浅谈大规模电动汽车有序充电控制方法研究
安科瑞 陈聪
摘要：随着人类科学不断进步，社会经济水平逐渐提高，各国汽车行业生产规模随之不断扩大。电动汽车作为电力驱动的交通工具，因其既可以实现碳减排又可以大幅度降低出行成本，深受广大用户喜爱。但是无序充电行为会引起电网侧出现负荷过载、电能品质下降等问题，同时加大电网运行调控难度。为了消除无序充电造成的不良影响，本文提出了电价引导有序充电方法。首先，提出了充电负荷的神经网络预测方法，利用灰色关联贴近度系数量化各影响因素与充电负荷的相关性，通过确定参加训练的影响因素数量使预测误差。其次，建立了基于用户需求的响应度模型，利用隶属度值划分峰谷时段。为了实现节省充电成本和削峰填谷的目标，考虑相应的约束条件，提出了电价引导的有序充电方法。同时兼顾削峰填谷和减少充电成本两个控制目标，实现电网和用户利益双赢。
关键词：电动汽车；有序充电；分时计价；削峰填谷
1研究背景及意义
随着人类科学不断进步，社会经济水平逐渐提高，各国汽车行业生产规模随之不断扩大。化石能源等能源为燃油汽车提供着燃料，但是化石能源过度消耗会加剧全球化石能源危机，与此同时化石能源燃烧会对自然环境造成严重污染，时刻影响着人类身体健康，尾气污染己成为亟待解决的问题。电力能源作为有潜力的低碳能源，能够将对污染危害降到。目前，人们特别重视发展绿色经济，由于电动汽车既低碳环保又能够缓解能源紧张，使得它有着比较宽广的应用前景。
1．1电动汽车充电负荷研究现状
电动汽车充电负荷受自身和外界各种因素影响，所以对充电负荷建立模型往往比较困难。电网优化调度、需求响应等源网储荷深度互动行为须以负荷数据为前提。目前，各国学者已对充电负荷影响因素展开了深入研究。
另外，日行驶里程、出行时间和归程时间等驾驶行为特性与充电负荷有着一定的相关性，其中日行驶里程相关程度密切。在研究充电起始时间影响因素时，认为用户每日驾驶结束后便入网开始补给能量，通过分析出发时间、归程时间及日行驶距离等行为特性，建立了充电负荷模型。
随着人工智能等技术逐渐成熟，国内外越来越多专家学者开始将人工智能用于未来负荷预测。基于长时间序列、实时、多种类的历史数据，详细分析了电动汽车充电行为习惯，并预测了该地区入网车辆充电总负荷；详细研究了充电行为对充电负荷的影响，以智能算法理论为基础，提出了一种无线充电负荷预测方法。
2.有序充电策略研究现状
为了消除电动汽车入网导致的负面影响，越来越多的学者开展了有序充电策略的研究。到目前为止，充电策略可以分为考虑经济运行、考虑市场机制和考虑时空约束三类。
考虑经济运行的充电策略，兼顾节省充电成本和降低能量损耗两个目标引导电动汽车集群合理充电。从电能品质等方面分析了充电负荷入网的影响，为了降低能量损耗，利用协同优化控制方法制定充电计划，该方法可大幅度减小能量损耗，提高电网功率因素；为了节省用户充电成本，提出了基于启发式算法的充电控制方法，该方法能在节省充电成本的同时实现削峰填谷。
考虑市场机制的有序充电策略，主要目标是协调用电需求和电网系统之间的矛盾。以实时电价理论为基础，提出了一种基于需求响应度的有序充电方法，此方法能够较好缩减负荷峰谷差值；指出代理商模式中用户经济收入微薄，但是此模式运行稳定、可控性好。
考虑时间维度的控制策略是将车辆转移至配电网负荷低谷时段进行能量补给。利用遗传算法求解削峰填谷控制目标，使电动汽车可以按照充电计划在合理的时间开始充电：用分时电价控制策略合理引导充电用户，在低电价时段集中补给能量，通过利用不同区域交错充电的策略来防止夜间出现充电高峰；以社会投资和用户充电总成本为目标，提出了一种充电站的选址方法，在空间维度上实现了有序充电。
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电动汽车充电负荷的影响因素
为了确保有序充电策略的有效性和可行性，充电负荷预测的准确性是核心关键。影响充电负荷的因素较多种类繁多，主要有车辆用途、能量补给方式、动力电池和用户行为特性等因素对其的影响。
3．1电动汽车的能量补给方式
接触式充电方式以电缆和连接装置为能量传输介质，通过汽车充电接VI将外部电源与电动汽车相连，达到电能传输的目的。接触式能量补给方式按单次充电速度的快慢，可分为常规和快速两种充电方式。采用常规充电方式进行能量补给大约需要5-8小时，甚至更加漫长的充电时间，所以也被称为慢充。这种能量补给一般采用小电流补给能量，所以能量补给时功率也很小，一般在5-10kW之间。慢速充电装置成本低，节省用户充电成本，电流采用10-15A，有利于电力系统的调度运行，对动力电池正常工作年限不会造成影响，是用户停留时间较长时的充电选择，可以在较长的停留时间内进行能量补给，由于此充电方式对充电设备的要求并不高，所以在居民社区和商场等公共场所的停车位都可设置充电设施供电动汽车进行能量补给。快速充电方式是采用大电流进行短时快速能量补给，所以一般选择直流设备对电动汽车补给能量，时间一般在15min-40min，电流控制在120-400A。相比之下，快速充电方式能量补给时间大幅降低，但是充电所用大电流不仅对电网造成较大冲击，还会对动力电池造成不可逆的损害。
