何偉，孫廣波

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0 引言

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車群已經(jīng)成為研究重點(diǎn)。電動(dòng)汽車群的出行規(guī)律[1-3]、行駛需求[4]、充電偏好[5]、充電調(diào)度[6-7]、充電控制策略[8-10]已經(jīng)引起大量學(xué)者的關(guān)注。其中，充電控制策略關(guān)系到電網(wǎng)供電穩(wěn)定性和安全性、充電站經(jīng)濟(jì)性和效率性以及用戶便捷性和滿意性，因此很多學(xué)者針對(duì)電動(dòng)汽車充電優(yōu)化策略提出自己獨(dú)特的見解，包括：李惠玲等人[11]通過構(gòu)建多時(shí)段的網(wǎng)絡(luò)損耗和電壓越界之和最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合多因素約束條件，利用目標(biāo)優(yōu)化算法計(jì)算電動(dòng)汽車在各時(shí)段的可充功率；Shilina等人[12]提出一種基于智能交通系統(tǒng)模型的充電站協(xié)調(diào)策略，旨在提升用戶和配電網(wǎng)的利益；黃貴鴻等人[13]引入分層分區(qū)調(diào)度的理念，構(gòu)建基于雙層規(guī)劃的電動(dòng)汽車雙層智能充放電模型，通過上層模型優(yōu)化各管轄區(qū)在各時(shí)段的總充放電功率，通過下層模型優(yōu)化各管轄區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車的具體充放電策略，提升電動(dòng)車用戶的滿意度；馬源等人[14]基于用戶的行駛習(xí)慣將用戶分類并構(gòu)建差異化模型，以各區(qū)域充放電功率需求構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合多因素約束條件制定用戶充電策略；賀繼鋒等人[15]以用戶充電成本為目標(biāo)，結(jié)合用戶充電偏好構(gòu)建用戶充電需求與分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)關(guān)系模型，引導(dǎo)用戶進(jìn)行有序充電。從上述研究可知，當(dāng)前充電控制策略模型主要集中在用戶側(cè)、電網(wǎng)測和充電站側(cè)，但是大多數(shù)研究很少關(guān)聯(lián)多方利益實(shí)現(xiàn)用戶充電優(yōu)化控制；除此之外，當(dāng)前很多研究也沒有利用車聯(lián)網(wǎng)、5G網(wǎng)絡(luò)、車載終端及云平臺(tái)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通，包括：電池參數(shù)與使用狀態(tài)、車輛運(yùn)行、用戶充電期望時(shí)間、用戶期望充電電量以及用戶充電偏好等相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，本文擬在車聯(lián)網(wǎng)背景下，以汽車為信息節(jié)點(diǎn)，采用5G通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、云平臺(tái)技術(shù)以及傳感器等，通過整合車輛與控制中心網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建綜合考慮電網(wǎng)、充電站、用戶多因素的有序充電控制策略，結(jié)合電網(wǎng)、充電站以及用戶的約束條件，引導(dǎo)用戶有序充電。

1 用戶、電網(wǎng)和充電站三者的充電目標(biāo)與約束分析

1.1 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下用戶行駛和充電偏好分析

（1）電動(dòng)汽車充電時(shí)間的概率分布

車聯(lián)網(wǎng)通過各種傳感器獲得車輛運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，比如：用戶的充電時(shí)間和放電時(shí)間、電池剩余容量、充電功率、電池續(xù)航狀態(tài)等。車載終端將汽車運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的信息發(fā)到云平臺(tái)，形成車輛運(yùn)行狀態(tài)信息共享，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)車輛電池實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)管和整車運(yùn)行狀況控制。

假設(shè)電動(dòng)汽車返回家里時(shí)間跟充電時(shí)間是一致的，本文在參考文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上，將用戶充電時(shí)間的偏好用正態(tài)分布概率密度函數(shù)表示如下：

其中，0 ≤x≤ 2 4，μc= 1 8.67δc=0.741。

由于電動(dòng)汽車每次充電電量是有差異的，因此本文同樣參考文獻(xiàn)[16]，以用戶接入充電時(shí)的電池剩余電量來模擬電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷，采用正態(tài)分布概率密度函數(shù)表示電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷如下：

