胡道棟,邱俊宏,王玉芳,徐鵬,蘇杭
(1.許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461000; 2.河南升環(huán)勞務(wù)派遣合作有限公司,鄭州 450000)
近年來,隨著化石能源的枯竭以及清潔新型能源技術(shù)的崛起,電動(dòng)汽車和與之相應(yīng)的充電站、充電樁和充電技術(shù)得到迅速發(fā)展[1-2]。隨著互聯(lián)網(wǎng)+充電樁的技術(shù)發(fā)展,充電服務(wù)設(shè)備建設(shè)越來完善,但仍存在諸多問題,一方面是用戶充電難、找樁難、排隊(duì)長(zhǎng)等現(xiàn)象,另一方充電樁存在利用率不高、長(zhǎng)期空閑、運(yùn)營成本高的問題[3-4];除此之外,充電設(shè)施的大量使用對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來一定負(fù)荷安全影響[5-7],尤其是無序的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷會(huì)給配電網(wǎng)帶來電壓下降、線路過載、電網(wǎng)負(fù)荷峰值、網(wǎng)絡(luò)損耗等一系列問題[8-10],因此研究有序充電策略解決充電難,提高充電樁效益和減少充電對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷影響變得愈發(fā)必要[11-13]。
電動(dòng)汽車有序充電在當(dāng)前沒有嚴(yán)格的定義,文中提出的有序充電策略是指在車多樁少、充電站功率變動(dòng)和合理利用峰谷電價(jià)情況下設(shè)計(jì)的一種充電控制方法。通過分析研究車輛充電時(shí)充電電壓、電流、SOC與充電時(shí)間的關(guān)系曲線[14-15],制定一個(gè)最佳的中止充電的SOC值來提高充電排隊(duì)效率;盡可能將充電時(shí)間安排在電價(jià)低的谷時(shí)段以降低充電運(yùn)營成本[16-17],通過充電樁限功率方式對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷提高電網(wǎng)運(yùn)行安全性。
文中從三方面綜合定義有序充電,一是針對(duì)充電樁短缺設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車排隊(duì)有序充電,通過計(jì)算電動(dòng)汽車剩余充電時(shí)間和中止充電時(shí)的SOC來提供充電樁的充電效率和規(guī)劃排隊(duì)等候車輛充電次序;二是根據(jù)峰谷電價(jià)差異,合理安排有序充電時(shí)間,降低充電成本;三是對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線進(jìn)行削峰填谷,減小負(fù)荷曲線方差,使充電設(shè)施與電網(wǎng)負(fù)荷協(xié)調(diào)互動(dòng)而設(shè)計(jì)的有序充電策略。
離散充電樁因分散無法有序充電管理難度大,因此,目前有序充電且主要應(yīng)用于集中充電站。集中充電站的充電樁規(guī)模一般為20臺(tái)~50臺(tái),主要服務(wù)對(duì)象為電動(dòng)公交大巴,根據(jù)運(yùn)營商需求,充電站主要分為專用充電站和公用充電站,專用充電站只對(duì)運(yùn)營商制定的專用車(電動(dòng)公交大巴等)提供充電服務(wù),不對(duì)外運(yùn)營;公用充電站除了服務(wù)專用車,同時(shí)對(duì)外營運(yùn),可以為所有社會(huì)電動(dòng)車輛充電,文章將以兩類充電站為對(duì)象進(jìn)行有序充電研究。
充電站服務(wù)系統(tǒng)如圖1所示,站內(nèi)充電樁通過4G/5G等物聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)接入充電服務(wù)平臺(tái),充電服務(wù)平臺(tái)為運(yùn)營商提供給運(yùn)營監(jiān)控客戶端,充電用戶可以使用充電卡和手機(jī)APP方式充電,為了使充電站與電網(wǎng)負(fù)荷協(xié)調(diào)互動(dòng),充電服務(wù)平臺(tái)接入充電站配電設(shè)備,該設(shè)備實(shí)時(shí)上送充電站可用功率信息至充電服務(wù)平臺(tái)。
