大功率的電動(dòng)汽車(chē)輪流充電，小功率的電動(dòng)汽車(chē)獲得的功率將一直處于很小的狀態(tài)，充電時(shí)間變得很長(zhǎng)，因此在執(zhí)行按需分配時(shí)，需將已經(jīng)充電的時(shí)間作為一種權(quán)衡分配量的因素之一，根據(jù)實(shí)際情況，可對(duì)已充電的時(shí)間設(shè)置一個(gè)權(quán)系數(shù)，使已經(jīng)充電很長(zhǎng)時(shí)間的電動(dòng)汽車(chē)獲得相對(duì)較多的分配功率，讓其迅速完成充電工作。

3充電站仿真平臺(tái)的搭建與實(shí)驗(yàn)

假定電網(wǎng)的限制功率為40kW，場(chǎng)內(nèi)三臺(tái)充電機(jī)均有電動(dòng)汽車(chē)接入。充電機(jī)一對(duì)應(yīng)的電動(dòng)汽車(chē)其預(yù)測(cè)的最大充電功率為20kW，當(dāng)前狀態(tài)為恒流階段。二號(hào)充電機(jī)已經(jīng)處于恒壓充電階段，當(dāng)前輸出功率為10kW。三號(hào)為有新車(chē)剛接入的充電機(jī)，其預(yù)測(cè)充電功率為15kW。三種控制策略下的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5充電站平均分配仿真輸出結(jié)果