共享电池站控制策略的制作方法

本发明属于电池换电站、充电站技术领域，具体涉及一种共享电池站控制策略。

背景技术：

目前的电池换电站普遍采用集中充电管理，使用交通运输系统将从各个换电站收集的用户交换的电池运输到充电站的待充电区，准备充电。其控制策略是将一天分为相等的若干个时段，将所有电池无序随机的分为若干个组，每到一个时段的初始时刻，将各个组中充满电的电池卸下，放入满电区，未充满的电池保留，再将相等数量的电池装载到上一时段卸下电池的位置，系统通过优化调度，将这些组分为充电组，放电组以及待机组，优化调度这些充电组的充电功率和放电组的放电功率和在哪一个时隙进行这些操作。通过交通系统将充满电区的电池输送到各个换电站。目标函数考虑电池充电费用，电池损耗，交通运输费用以及各种有关电池充电的约束等。

由于需要优化的变量是充电速率与充电时刻，所以需要使用可以改变充电速率智能充电设备，增加了成本。交通系统的引入，增加了不确定性也大大增加成本。人工操作装箱，卸下，不仅麻烦，还增加人力物力，最重要的是这一过程增加了系统停运的时间，这一过程会导致解得的优化值产生误差，除此之外，只有电池数目足够多，这个系统才能维持下去，如果每组电池数目很少，优化效果不好，充电组中电池充满电后就不再消耗功率，这导致计算的功率要大于实际功率，产生误差，电池数目少的时候，这种误差几乎是致命的。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种不需要智能充电设备、交通系统和人工操作，充电时兼顾削峰填谷的共享电池站控制策略。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种共享电池站控制策略，该控制策略基于共享电池站，所述共享电池站包括若干电池箱，每个电池箱配一个具有soc检测功能的充放电控制器，两个电池充电箱位，所述共享电池站的充放电控制器受控制中心控制，所述控制中心采集每个电池的soc并控制充放电控制器工作；所述控制策略如下：

s1.将一天等分为若干个时段；

s2.在每个时段的初始时刻对共享电池站的所有电池按soc从大到小排序；

s3.控制中心根据这一时段之前的实际电池需求、这一时段及之后的预测的电池需求以及当前电池站内所有电池的soc，求得目标函数收益计算最大时的各分区电池数目，按照所得优化结果对所有电池按soc大小顺序对所有电池进行初始分区，分别分入五个分区，分别是第一区、第二区、第三区、第四区、第五区，第一区、第二区、第三区为供电区、第四区为备用区，第五区为削峰填谷区；

s4.控制中心根据预设的调度策略，计算每个分区中各个电池在该时段应保持的充电状态、放电状态或待机状态，并根据计算的各个电池在该时段应保持的状态对电池进行控制，在进入下一时段时，重复步骤s2-s4；

s5.在进行电池交换时，电池站将soc最大的电池提供给客户，客户的电池存入共享电池站中，共享电池站中的电池总数保持不变。

所述优化计算的最大收益包括支出的电池损耗费用和充电费用以及收入的出租收费以及削峰填谷产生的经济效益，据此建立的最大收益目标函数如下：

c＝c1-c2+c3+c4

上述函数模型需满足如下约束条件：

bmin≤b≤bmax

0≤sb(i，j)≤1

0≤sbb(i，j)≤1

0≤sb(i，j)+p1*η*t≤1

0≤sb(i，j)±p2*η*t≤1

0≤bp(i)≤n-byy(i)

0≤bp(i)≤min[pp(i)，pg(i)]

0≤bv(i)≤n-byy(i)

0≤bv(i)≤min[qq(i)，qg(i)]

sbv(i，j)＞0.35i，j∈z，i∈[1，m]，j∈[byy(i)+1，n]

sbp(i，j)＜0.85i，j∈z，i∈[1，m]，j∈[byy(i)+1，n]

n＝b1+b2+b3+b4+b5

bss＝b1+b2+b3

其中，sb(i，j)表示在i时段第j块电池的soc，sbb(i，j)表示在i时段前来交换的第j块电池的soc，d(i，j)表示电池是否发生交换，b(i，j)表示所有电池状态，f1表示电价，p1表示前四区的充电功率，p2表示削峰填谷区的充放电功率，a1(i，j)表示i时段前四区的第j块电池的是否参与削峰，a2(i，j)表示i时段第五区的第j块电池的是否参与削峰填谷，a3(i，j)表示i时段第四区的第j块电池的是否参与增加峰值，充电使得负荷曲线峰上加峰，这是一个惩罚值，b(i，j)表示i时段的第j块电池的充电与否，t表示时间段长度，c1表示削峰填谷收益，c2表示充电支出，c3表示电池损耗的支出，c4表示出租电池收入，m表示时间段总数，n表示电池总个数，bv表示实际参与填谷的电池个数，bp表示实际参与削峰的电池个数，bss表示前三区电池数目之和，pp表示第五区中能够参与削峰的电池个数，qq表示第五区中能够参与填谷的电池个数，sbv表示能够参与填谷的电池soc范围，sbp表示能够参与削峰的电池soc范围，g，e1，e2，h是常数，b1，b2，b3，b4，b5第一，二，三，四，五区电池数目，b表示各区电池数目，byy表示前四区实际电池总数，bmin，bmax分别是各时段电池个数上下限，pg(i)是电网需要的参与削峰的电池个数，qg(i)是电网需要的参与填谷的电池个数。