圖1 充電站服務(wù)系統(tǒng)Fig.1 Charging station service system
針對(duì)集中式充電站文中設(shè)計(jì)的有序充電策略具有以下功能。
(1)減少車輛排隊(duì)時(shí)間,通過計(jì)算在充車輛剩余充電時(shí)間和選擇最佳中止充電SOC值來提供充電站服務(wù)效率和減少充電用戶排隊(duì)時(shí)間;
(2)降低充電成本,通過有序充電策略設(shè)計(jì)讓車輛盡可能在電價(jià)低的谷時(shí)段充電。目前大多充電站根據(jù)電網(wǎng)電價(jià)將充電時(shí)間分為平、谷、峰三個(gè)時(shí)段,分別對(duì)應(yīng)正常計(jì)費(fèi)、優(yōu)惠計(jì)費(fèi)以及高價(jià)計(jì)費(fèi),充電電價(jià)及階梯時(shí)段如表1所示[18];
表1 充電電價(jià)及階梯時(shí)段Tab.1 Charging tariff and ladder period
(3)優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)荷,因用電高峰時(shí)期電網(wǎng)負(fù)荷壓力增大會(huì)造成網(wǎng)損和降低電能質(zhì)量,文章設(shè)計(jì)充電樁功率調(diào)節(jié)策略使充電站用電功率隨電網(wǎng)需求動(dòng)態(tài)調(diào)整。
目前專用集中式充電站大多用于電動(dòng)公交大巴充電,文章以規(guī)模30臺(tái)60 kW直流樁服務(wù)100輛電動(dòng)公交車的充電站為設(shè)計(jì)對(duì)象。為提高充電樁使用效率,減少車輛排隊(duì)時(shí)間,文章分析了30多個(gè)充電數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)同類充電樁的充電過程數(shù)據(jù)曲線基本一致,文章提取一個(gè)SOC從33%充電到100%的車輛充電過程數(shù)據(jù)為樣本進(jìn)行圖形處理分析,充電過程數(shù)據(jù)如表2所示(充電電壓?jiǎn)挝粸閂,電流單位為A,時(shí)間單位為min)。
如圖2所示為其中一個(gè)充電樁充電電壓、電流、SOC與充電時(shí)間的關(guān)系曲線,如圖3為充電電流、SOC與充電時(shí)間的關(guān)系曲線,從圖3可看出整個(gè)充電過程電壓基本保持平穩(wěn)不變, SOC小于95%的區(qū)間里,充電電流波動(dòng)較小,SOC達(dá)到94%~95%后充電樁輸出電流開始明顯下降,尤其在99%~100%之間,電流出現(xiàn)多次變化,充電時(shí)間相對(duì)過長(zhǎng)。充電過程數(shù)據(jù)變化分析如表3所示。
圖2 充電過程曲線Fig.2 Charging process curve
圖3 充電過程曲線Fig.3 Charging process curve
表3 充電過程數(shù)據(jù)分析Tab.3 Data analysis of charging process
充電站內(nèi)車輛運(yùn)行模式一般是白天使用晚上充電,充電集中在谷電價(jià)時(shí)段,但因特殊情況需要白天峰或平電價(jià)時(shí)段充電時(shí),為了降低充電成本,同時(shí)不影響車輛運(yùn)營,采取設(shè)定車輛中止充電的SOC上限值的充電策略,峰和平電價(jià)時(shí)段車輛SOC分別達(dá)到80%和90%時(shí)結(jié)束充電,谷時(shí)段不設(shè)定SOC上限值。另一方面,在車多樁少,車輛排隊(duì)等候的情況,為了提高充電樁使用效率,增加充電站運(yùn)營效益,也設(shè)定了車輛SOC充電上限,文章對(duì)充電排隊(duì)的定義是因急需用車而排隊(duì)充電,對(duì)于晚上谷時(shí)段沒有使用需求排隊(duì)依次充電不屬于文章定義的排隊(duì)充電的范疇。
假設(shè)站內(nèi)充電樁數(shù)為N,排隊(duì)等候充電車輛數(shù)為M,則有排隊(duì)車輛比例(rate)關(guān)系式:
rate=N/M
(1)
充電時(shí)段、rate與充電中止SOC的關(guān)系如表4所示,具體設(shè)定方式為:
表4 充電中止SOC劃分Tab.4 SOC partition of charging termination
(1)充電時(shí)段為峰時(shí)段和rate大于1.5二者滿足之一時(shí),車輛充電到達(dá)的SOC上限為80%;