（2）基于充電成本的電費(fèi)模型

考慮不同時(shí)間的充電成本和用戶充電功率的需求，用戶充電費(fèi)用最小化的模型表示為：

其中，Ct表示各個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的電價(jià)，P(t)表示用戶在t時(shí)間段的充電功率。

1.2 區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷和電壓分析

隨著電動(dòng)車滲透率提升，大規(guī)模電動(dòng)車的充電負(fù)荷接入電網(wǎng)之后會(huì)造成電網(wǎng)負(fù)荷“峰上加峰”，電網(wǎng)的電壓偏移也明顯變大。為了平抑峰谷的差別，大多數(shù)學(xué)者采用分層分區(qū)調(diào)度的方式來降低負(fù)荷峰谷差、減少充電成本、降低網(wǎng)絡(luò)損耗，努力降低電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷和電壓偏移的影響。本文利用車聯(lián)網(wǎng)獲取的用戶充電需求數(shù)據(jù)、實(shí)際用用電數(shù)據(jù)、車輛行駛里程數(shù)據(jù)、該區(qū)域歷史電網(wǎng)負(fù)荷和電壓偏移等數(shù)據(jù)，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷和電壓進(jìn)行分析。

基于上一節(jié)用戶行駛和充電偏好的需求，結(jié)合電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷功率調(diào)節(jié)的目標(biāo)，電網(wǎng)側(cè)旨在實(shí)現(xiàn)充電負(fù)荷與電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)最小，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，進(jìn)一步提高小區(qū)的供電質(zhì)量，減少配電網(wǎng)線的損耗。參考文獻(xiàn)[17-18]，可得出電網(wǎng)側(cè)的目標(biāo)函數(shù)：

1.3 充電站充電需求和變壓器容量分析

通過車聯(lián)網(wǎng)共享平臺(tái)對(duì)信息的充分共享，以及對(duì)充電站狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控（包括接入點(diǎn)故障、電池當(dāng)前狀態(tài)、用戶期望充電容量、功耗控制等），實(shí)現(xiàn)關(guān)于充電需求和變壓器容量的自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)充電策略管理的智慧化。

假設(shè)充電站按照充電的電價(jià)抽取充電服務(wù)費(fèi)pj，并按照購電電價(jià)支付給電網(wǎng)電費(fèi)cj。假設(shè)充電站有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)用戶接入節(jié)點(diǎn)i時(shí)，充電控制系統(tǒng)獲取電動(dòng)車的電池剩余電量SOCL。為了制定有序充電策略，用戶應(yīng)該預(yù)設(shè)充電時(shí)間ti以及用戶離開時(shí)期望的電池電量SOCF。因此，充電站應(yīng)該在滿足用戶需求和配電變壓器的額定容量，通過對(duì)電池有序充電的控制，實(shí)現(xiàn)充電站經(jīng)濟(jì)效益最大化。充電站以運(yùn)營效益最大化的為目標(biāo)：

其中，Cij為第i個(gè)接入點(diǎn)以當(dāng)前時(shí)刻為起始點(diǎn)在第j個(gè)時(shí)間段的控制策略，Cij=1表示接入點(diǎn)開始充電；Cij=0表示接入點(diǎn)結(jié)束充電。Δt為充電站調(diào)度間隔。j為一天調(diào)度間隔的調(diào)度總數(shù)量。配電變壓器的容量約束如下：

其中，P為接入點(diǎn)的額定功率，Sij表示第i個(gè)接入點(diǎn)在第j個(gè)時(shí)間段是否有電動(dòng)汽車接入，Sij=1表示有電動(dòng)汽車接入，Sij=0表示沒有電動(dòng)汽車接入；Aj取值在[0,1]之間，如果該充電站配有專供配電變壓器，那么Aj=1；ST為配電變壓器的額定容量；λ為充電負(fù)荷平均功率因子。

2 電動(dòng)汽車群有序充電控制方法

本文綜合考慮電網(wǎng)、充電站、用戶三者目標(biāo)，基于當(dāng)前多方的需求，目標(biāo)包括三個(gè)：配電變壓器容量最大化，用戶充電成本最小化以及電網(wǎng)多時(shí)段負(fù)荷波動(dòng)、總損耗和電壓變化最小化。因此目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