3．2电动汽车的类型
大量研究表明电动汽车的类型也会影响充电负荷。通常情况下，汽车类型与用户驾驶行为特性有着紧密联系，驾驶行为特性往往决定着起始充电时间、期望荷电状态和次日行驶里程，所以不同车辆类型的充电需求可能截然不同。
3．3电动汽车电池充电特性
目前，铅酸电池和锂电池是主要的两种电动汽车动力电池。构成铅酸动力电池正极的主要化学成分是二氧化铅，负极由活性铅填充而成。随着化工技术的快速发展，铅酸电池技术也日渐成熟，因其使用安全可靠、大电流放电能力优异、开路电压高等优点，使其在电动汽车动力电池的应用领域取得了成功。但是，铅酸电池能量和功率都比较低，并且废弃的铅酸电池会严重破坏自然环境。
锂电池有着全新的电池设计理念。两极采用层间化合物进行填充，在电池进行能量补给时，锂离子在层间反复漂移使得间距发生变化，但是不改变构成正负极的化学结构。对于一般高能量密度的动力电池而言，锂电池具有长久的使用年限，再加上锂电池具有绿色、体积小、高功率、安全性好等优点，使得锂电池技术被*认为电池中有应用前景的发展方向。根据资料上述两种电池性能对比，锂电池在质量能量密度、使用年限、安全性等方面性能都比较。
3．5用户行为特性分析
对于不同的用户而言，驾驶电动汽车外出的原因和目的都截然不同，随机性较强。用户出行链可以较好的反映电动汽车出行轨迹，用户出行链连接各出行地址和充电需求。通常情况下，用户的出行目的可以分为五类，即住宅、娱乐活动、工作、商场和其他事件。
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电动汽车有序充电的电价引导策略
4．1用户需求响应模型
需求响应是为了解决需求侧的控制管理等问题而提出的一种策略，目的在于解决系统的可靠性和电网运行效率等问题。需求响应是系统中的用户在获取电力公司的电价和激励政策等信息后，主动更改原定用电计划的行为，同时促进电力系统的稳定运行。
目前，大多数用户在安排自身充电计划时已经充分考虑电价因素，这对调度中心协调优化电动汽车充电负荷有着重要意义。基于电价的需求响应是电力公司利用电价引导用户合理更改用电计划，在电价高时尽量减少用电，在电价低时增加用电。基于电价的响应有尖峰电价、分时电价和实时电价。其中峰谷电价只能相对固定地反映用电负荷情况，而分时电价策略比较灵活，能够对波动较大的负荷进行合理管控。
在用电高峰时段，电力管控部f-IN用补偿激励对用户负荷进行合理管控的方式称为基于激励的需求响应，其目的是降低用户在高峰期不必要的用电需求降低电网峰谷差。基于激励的需求响应包括直接控制、可中断控制、需求侧竞价和紧急需求响应四种方式。电力公司直接对电网中的设施进行开闭操作的行为称为直接控制。可中断控制是电力公司根据可中断负荷的特性，提前为此类负荷制定用电计划。紧急需求响应是指电力用户在负荷高峰时段主动减小自身用电量，来获得电网约定的经济补偿。对于本文的研究对象电动汽车而言，基于电价的需求响应方式是促使大规模电动汽车有序充电的更有效方式。
4．2峰谷分时电价时段划分及定价
峰谷分时电价根据电网各时刻的用电量将一天划分成若干时间段，并给各时段定义不同的用电价格。通常将一天分为峰时段、平时段和谷时段三类。定义峰谷分时电价的一个原则是，通过峰谷电价可以反映电网内负荷的高低。电价对于电动汽车集群的控制受多方面因素影响，无法做到对所有电动汽车进行响应调度。电价响应用户规模扩大会对电网安全运行产生十分正面的影响。而峰谷电价的设置能够直接影响参与响应的用户数量，所以有必要设定合理的峰谷电价让更多的用户加入到有序充电的队伍。
在我国，各个省市的电力公司负责规定本地的峰谷分时电价。目前，电力公司根据本地电网内的用电情况规划适合当地经济水平的分时电价，但在规划过程中几乎没有考虑充电负荷入网的影响，所以现阶段充电负荷对分时电价的响应不太敏感。
分时电价策略可以将充电负荷安排在电价平谷时段补给能量，响应度越高，优化效果越好。峰谷分时电价策略能够有效地兼顾削峰填谷和减少用户充电费用的目标，能够充分调动用户积极性，使电网和用户的利益均得到保障。
5安科瑞充电桩收费运营云平台系统助力有序充电开展
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
系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
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硬件配置
