任金彥

V2G模式下電動(dòng)汽車的有序充放電策略研究

任金彥

(萬幫星星充電科技有限公司，江蘇 南京 210005)

在V2G充放電設(shè)備大規(guī)模普及后電動(dòng)汽車無序充電或放電將給電網(wǎng)帶來巨大的負(fù)擔(dān)。V2G充放電設(shè)備具備了雙重角色，它不僅是充電設(shè)備還是儲(chǔ)能設(shè)備。但這種儲(chǔ)能設(shè)備是移動(dòng)的、分布式的。設(shè)計(jì)的有序充放電策略充分地考慮了這些特征，核心思想是以臺(tái)區(qū)為單位通過定時(shí)采集臺(tái)區(qū)內(nèi)監(jiān)控信息制定有序充放電策略，通過合理的安排充放電可以滿足在有限的容量下實(shí)現(xiàn)高容量充電的需求。在臺(tái)區(qū)內(nèi)剩余可用功率不足時(shí)優(yōu)先調(diào)度臺(tái)區(qū)內(nèi)簽訂V2G合約的電動(dòng)汽車進(jìn)行放電，通過能源路由器保證電源和負(fù)荷的平衡，確保能量潮流在臺(tái)區(qū)內(nèi)部流動(dòng)。這樣可以有效地減少電網(wǎng)側(cè)負(fù)荷波動(dòng)和電能傳輸損耗。而在用戶側(cè)以電價(jià)的形式對(duì)參與V2G的電動(dòng)汽車進(jìn)行補(bǔ)貼，保證了車主的切身利益。

電動(dòng)汽車；有序充放電管理系統(tǒng)；V2G充電樁；能源控制器

0 引言

近年來，電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，目前全球許多國(guó)家將交通電氣化定為技術(shù)轉(zhuǎn)型重點(diǎn)方向。電動(dòng)汽車具有環(huán)保、節(jié)能、電價(jià)遠(yuǎn)低于油價(jià)、富有科技感等優(yōu)勢(shì)，得到了越來越多人的關(guān)注。但大規(guī)模電動(dòng)汽車集中在用電高峰期充電，進(jìn)一步加大電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。直到電動(dòng)汽車V2G模式思路[1]提出后，人們考慮到可以充分利用電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能特性，在用電高峰期時(shí)將電動(dòng)汽車儲(chǔ)存的電能輸送到電網(wǎng)，提高了電網(wǎng)可靠性并減少儲(chǔ)能的配置，有效地減少電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)。

由于電動(dòng)汽車的接入行為具有時(shí)間的不確定性和空間上的不確定性，這需要電動(dòng)汽車有序充放電策略來規(guī)劃充放電行為。文獻(xiàn)[2]考慮了電動(dòng)汽車充電的一些隨機(jī)因素，如電動(dòng)汽車開始充電時(shí)間、充電時(shí)長(zhǎng)和初始SOC，在此基礎(chǔ)上建立了接近現(xiàn)實(shí)世界住宅配電網(wǎng)中電動(dòng)汽車充放電的隨機(jī)模型，并基于粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化充電和V2G策略。該策略主要目的是用于提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和平滑電網(wǎng)負(fù)荷需求。其缺點(diǎn)是忽略了電動(dòng)汽車是否愿意參與V2G。文獻(xiàn)[3]以一個(gè)居民區(qū)和工商業(yè)區(qū)為研究對(duì)象，研究了電網(wǎng)側(cè)在最優(yōu)功率負(fù)荷波動(dòng)和經(jīng)濟(jì)費(fèi)用下的充放電需求，然后研究了用戶側(cè)充放電總功率與電價(jià)的關(guān)系，最后研究了中間商側(cè)通過返利引導(dǎo)用戶協(xié)調(diào)充放電。文中以電動(dòng)汽車充放電概率分布模型作為優(yōu)化目標(biāo)的約束條件優(yōu)化得出每個(gè)時(shí)間段的放電總功率。其缺點(diǎn)是對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)汽車如何分配放電功率，文中沒有提到。文獻(xiàn)[4]的策略是根據(jù)電動(dòng)汽車的充放電行為及用戶計(jì)劃，將電動(dòng)汽車分為3類，并以總充電費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)及電動(dòng)汽車狀態(tài)作為約束條件及用戶信用指標(biāo)制定充放電計(jì)劃，可以減少負(fù)荷波動(dòng)和降低用戶充電費(fèi)用，其缺點(diǎn)是普通電動(dòng)汽車優(yōu)先級(jí)最低在用電高峰期只能暫停充電，無法解決普通電動(dòng)汽車急需充電的問題。