(2)充電時(shí)段為平時(shí)段和rate為0.75-1.5二者滿足之一時(shí),車輛充電到達(dá)的SOC上限為90%;
(3)谷時(shí)段,當(dāng)rate在0.4-0.75區(qū)間時(shí)車輛充電到達(dá)的SOC上限為95%;
(4)谷時(shí)段,當(dāng)0.4≥rate>0時(shí)車輛充電到達(dá)的SOC上限為99%。
專用充電站的車輛充電優(yōu)先級(jí)沒有嚴(yán)格要求,充電過程中充電站輸出功率受到電網(wǎng)負(fù)荷限制時(shí),在保證車輛享有同等充電權(quán)限前提下,設(shè)計(jì)有序充電策略調(diào)整充電樁輸出功率。充電樁功率調(diào)整分為下調(diào)和上調(diào)兩種,當(dāng)充電站輸出總功率大于功率限定值時(shí)需進(jìn)行下調(diào),反之上調(diào)。假設(shè)站內(nèi)功率限定值和總輸出功率分別為P限、P充,其下調(diào)策略設(shè)計(jì)如下:
(1)假設(shè)充電中車輛SOC大于90%且充電電流大于10 A的充電樁數(shù)為a,充電電壓和電流為U充和I充,其中最大的充電電流為Imax,則有關(guān)系式:
(2)
(3)
(4)
(5)
上述式中P1為a個(gè)充電樁的充電功率;P2為a個(gè)充電樁電流都下調(diào)為10 A后的充電功率功率;P3為將電流為Imax的充電樁電流下降1 A后下調(diào)的功率值。若P充-P限≤P1-P2,說明無須將SOC大于90%的充電樁電流都下調(diào)至10 A,此時(shí)將電流最大的b個(gè)充電樁電流下降1 A,若P充-P限≤P3,則充電服務(wù)平臺(tái)對(duì)電流為Imax的充電樁下發(fā)功率下調(diào)指令,電流各下調(diào)1 A即完成了功率調(diào)節(jié)需求;
(2)若P充-P限>P3,則繼續(xù)計(jì)算電流下調(diào)值,上式中P4為將電流為Imax的充電樁電流下降1 A后再對(duì)電流為Imax-1的充電樁電流下降1 A后下調(diào)的功率值,P充-P限≤P3+P4,則表示已計(jì)算出充電樁下調(diào)的電流值,然后通過充電服務(wù)平臺(tái)對(duì)充電樁下發(fā)功率下調(diào)指令,P充-P限>P3+P4,則按此方法依次類推計(jì)算出充電樁的下調(diào)電流值;
(3)若P充-P限>P1-P2,則表示將SOC大于90%的充電樁充電電流都限制為10 A后,充電站輸出功率仍大于限定功率,繼續(xù)對(duì)充電中車輛SOC在80%~89%的充電樁進(jìn)行功率下調(diào),充電電流限制下限為20 A,充電服務(wù)平臺(tái)對(duì)充電樁的下調(diào)電流值計(jì)算方法與步驟(1)和步驟(2)相同;
(4)若執(zhí)行以上功率限制調(diào)節(jié)后,充電站輸出功率仍大于充電站限定功率,則依次類推,繼續(xù)對(duì)充電樁進(jìn)行限功率調(diào)節(jié),直到所有充電站充電輸出功率等于限制功率為止,充電電流限制下限值如表5所示,將SOC分為10個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間設(shè)定一個(gè)電流限制下限值。
表5 充電輸出電流限制下限值Tab.5 Lower limit of charging output current limit
充電樁功率上調(diào)時(shí),充電服務(wù)平臺(tái)計(jì)算電流下調(diào)值與下調(diào)計(jì)算策略相反,假設(shè)站內(nèi)功率限定值和總輸出功率分別為P限、P充,其上調(diào)策略設(shè)計(jì)如下:
(1)充電服務(wù)平臺(tái)計(jì)算出充電中車輛SOC處于0~9%的充電樁充電總需求功率值P需和當(dāng)前總使用功率P用,對(duì)比P需-P用與P限-P充的大??;
(2)若P需-P用
(3)若P需-P用>P限-P充,則表示將處于0~9%的充電樁充電電流上調(diào)至需求值,充電站輸出功率仍小于限定功率,繼續(xù)對(duì)充電中車輛SOC在10%~19%的充電樁進(jìn)行功率上調(diào),充電服務(wù)平臺(tái)對(duì)充電樁的上調(diào)電流值計(jì)算方法與步驟(1)和步驟(2)相同。
專用充電站從峰谷電價(jià)充電成本、樁少車多充電排隊(duì)效率和與電網(wǎng)負(fù)荷互動(dòng)三方面設(shè)計(jì)了有序充電策略,其策略實(shí)現(xiàn)如下:
(1)在峰平電價(jià)時(shí)段,充電樁全被占用,而后來車輛因某些原因需要急用而充電則可以通用手機(jī)APP申請(qǐng)排隊(duì)充電;
(2)充電服務(wù)平臺(tái)將不同電價(jià)時(shí)段和排序充電的充電中止SOC策略以及當(dāng)前排隊(duì)車輛數(shù)下發(fā)給每個(gè)充電樁,充電樁根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算充電中止SOC值,當(dāng)車輛SOC達(dá)到指定值時(shí)停止充電;
(3)充電服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)采集來自充電站配電設(shè)備的功率限定值,根據(jù)站內(nèi)充電樁充電輸出總功率和需求總功率選擇功率調(diào)節(jié)策略,假設(shè)站內(nèi)功率限定值、總輸出功率和總需求功率分別為P限、P充、P需,則有關(guān)系式:
(6)
(7)
上述式中U充、I充為充電樁充電輸出電壓和電流,U需、I需為充電車輛需求電壓和電流,n為充電中的充電樁數(shù)量。
a)當(dāng)P限≥P需,站內(nèi)充電樁設(shè)置為不限功率狀態(tài);
b)當(dāng)P充≥P限,則需下調(diào)充電樁輸出功率,首先下調(diào)充電中車輛SOC高的充電樁功率,即下調(diào)SOC大于90%的充電樁功率,充電服務(wù)平臺(tái)計(jì)算該部分充電樁功率下調(diào)值,計(jì)算方法是循環(huán)地將充電輸出電流降低1%后對(duì)比充電站輸出功率與功率限制值,直到充電站輸出功率與功率限制值相等,在循環(huán)計(jì)算中電流降低后不能小于電流限制下限值;若SOC大于90%的充電樁輸出電流降低至下限值仍未達(dá)到功率調(diào)節(jié)要求,則按上述1%循環(huán)計(jì)算法繼續(xù)對(duì)SOC為80%~89%的充電樁進(jìn)行功率下調(diào),依次類推直到充電站輸出功率與功率限制值相等;
c)當(dāng)P需>P限>P充,則啟動(dòng)充電樁功率上調(diào)策略,首先上調(diào)SOC在0~9%區(qū)間的充電樁功率,按SOC設(shè)置區(qū)間依次進(jìn)行充電樁充電電流上調(diào),直到充電站輸出功率與功率限制值相等為止,充電服務(wù)平臺(tái)計(jì)算充電樁功率上調(diào)值的方法是循環(huán)地將充電輸出電流增加1%后對(duì)比充電站輸出功率與功率限制值,在循環(huán)計(jì)算中充電樁上調(diào)后的輸出功率不能大于車輛充電需求功率。
與專用充電站相比,公用充電樁除了對(duì)本站專用車輛服務(wù)外,還對(duì)外開放,允許所有社會(huì)車輛充電,這樣不但提高了充電樁使用率,還可以為運(yùn)營商帶來額外的收益。針對(duì)站內(nèi)專用車輛和社會(huì)充電車輛,文章設(shè)計(jì)有序充電策略是充電優(yōu)先級(jí)專用車輛高于社會(huì)車輛,社會(huì)車輛之間則按先到優(yōu)先級(jí)高的原則。
公用充電站同時(shí)為專用車和社會(huì)車輛提供充電服務(wù),其有序充電策略設(shè)計(jì)如下:
(1)為減低運(yùn)營成本,站內(nèi)專用車輛原則上選擇夜間谷時(shí)段充電,因此在谷時(shí)段前半個(gè)小時(shí)禁止社會(huì)車輛開啟充電,谷時(shí)段前十分鐘中止所有社會(huì)車輛充電;
(2)峰平電價(jià)時(shí)段不限制社會(huì)車輛充電中止SOC值,按專用充電站策略限制專用車充電中止SOC值;
(3)當(dāng)P需>P限,將待機(jī)的充電樁設(shè)置為禁止充電狀態(tài)(只對(duì)社會(huì)樁禁止),當(dāng)P限≥P需,站內(nèi)充電樁設(shè)置為不限功率狀態(tài);
(4)當(dāng)P充>P限,啟動(dòng)功率下調(diào)策略,首先將待機(jī)的充電樁設(shè)置為禁止充電狀態(tài)(只對(duì)社會(huì)樁禁止),然后按充電啟動(dòng)順序先對(duì)充電啟動(dòng)時(shí)間靠后的社會(huì)車輛充電樁進(jìn)行功率下調(diào),最低可將充電電流降低至10 A,若所有社會(huì)車輛充電的充電樁輸出電流下調(diào)至10 A后仍不滿足功率限定需求則按專用站有序充電策略對(duì)專用車充電的充電樁進(jìn)行功率下調(diào);