| 类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
| 安科瑞充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |
| 安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 |
| 互联网版智能交流桩 | AEV-AC007D |
| 额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC030D |
| 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC060S |
| 额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC120S |
| 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 智能边缘计算网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
| 扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | ||
| 扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | ||
| 导轨式单相电表 | ADL200 |
| 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证 |
| 导轨式电能计量表 | ADL400 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证 |
| 无线计量仪表 | ADW300 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证 |
| 导轨式直流电表 | DJSF1352-RN |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证 |
| 面板直流电表 | PZ72L-DE |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证 |
| 电气防火限流式保护器 | ASCP200-63D |
| 导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。 |
| 开口式电流互感器 | AKH-0.66/K |
| AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。 |
| 霍尔传感器 | AHKC |
| 霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。 |
| 智能剩余电流继电器 | ASJ |
| 该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-ES |
| AIM-D100-ES系列直流绝缘监测仪可以应用在15~1500V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-T |
| AIM-D100-T系列直流绝缘监测仪可以应用在10~1000V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
6.总结
随着人类科学不断进步，社会经济水平逐渐提高，各国汽车行业生产规模随之不断扩大。大规模电动汽车入网必然会给电网的调度运行带来很大的麻烦，须通过控制策略有序引导充电负荷在合理的时间进行能量补给。
以大规模电动汽车无序接入电网为背景，从充电负荷、入网影响和有序充电控制三个角度综述了本论文的国内外研究现状。从能量补给方式、车辆类型、电池和用户行为等方面研究了充电负荷的影响因素。
根据需求响应提出了依据隶属度划分峰谷时段和定价的方法。以用户充电费用和削峰填谷为优化目标，提出了一种有序充电的电价引导策略。分时电价可以将充电负荷安排在电价平谷时段补给能量，响应度越高，优化效果越好。峰谷分时电价策略能够有效地兼顾削峰填谷和减少用户充电费用的目标，能够充分调动用户积极性，使电网和用户的利益均得到保障。
参考文献：
[1]刘立成.大规模电动汽车有序充电控制方法研究
[2]唐葆君，王翔宇，王彬，等．中国新能源汽车行业发展水平分析及展望
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版