步骤s4中的预设调度策略，其具体体现为：

对于第一区至第三区即供电区中的电池，将电池的soc与相应分区的soc控制阈值进行比较，若小于soc控制阈值则充电，大于soc控制阈值则保持待机状态，相邻分区的soc控制阈值之差必需小于一个时间段内电池补充的能量；

对于第四区的电池，在一个时间段内，如果第一区至第三区的电池数目大于等于预测的连续三个时段电池需求总数的1.1倍，则将第四区的所有电池并入第五区进行削峰填谷，如果第一区至第三区的电池数目小于预测的连续三个时段电池需求的1.1倍，判断多出的0.1倍电池是否能够充电，按顺序对能充电的电池充电，剩余电池保持待机状态；

对于第五区的电池，首先判断该时段电网是否需要电池削峰或填谷，若不需要则全部电池保持待机状态，若需要则计算需要的参与削峰或填谷电池数目，然后计算该时段的第五区电池可以进行削峰或填谷的电池数目，比较后取两者中的较小值，按照soc大小顺序对相应数目的电池进行充电或放电操作，其余电池保持待机状态。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明将电池交换以及充放电过程分散在一个个小型的共享电池站中进行，不使用交通运输系统，充换电集中处理，无需排队等待，整个换电池过程自主完成。本发明建立有专门的供电区，备用区和削峰填谷区，对各分区电池以预制控制策略进行充放电或者待机控制，无需智能充电设备改变充放电功率，无需人工操作。大大节省了投资，而且系统的可控性更强。

附图说明

图1是本发明共享电池站硬件配置图；

图2是本发明调度策略流程图；

图3是本发明前三区调度策略流程图；

图4是本发明第四区调度策略流程图；

图5是本发明第五区调度策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明的硬件设施主要由三部分构成：

电网：为共享电池站提供电能。

控制中心：根据电池站内电池的soc、预测的电池需求、实际的电池需求和所建立的目标函数模型，优化每个时段5个分区的电池数量，以及选择对应分区中的哪一个电池什么时段去交换、充电、放电或者待机。

共享电池站：作为电池的载体，根据控制中心的指令，对电池执行充电，放电或者待机动作。

其中共享电池站设计为多若干个电池箱，每个电池箱设置上下两个电池充电箱位，共享一个充电器，上下两个充电箱位都可以作为充电箱和空箱使用，节省了充电器的个数还方便了交换动作，无需排队等待，到达系统指定的箱体，将耗尽电量的电池插入到相应位置然后取出电量充足的电池即可。

本发明控制策略基于共享电池站，所述共享电池站包括若干电池箱，每个电池箱配一个具有soc检测功能的充放电控制器，两个电池充电箱位，所述共享电池站的充放电控制器受控制中心控制，所述控制中心采集每个电池的soc并控制充放电控制器工作；所述控制策略如下：

s1.将一天等分为若干个时段；

s2.在每个时段的初始时刻对共享电池站的所有电池按soc从大到小排序；

s3.控制中心根据这一时段之前的实际电池需求、这一时段及之后的预测的电池需求以及当前电池站内所有电池的soc，求得目标函数收益计算最大时的各分区电池数目，按照所得优化结果对所有电池按soc大小顺序对所有电池进行初始分区，分别分入五个分区，分别是第一区、第二区、第三区、第四区、第五区，第一区、第二区、第三区为供电区、第四区为备用区，第五区为削峰填谷区；

s4.控制中心根据预设的调度策略，计算每个分区中各个电池在该时段应保持的充电状态、放电状态或待机状态，并根据计算的各个电池在该时段应保持的状态对电池进行控制。

在进入下一时段时，重复步骤s2-s4，每经历一个时段相当于对上一时段预测电池需求的一个更正。在这里，需要注意的是，控制中心是在满足顾客对电池需求的基础上进行调度，即客户需求必须满足的基础上(电池个数必须满足，其soc应当足够大)，即为客户的电池供应有最大的优先权，考虑电池损耗费用，充电费用，出租收费以及削峰填谷产生的经济效益，进而达到经济最优。

s5.在进行电池交换时，电池站将soc最大的电池提供给客户，客户的电池存入共享电池站中，共享电池站中的电池总数保持不变。

参见图2、图3、图4和图5，步骤s4中的预设调度策略，其具体体现为：

对于第一区至第三区即供电区中的电池，将电池的soc与相应分区的soc控制阈值进行比较，若小于soc控制阈值则充电，大于soc控制阈值则保持待机状态，相邻分区的soc控制阈值之差必需小于一个时间段内电池补充的能量，使电池能在一个时间间隔内，补充足够的电量，使电池站能够持续运行；具体的，第一区中的电池，若其在该时段初soc小于soc控制阈值0.85则充电，反之则保持待机状态，以此类推第二区soc控制阈值为0.7，第三区soc控制阈值为0.55。