(5)若P需>P限>P充,則需功率上調(diào),優(yōu)先將功率分配給專用車輛,然后再將多余功率分配給社會(huì)車輛,按充電啟動(dòng)順序,先上調(diào)充電啟動(dòng)靠前的社會(huì)車輛,最高可以上調(diào)至車輛充電需求功率,直到功率分配完為止;
(6)出現(xiàn)樁少車多時(shí)需要排隊(duì)有序充電,此時(shí)設(shè)定社會(huì)充電車輛充電SOC達(dá)到95%時(shí)中止充電,將充電樁和充電功率提供給排隊(duì)中的車輛,以此提供充電樁的利用率和減少用戶排隊(duì)時(shí)間。
在站內(nèi)充電樁全被占用,或待機(jī)中的充電樁處于禁止充電時(shí),用戶充電可使用手機(jī)APP申請(qǐng)排隊(duì)充電,充電平臺(tái)收到申請(qǐng)后產(chǎn)生一個(gè)驗(yàn)證碼和計(jì)算出排隊(duì)時(shí)間最短的充電樁,將驗(yàn)證碼和樁號(hào)推送至用戶手機(jī)APP,驗(yàn)證碼同時(shí)發(fā)送給被排隊(duì)的充電樁以供排隊(duì)用戶充電時(shí)身份驗(yàn)證。
充電服務(wù)平臺(tái)在進(jìn)行排隊(duì)有序充電策略實(shí)現(xiàn)時(shí)需計(jì)算出當(dāng)前排隊(duì)用戶需要等待的時(shí)間,假設(shè)充電車輛開始充電和當(dāng)前SOC分別為Soc1和Soc2,已充電時(shí)間為T1,SOC增加1%所需充電時(shí)間為T2,剩余充電時(shí)間T剩,基于充電中車輛SOC在小于95%時(shí)SOC增加1%所需的時(shí)間基本相同,則有關(guān)系式:
T2=(Soc2-Soc1)/T1
(8)
T剩=(95%-Soc2)/T2
(9)
當(dāng)排隊(duì)車輛數(shù)多于充電車輛或P需>P限,充電服務(wù)平臺(tái)將無法精確算出排隊(duì)等待所需時(shí)間,平臺(tái)向手機(jī)APP只推送驗(yàn)證碼,待排在前面的車輛數(shù)小于充電車輛數(shù)時(shí)且P限≥P需時(shí),平臺(tái)再向用戶手機(jī)APP推送排隊(duì)時(shí)間和充電樁號(hào)。排隊(duì)有序充電流程如圖4所示,具體實(shí)現(xiàn)如下:
圖4 公用充電站排隊(duì)有序充電流程Fig.4 Orderly charging process of public charging station
(1)充電用戶通過手機(jī)APP充電預(yù)約排隊(duì),充電平臺(tái)將生成的排隊(duì)驗(yàn)證碼和樁號(hào)發(fā)給手機(jī)APP,驗(yàn)證碼發(fā)給充電樁;
(2)排隊(duì)用戶預(yù)約的充電樁若處于待機(jī)空閑狀態(tài)則可將充電搶插車,充電樁檢測(cè)到車輛連接狀態(tài)后在人機(jī)界面提示用戶輸入驗(yàn)證碼;
(3)充電樁鑒權(quán)驗(yàn)證碼,若驗(yàn)證碼不正確則提示充電樁已被預(yù)約禁止使用,若鑒權(quán)通過則提示用戶刷卡或掃描啟動(dòng)充電流程;
(4)平臺(tái)對(duì)充電用戶類型進(jìn)行鑒權(quán),若充電車輛為本站專用車用戶則立即啟動(dòng)充電樁開始充電,若該車充電需求功率大于充電樁限定功率,充電服務(wù)平臺(tái)按公用充電站有序充電策略進(jìn)行功率調(diào)節(jié);
(5)若為充電車輛不為本站專用車用,如果充電樁不處于禁止充電狀態(tài),則直接開啟充電,充電功率大小為功率限定值;
(6)如果充電樁處于禁止充電狀態(tài),則閉合充電槍電子鎖,充電樁進(jìn)入充電等待狀態(tài),充電服務(wù)平臺(tái)計(jì)算充電等待時(shí)間推算給手機(jī)APP和充電樁,直到充電樁分配到功率后開啟充電,充電功率大小為功率限定值,充電等待時(shí)無需用戶一直在現(xiàn)場(chǎng)等候,充電樁能夠自動(dòng)執(zhí)行。
文章從電網(wǎng)負(fù)荷、分時(shí)電價(jià)和排隊(duì)充電三方面分別對(duì)專用和公用集中式充電站設(shè)計(jì)了有序充電策略,以保障充電站電網(wǎng)安全運(yùn)行,提高充電樁的使用效率和增加充電站的運(yùn)營效益。
充電樁有序充電尚在研究起步階段,隨著V2G和充放電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,有序充電將逐漸成為充電樁和充電站的發(fā)展方向。