本文基于文獻(xiàn)[4]的電動(dòng)汽車分類，并引入了有序充放電系統(tǒng)，以每個(gè)臺(tái)區(qū)為基本調(diào)度單元，在用電高峰期首先在臺(tái)區(qū)內(nèi)調(diào)度V2G電動(dòng)汽車，如果調(diào)度失敗則調(diào)度就近的其他臺(tái)區(qū)V2G電動(dòng)汽車。若沒有V2G電動(dòng)汽車可以調(diào)度則讓普通電動(dòng)汽車臨時(shí)升級(jí)成V2G電動(dòng)汽車以滿足其他電動(dòng)汽車充電需求，對(duì)于急需充電的普通電動(dòng)汽車也可以支付高溢價(jià)的充電費(fèi)用給其他V2G電動(dòng)汽車來獲取高優(yōu)先級(jí)的充電權(quán)。

1 有序充放電系統(tǒng)總體架構(gòu)

有序充放電系統(tǒng)按照分層思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)復(fù)雜功能劃分層次，這樣的設(shè)計(jì)具有每層功能分工明確、層間耦合低的優(yōu)點(diǎn)。圖1中處于系統(tǒng)頂層的有序充放電管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)有序充放電策略的生成和下發(fā)；臺(tái)區(qū)內(nèi)的能源控制器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集負(fù)荷數(shù)據(jù)和充放電設(shè)備的控制，如控制充電樁允許最大充電/放電功率，開啟/停止充電等；能源路由器為多種分布式能源與負(fù)荷的協(xié)調(diào)運(yùn)行提供了解決方案，比如在負(fù)荷附近分布有正在放電的電動(dòng)汽車，通過使用能源路由器不僅可以減少一次性能源的使用，還可以減少電能傳輸時(shí)電力線上的電能損耗；V2G充電樁是具有充放電功能的設(shè)備，它接收能源路由器充放電指令來進(jìn)行有序充放電。

圖1 有序充放電系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 有序充放電策略

本文主要考慮有序充放電管理系統(tǒng)的有序充放電策略。該策略的主要目標(biāo)是減少電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和最大化V2G簽約用戶的最大利益。文獻(xiàn)[4]根據(jù)電動(dòng)汽車的使用特性將電動(dòng)汽車分成了3類：簽約電動(dòng)汽車(一部分電動(dòng)私家車)，優(yōu)先電動(dòng)汽車(電動(dòng)出租車)和普通電動(dòng)汽車(部分電動(dòng)私家車)，本文也采用該分類方式。

1) 簽約電動(dòng)汽車

簽約電動(dòng)汽車具有日間行駛距離短，起始電量足，閑置時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。用戶簽約的目的主要是為了獲得V2G補(bǔ)貼。這類車一般是在用電高峰期負(fù)責(zé)“削峰”而在用電波谷期負(fù)責(zé)“填谷”以此獲得充放電差價(jià)。這既能滿足用戶的利益需求又能達(dá)到減少電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，提高了電網(wǎng)質(zhì)量，滿足用戶側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的雙贏。

2) 優(yōu)先電動(dòng)汽車

優(yōu)先電動(dòng)汽車一般是電動(dòng)出租車等，這類車需要滿足其充電需求以達(dá)到快速充電，它們不參與有序充放電的調(diào)度。

3) 普通電動(dòng)汽車

普通電動(dòng)汽車一般都會(huì)選擇在用電波谷期進(jìn)行充電，它們?nèi)绻枰谟秒姼叻迤谶M(jìn)行充電需要提高充電費(fèi)用為本次充電提升充電權(quán)限升級(jí)成優(yōu)先電動(dòng)汽車，充電結(jié)束會(huì)恢復(fù)成原先的權(quán)限，否則暫停它的充電。

下面是針對(duì)這三類電動(dòng)汽車的有序充放電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有序充放電策略的步驟。

步驟1：有序充放電管理系統(tǒng)獲取充電請(qǐng)求，根據(jù)該請(qǐng)求所屬的臺(tái)區(qū)的剩余可用功率，判定剩余可用功率是否來自于V2G電動(dòng)汽車的功率。若是，則執(zhí)行步驟2，否則步驟3。

步驟2：檢查電動(dòng)汽車類型，如果該電動(dòng)汽車是普通類型則不允許充電，并提示用戶是否需要提升權(quán)限。如果用戶選擇提升權(quán)限，則管理系統(tǒng)暫時(shí)將電動(dòng)汽車類型升級(jí)為優(yōu)先型，然后執(zhí)行步驟3；否則提示用戶當(dāng)前負(fù)荷過高，需等待其他電動(dòng)汽車充電結(jié)束，并在負(fù)荷降低后由有序充放電管理系統(tǒng)按充電請(qǐng)求發(fā)起的先后順序安排充電。

