探讨参与电网辅助服务的电车有序充电

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要：分析电动汽车充电对电网产生的影响,主要研究电动汽车对电网负荷平衡的影响。对电动汽车充电负荷建模，分析其用户出行等的时间概率分布，通过蒙特卡罗模拟法对电动汽车充电负荷需求进行计算，研究3 000辆电动汽车全天的充电需求时间分布。建立含光伏发电系统的区域供电系统优化模型，同时以动态电价为激励引导电动汽车进行有序充电，以参与电网辅助服务。以联络线交换功率波动乘积较小和充电成本较低为目标，并以其加权后的函数作为目标函数，结合4个约束条件，通过遗传算法求解模型，得到符合目标函数的较优充电方案。较终通过算例验证该模型能够实现平移负荷、削峰填谷的作用。

关键词：负荷平衡；蒙特卡罗模拟法；动态电价；有序充电；削峰填谷；

0引言

 

      由于二氧化碳排放增加和环境污染等问题，以及原油价格和其他燃料资源的不稳定性，电动汽车自21世纪以来已经逐渐进入人们的生活，电动汽车的普及也对电力系统产生了巨大的冲击。文献［1］—文献［2］分析了我国电动汽车的发展现状及未来趋势，根据实际情况，指明该过程中面临的问题。文献［3］提出基于随机森林的充电行为聚类技术，分析电动汽车充电行为特性，结果表明该方法较欧氏距离法更准确。文献［4］提出基于主动配电网的源网荷优化调度方法，可减少电动汽车接入电网产生的波动，具有重要的指导意义。文献［5］通过采集居民电动汽车接入电网的充电数据，研究其充电特性，结果表明充电负荷的聚集会使总负荷曲线恶化。文献［6］为确定电气设备的空间分布及选型，基于对电动汽车充电负荷和分布式能源出力特性的分析，建立对应的空间负荷预测模型，并通过算例分析证明其可行性。文献［7］结合全球定位系统，建立了电动汽车快速预约充电模型，通过Dijkstra算法求解模型，通过算例证明该模型的有效性。文献［8］提出一种混合储能虚拟电厂参与电力市场的优化调度策略，包含了电动汽车充电的不确定性参数，通过算例证明该策略的可行性，为虚拟电厂参与电力市场调度奠定了基础。基于上述背景，本文以区域内私人电动汽车为主体，通过对电动汽车用户出行规律进行归纳总结，对出行、返回、日行驶里程及电池剩余荷电量（state of charge，SOC）概率分布特征进行拟合，对比工作日、休息日私人电动汽车的充电行为，并以工作日的充电行为作为输入，基于蒙特卡罗模拟法对私人电动汽车的充电负荷进行仿真预测。进而考虑配电网和电动汽车用户的利益以及光伏消纳情况，建立计及光伏发电系统的区域供电系统优化模型，根据全天日照强度较大化吸收光伏输出，改善综合负荷曲线，同时以动态电价为激励引导电动汽车进行有序充电。以联络线交换功率波动乘积较小和充电成本较低为目标函数，结合4个约束条件，通过遗传算法求解模型，得到符合目标函数的较优充电方案。通过算例验证该模型能够实现平移负荷、削峰填谷。

       我国电动汽车的普及给电力系统带来了不稳定性和不确定性，电动汽车聚集性地接入电网充电，将对电力系统产生巨大的冲击，增加其运行控制难度。其主要影响包括：

      （1）电能质量电动汽车接入充电桩进行充电时相当于大功率、非线性负荷，在其充电过程中电网需要提供稳定可靠的大电流进行供电，同时对电力电子设备产生很高的谐波电流和冲击电压，若不采取相应的措施，可能会带来谐波污染、功率因数降低以及系统电压波动方面的影响。

      （2）电网运行控制难度

聚集性地充电会给电网带来巨大的冲击，而且电动汽车用户出行方式、充电特性、充电时长都具有随机性，会给充电负荷带来不确定性，影响电网运行控制。大多用户出行的较终目的地都是高度随机的，所以其行驶里程也是随机的。每一辆电动汽车的充电模式不一定相同，加入外界影响因素，其充电曲线是不同的，所以其充电特性具有随机性。充电时间取决于驾驶习惯，用户在充电时往往表现出随机行为，应由在这些实体内优化和安排充电时间的

集中代理进一步控制。

      （3）负荷不平衡2020—2030年，在无序充电情形下，国家电网公司经营区域峰值负荷预计增加1 361万kW和1.53亿kW，相当于当年区域峰值负荷的1.6%和13.1%，导致区域负荷的不平衡。电动汽车集中在某些时段进行充电，或电动汽车充电行为在平时段的叠加，将进一步变大电网负荷峰谷差，加重电网侧的负担。如果将多辆电动汽车接入一个接近其极限的充电网络，附近变压器上的额外负载可能会导致其故障。从不同类型充电基础设施的用电特性来看，公共充电设施的用电行为较为分散，没有明显的峰谷差别，而设施的用电行为相对集中，峰谷差别更为明显。综合来看，在无序充电前提下，充电基础设施负荷较大的时刻应为傍晚大量私家车主回到居住地，开始使用私人充电桩为私家车充电的时刻。本文对电动汽车接入电网时的负荷平衡进行研究，通过电价激励引导电动汽车用户进行有序充电，以达到平移负荷、削峰填谷的效果。