電網(wǎng)、充電站、用戶三者的約束條件為：

公式(12)是電池的約束條件，表示電動(dòng)汽車接入接入點(diǎn)時(shí)要滿足接入點(diǎn)額定輸出功率以及該車型電池最大充電功率的最小值；公式(13)表示接入點(diǎn)負(fù)荷要在電網(wǎng)設(shè)定的負(fù)荷范圍上下限；公式(14)表示每個(gè)時(shí)間段接入點(diǎn)的概率密度，將某個(gè)時(shí)間段j接入需求概率乘以該區(qū)域的電動(dòng)車數(shù)量得到該時(shí)間段的充電需求；公式(15)表示電動(dòng)汽車充電時(shí)的充電電量概率函數(shù)，將某一個(gè)時(shí)間段j的充電時(shí)的起始電量概率乘以電動(dòng)車充電需求估算該時(shí)間段所需要的總充電電量。公式(16)表示該充電站內(nèi)所有接入點(diǎn)的容量小于配電變壓器的額定容量。公式(17)表示用戶停止充電時(shí)獲得的電量能夠滿足預(yù)期的充電目標(biāo)。本文使用CPLEX優(yōu)化工具包進(jìn)行求解，得出有序充電的控制策略。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下采用上述兩個(gè)正態(tài)分布概率密度函數(shù)模擬200輛車在24小時(shí)的充電需求。并對(duì)比有序充電和無序充電下充電站在24個(gè)小時(shí)的負(fù)荷曲線和電壓偏移曲線。具體情況如圖1和圖2所示。

圖1 有序充電負(fù)荷和無序充電負(fù)荷對(duì)比圖

圖2 有序充電負(fù)荷和無序充電電壓偏移量對(duì)比圖

圖1展現(xiàn)有序充電和無序充電兩種策略下的日負(fù)荷曲線，發(fā)現(xiàn)在有序充電控制策略下，充電站從凌晨到早上6點(diǎn)出現(xiàn)多個(gè)負(fù)荷高峰，這段時(shí)間恰恰是夜間谷電期，電價(jià)相對(duì)便宜，錯(cuò)開了白天的用電高峰，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷側(cè)的削峰填谷，有序充電策略為充電站帶來豐厚的收益的同時(shí)，也為用戶節(jié)省了充電成本；而在無序充電模式下，用戶在晚上時(shí)間段接入充電，使得晚高峰的用電負(fù)荷進(jìn)一步升高，局部電網(wǎng)容易出現(xiàn)另外一個(gè)用電高峰。

圖2展現(xiàn)有序充電和無序充電兩種情況下電壓偏移量曲線，發(fā)現(xiàn)在有序充電控制策略下，無論在負(fù)荷高峰還是在負(fù)荷低谷狀態(tài)下，電動(dòng)汽車接入后的電壓偏移量都在一個(gè)可容忍的范圍內(nèi)；而在無序充電模式下，大多數(shù)用戶在晚上時(shí)間段接入充電，使得晚高峰的電壓偏移量加劇，對(duì)晚間配電網(wǎng)的安全造成一定的影響，也會(huì)影響電池的壽命。

4 結(jié)束語

本文提出一種在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，綜合考慮電網(wǎng)、充電站、用戶三者的電動(dòng)汽車群有序充電策略，該策略通過構(gòu)建電網(wǎng)側(cè)、充電站測以及用戶側(cè)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，結(jié)合用戶出行需求、電網(wǎng)負(fù)荷、汽車電池電量以及配電變壓器容量的約束條件，優(yōu)化電動(dòng)汽車有序充電方案。仿真結(jié)果表明，基于車聯(lián)網(wǎng)對(duì)多方面數(shù)據(jù)的共享和分析，綜合多方面需求制定的有序充電控制策略不僅有利于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷側(cè)的削峰填谷，為充電站帶來豐厚的收益的同時(shí)，也為用戶節(jié)省了充電成本，還能夠降低晚高峰的電壓偏移量，提升晚間配電網(wǎng)的安全。