步驟3：將剩余可用功率下發(fā)給充電設(shè)備，充電設(shè)備以該功率作為最大充電功率限制值進(jìn)行充電。

步驟4：有序充放電管理系統(tǒng)檢查優(yōu)先電動(dòng)汽車的充電功率要求是否可以滿足，若充電功率要求高于該臺(tái)區(qū)可用功率，則優(yōu)先檢查該臺(tái)區(qū)是否有空閑的簽約電動(dòng)汽車，若有，則向該臺(tái)區(qū)能源控制器發(fā)起調(diào)度指令，再經(jīng)由能源路由器負(fù)責(zé)將新加入的V2G放電功率與充電功率達(dá)到平衡；否則從附近臺(tái)區(qū)檢查是否有空閑的簽約電動(dòng)汽車，若無，則維持原來的充電功率。

2 結(jié)論

本文在有序充放電系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種有序充放電策略的實(shí)現(xiàn)步驟，該策略的主要目的是減少電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和最大化V2G簽約用戶的最大利益，電網(wǎng)不會(huì)超負(fù)荷，在電網(wǎng)無余量時(shí)暫停普通電動(dòng)汽車的充電，若它仍需要充電則通過向V2G電動(dòng)汽車付V2G電價(jià)費(fèi)用來維持充電。但本文未對(duì)V2G電價(jià)如何確定以保證其合理性，臺(tái)區(qū)V2G電動(dòng)汽車分配嚴(yán)重不均等問題做詳細(xì)的探討，這將是以后的研究方向。

[1] KEMPTON W, TOMI J. Vehicle-to-grid power implementation: from stabilizing the grid to supporting large-scale renewable energy[J]. Journal of Power Sources, 2005, 144(1): 280-294.

[2] 羅通, 陳眾, 余思維, 等. 基于 PSO算法的電動(dòng)汽車有序充放電優(yōu)化[J]. 電力學(xué)報(bào), 2018, 33(1): 32-40.

LUO Tong, CHEN Zhong, YU Siwei, et al. Ordered charging and discharging optimization of electric vehicle based on PSO algorithm[J]. Journal of Electric Power, 2018, 33(1): 32-40.

[3] 候慧, 柯賢彬, 王成智, 等. 區(qū)域電動(dòng)汽車協(xié)調(diào)優(yōu)化的充放電策略[J]. 高壓電技術(shù), 2018, 44(2): 648-654.

HOU Hui, KE Xianbin, WANG Chengzhi, et al. Coordinated optimization strategy for electric vehicles' charging and discharging in different regions[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(2): 648-654.

[4] 王鑫, 周步祥, 唐浩. 計(jì)及V2V技術(shù)的電動(dòng)汽車有序充放電策略[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2018, 30(7): 96-102.

WANG Xin, ZHOU Buxiang, TANG Hao. Ordered charging/discharging strategy for electric vehicles with V2V technology[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2018, 30(7): 96-102.

Study on the orderly charging and discharging strategy of electric vehicles in V2G mode

REN Jinyan

(Wanbang Star Charge Co., Ltd., Nanjing 210005, China)

The disorderly charging or discharging of electric vehicles after the large-scale popularization of V2G charging and discharging equipment will bring a huge burden on the power grid. V2G charging and discharging equipment has dual roles. It is not only a charging device but also an energy storage equipment. But this energy storage device is mobile and distributed. The orderly charging and discharge strategy designed in this paper fully considers these characteristics, and the core idea is to develop an orderly charging and discharging strategy based on the monitoring information in the station area through timed collection of the station area, and to meet the needs of high-capacity charging under limited capacity through reasonable arrangement. In this paper, when the remaining available power in the station area is insufficient, the electric vehicle which has signed the V2G contract in station area is dispatched first to be discharged, and the balance of power supply and load is guaranteed through the energy router to ensure the flow of energy flow within the station area. This can effectively reduce the power grid side load fluctuations and power transmission losses. It gives subsidies to electric vehicle which participated in V2G in the form of electricity prices on the user side, to ensure the vital interests of car owners.

electric vehicle; orderly charging and discharging management system; V2G charging pile; energy controller

2020-09-10

任金彥(19—)，男，碩士研究生，控制理論與控制工程。E-mail: jinyan.ren@wanbangauto.com