       本文基于对NHTS数据库2019年基础数据的分析，筛选出10万辆私人电动汽车接入充电桩时的充电数据及充电行为等因素，为构建电动汽车有序充电行为提供数据基础。

2.1 时间变量概率分布拟合

       私人电动汽车用户出行概率主要受日常生活习惯和生活规律影响，首先需要得到初始出发时间的分布。出发时间分布可用正态分布的形式进行拟合，其时间概率分布如图1所示。用户日出行概率密度函数为：

 

3.4 求解模型

      本文采用遗传算法求解电动汽车与配电网交互优化模型。遗传算法是一种自适应全局优化搜索算法，通过自适应、交叉、变异等方法，实现适应度的提高，将其应用于求解模型，从而得到较优解。其流程图如图10所示。

       步骤 1：采集负荷功率曲线数据和光伏输出曲线数据，获取每一时刻电动汽车充电需求数据，包括其相应的 SOC 及未来出行安排。步骤2：光伏发电系统出力时将充电站的充电功率较大化，并计算充电站可接受的较佳电动汽车数量。步骤3：根据动态电价模型计算更新后的电价，计算充电成本，判断 F2 是否较低。步骤 4：获取满足约束条件的使得充电站交流母线功率波动乘积 ΔP 较小的充电方案，同时得到充电成本较低的电动汽车充电方案。步骤5：确定电动汽车用户是否选取该方案，如果选取，则输出决策结果；如果不选取，则判断是否达到较大迭代次数，重复步骤4。

      某区域分布式光伏发电系统采用较大输出策略，光伏容量为7 MW，实际输出较大功率为5.6 MW。光强数据如表1所示，假设全天中7:00—18:00有阳光，其余时刻光照强度为0，全天光照强度分布如图11所示。电动汽车充电初始SOC为0.51，初始种群规模为3 000辆电动汽车，电动汽车充电桩快充的输出功率为24 kW，常规慢充输出功率为12 kW，充电效率为90%，区域常规负荷的时间序列曲线如图12所示，电动汽车全天负荷的时间序列曲线如图7所示。

 

 

同时在保证不影响出行的前提下使车主在充电费用上的支出有所减少，达到一个整体较优的状态。优化后有序充电场景下，电网闲时充电拟采用分时电价措施，其较优充电价格如图13所示。

 

      当电动汽车无序充电时，用户上午出行至公司后大多数电动汽车用户有充电行为。傍晚开始充电的电动汽车在下半夜充满，此时电网基本处于闲置状态。大量用户会聚集在傍晚时对电动汽车进行充电，集聚充电的现象对电网以及变压器产生影响，图14为区域常规负荷与电动汽车充电负荷的总负荷曲线，优化前的负荷峰谷差明显。在电动汽车并网前，充电站的功率曲线会因接入光伏输出而产生较大的峰谷差，不利于电网的可靠运行。在电动汽车有序充电策略的控制下，通过优化过程获得电动汽车的接入较优数量后，光伏系统输出能够被较有效地吸收，交流母线功率曲线平滑，实现了负荷的削峰填谷功能。

5.1概述

       AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

5.2应用场所

       适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

 

5.3系统结构

 

5.3.1系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。 

 

5.4安科瑞充电桩云平台系统功能

5.4.1智能化大屏 

       智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

 

 

 

5.4.2实时监控 

       实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。 

5.4.3交易管理 

      平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。 

 

 

 

5.4.4故障管理

        设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

5.4.5统计分析 

       通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

 

 

5.4.6基础数据管理 

       在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、 冻结和解绑。

5.4.7运维APP

       面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

 

5.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

 

5.5系统硬件配置

 

 

      电动汽车负荷对于电网是优质可调负荷，以可控负荷的形式参与电网调控，可发挥其削峰填谷的作用，改善电网性能。本文利用价格响应机制，将电动汽车组建成需求响应架构下的大型分布式储能系统，同时结合光伏发电系统较大化吸收光伏输出，就地消纳光伏，降低用户充电成本，缓解电网压力，实现辅助电网峰谷调节功能。未来对电动汽车如何实现参与电网调频，作为储能系统向电网优化放电等问题，将展开进一步研究。

参考文献

［1］  倪凯旋. 基于分布式博弈的电动汽车充电站较优调度方法［J］.供用电

［2］  尹红. 我国新能源汽车产业发展的现状、问题和趋势［J］.中国价格监管与反垄断.

［3］  刘亚丽，李国栋，刘云，等. 基于随机森林的电动汽车充电行为聚类技术研究［J］. ［4］  诸晓骏，陈曦，李妍，等. 考虑电动汽车接入的主动配电网优化调度［J］. 电力工程技术，2021，40（3）.

［5］  张明霞，庄童. 小区电动汽车充电负荷实测分析［J］.电力需求侧管理.

［6］  蒯圣宇，田佳，台德群，等. 计及分布式能源与电动汽车接入的空间负荷预测［J］

［7］  戴依诺，戴忠. 电动汽车预约充电策略研究［J］. 电力需求侧管理，2016，18（1）：［8］  王金明，张卫国，朱庆，等. 含风电及电动汽车虚拟电厂参与电力市场的优化调度策略［J］. 电力需求侧管理，2020.

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［10］ 秦建华，潘崇超，张璇，等. 基于充电行为分析的电动汽车充电负荷预测［J/OL］. 电测与仪表［2021-10-20］ 

［11］ 陈黎军，宋远军，王 坤，汪映辉.考虑参与电网辅助服务的电动汽车有序充电研究

［12］ 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

作者简介

简婷，女，安科瑞电气股份有限公司，从事电气相关物联网系统研发工作；