对于第四区的电池，在一个时间段内，如果第一区至第三区的电池数目大于等于预测的连续三个时段(本时段，下一时段，下下时段)电池需求总数的1.1倍(对于不同的实际电网和不同的时间段，这个参数需要进行修改)，则将第四区的所有电池并入第五区进行削峰填谷，如果第一区至第三区的电池数目小于预测的连续三个时段电池需求的1.1倍，判断多出的0.1倍电池是否能够充电，按顺序对能充电的电池充电，不能充电的电池(即其soc＞0.85)保持待机状态，剩余电池全部并入第五区进行削峰填谷；(这里的1.1只是一个例子，对于不同的电网，不同的时段，需要改变相应数值，能够得到更高的收益，提供更高soc的电池)

对于第五区的电池，系统需要进行一系列判断，然后决定其状态(充电或者放电或者待机)，首先判断该时段是否需要电池充放电进行削峰填谷，若不需要则全部电池保持待机状态，若需要则计算需要的电池数目，然后计算该时段的第五区电池可以进行削峰填谷的电池数目，按照soc顺序对相应数目的电池进行充放电操作，其余电池保持待机状态。

本发明共享电池站共分为5个区，前三区(第一至第三区)用来满足电池需求兼顾削峰(由于目标函数在这里设置了一个峰时充电惩罚因数)，第四区用来备用(应对需求的突然增加)，第五区用来削峰填谷。在换电高峰期，第五区的电池很少，在夜晚和阴雨天等换电低谷期，第五区的电池数量很多，这就为削峰填谷提供了条件。

本发明优化计算的最大收益包括支出的电池损耗费用和充电费用以及收入的出租收费以及削峰填谷产生的经济效益，据此建立的最大收益目标函数如下：

c＝c1-c2+c3+c4

上述函数模型需满足如下约束条件：

bmin≤b≤bmax

0≤sb(i，j)≤1

0≤sbb(i，j)≤1

0≤sb(i，j)+p1*η*t≤1

0≤sb(i，j)±p2*η*t≤1

0≤bp(i)≤n-byy(i)

0≤bp(i)≤min[pp(i)，pg(i)]

0≤bv(i)≤n-byy(i)

0≤bv(i)≤min[qq(i)，qg(i)]

sbv(i，j)＞0.35i，j∈z，i∈[1，m]，j∈[byy(i)+1，n]

sbp(i，j)＜0.85i，j∈z，i∈[1，m]，j∈[byy(i)+1，n]

n＝b1+b2+b3+b4+b5

bss＝b1+b2+b3

其中，sb(i，j)表示在i时段第j块电池的soc，sbb(i，j)表示在i时段前来交换的第j块电池的soc，d(i，j)表示电池是否发生交换，b(i，j)表示所有电池状态，f1表示电价，p1表示前四区的充电功率，p2表示削峰填谷区的充放电功率，a1(i，j)表示i时段前四区的第j块电池的是否参与削峰，a2(i，j)表示i时段第五区的第j块电池的是否参与削峰填谷，a3(i，j)表示i时段第四区的第j块电池的是否参与增加峰值，充电使得负荷曲线峰上加峰，这是一个惩罚值，b(i，j)表示i时段的第j块电池的充电与否，t表示时间段长度，c1表示削峰填谷收益，c2表示充电支出，c3表示电池损耗的支出，c4表示出租电池收入，m表示时间段总数，n表示电池总个数，bv表示实际参与填谷的电池个数，bp表示实际参与削峰的电池个数，bss表示前三区电池数目之和，pp表示第五区中能够参与削峰的电池个数，qq表示第五区中能够参与填谷的电池个数，sbv表示能够参与填谷的电池soc范围，sbp表示能够参与削峰的电池soc范围，g，e1，e2，h是常数，b1，b2，b3，b4，b5第一，二，三，四，五区电池数目，b表示各区电池数目，byy表示前四区实际电池总数，bmin，bmax分别是各时段电池个数上下限，pg(i)是电网需要的参与削峰的电池个数，qg(i)是电网需要的参与填谷的电池个数。

正常状况下，对目标模型参数和算法参数的初始化，参考信号的计算只需要程序运行起始设定，不需要在算法迭代过程中重复设置。但是发生突发情况，如阴雨天等天气因素或者发生交通事故，需要改变系统预测过程中的电池需求曲线和备用区电池个数。

术语解释：

荷电状态(soc)：使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0到1，当soc＝0时表示电池放电完全，当soc＝1时表示电池完全充满。其英文，soc(stateofcharge)。

共享电池站(sbs)：本文提及的是一种集电动汽车电池交换设施，通过所设计的调度策略控制电池充放电。顾客可以通过官方app发出电池申请，然后控制中心分配电池，顾客将自己的低电量的电池与共享电池站的高电量电池进行交换，依据电池电量差额进行收费。其英文，sbs(sharedbatterystation)。