电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，采用多层级多目标控制策略，电动汽车有序充电和充放电控制策略根据控制主体和控制目标的不同划分为多个层级。当电动汽车接纳多个主体的控制以实现各个层级的控制目标时，各层级将受到上级和下级控制目标的约束。各控制层级同时存在时，各层控制的范围、控制的目标存在相互的约束关系。本发明的有序充电控制方法实现电动汽车有序充电及电网的互动，减少电动汽车对电网的不利影响，同时利用电动汽车充电灵活可调特性及储能能力对电网运行进行支持，可促进电动汽车充电设施的推广和应用。该方法操作简单，管理方便，性能优良，方便实用的用于电动汽车与电网互动协调的有序充电控制。
【专利说明】电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法。
【背景技术】
[0002] 规模化应用的电动汽车将对电网产生深刻的影响。一方面，不加管控的电动汽车 充电将使电网负荷峰值发生增长，降低电网可靠性和运行效率，另一方面电动汽车具有可 控负荷和储能单元的双重属性，是未来电网可以利用的重要资源。目前我国电网配电网架 薄弱，自动化程度低，调度手段落后，对广泛分布在用电侧、随机性强的电动汽车进行管理 将对电网监测、通讯和控制的能力提出挑战。认清电动汽车对电网的影响，利用智能电网技 术使电动汽车成为电网的有机部分，在电动汽车基础设施建设和规划中考虑电动汽车与电 网的互动，是在电动汽车规模化应用前景下，应采取的应对策略。
[0003] 电动汽车规模化应用下，其充电需求将对电网产生不利影响，如电动汽车充电需 求可能增加电网负荷高峰，甚至会超出局部配电网的承受能力，电网需要新增装机容量、改 造相应输配电设备，使得电网运行效率降低。电动汽车充电设施还会带来谐波、电压波动 等问题，影响公共电能质量。利用智能电网技术，电网可对电动汽车充电进行管理，避免电 动汽车充电对电网造成不利影响，同时还可利用电动汽车充电的灵活性提高电网的运行效 率，远期考虑电动汽车与电网的双向能量转换（V2G)后，电动汽车还作为分散式储能单元， 提高电网的稳定性和经济性。
[0004] 电动汽车与电网的互动方法尚未达成共识，随着研究的深入和示范工程的开展， 电动汽车与电网的互动用例也在不断地丰富当中。电动汽车与电网的互动目标、模式和控 制方法也有待进行探索。电动汽车有序充电与电网互动技术已在国内外受到了广泛关注， 总体上国内外研究处于起步和探索阶段，亟待在规模化电动汽车与电网的互动方式、控制 策略等方面进行研究，为大规模电动汽车与电网互动奠定理论及工程应用基础。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，以实现 电动汽车有序充电及与电网的互动，减少电动汽车对电网的不利影响，同时利用电动汽车 充电灵活可调特性及储能能力对电网运行进行支持。
[0006] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种电动汽车与电网互动协调 的有序充电控制方法，该方法采用多层级多目标的控制方式，所述层级按照优先级依次包 括区域电网管理层、配电网管理层、集成管理层、本地能量管理层和用户管理层，其中，区域 电网管理层的控制是在区域电网中，通过电价信号对电动汽车的充放电进行引导，帮助实 现电力供需平衡，或者通过中间平台对分散电动汽车的充放电能力进行聚合，参与广域电 网的调度运行。
[0007] 所述区域电网管理层以因系统调峰容量不足而导致的弃风电量最小为目标，建立 目标函数，约束条件来自电动汽车整体的功率上下限及整体的能量需求，该层级的控制模 型如下：
[0008]
【权利要求】
1. 一种电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在于：该方法采用多层 级多目标的控制方式，所述层级按照优先级依次包括区域电网管理层、配电网管理层、集成 管理层、本地能量管理层和用户管理层，其中，区域电网管理层的控制是在区域电网中，通 过电价信号对电动汽车的充放电进行引导，帮助实现电力供需平衡，或者通过中间平台对 分散电动汽车的充放电能力进行聚合，参与广域电网的调度运行。
2. 根据权利要求1所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于：所述区域电网管理层以因系统调峰容量不足而导致的弃风电量最小为目标，建立目标 函数，约束条件来自电动汽车整体的功率上下限及整体的能量需求,该层级的控制模型如 下：
PW为常规电源的计划出力，表示第j个时段区域电网中常规电源的总体出力； PWj为风电功率的预测值，表示第j个时段区域电网中各风电场的总体出力； ρυ为负荷预测值，表示第j个时段区域电网中的总负荷； PEVj为区域电网管理系统在第j个时段对电动汽车的总体功率调度命令； EEVn为电动汽车在η个计算时段内所需的电能总量； At为计算时段长度； η为计算时段数量； PEVft表示第j时段内电动汽车的整体功率上限； PEVnu_表示第j时段内电动汽车的整体功率下限。
3. 根据权利要求1所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于：所述配电网管理层根据配电网的运行目标对电动汽车充放电进行引导和控制，通过设 定线路下电动汽车充电站的直接管理，达到线路负荷峰谷平衡的目标；目标函数按照设定 线路各时刻负荷的方差最小建立，同样在对充电站的功率控制中，满足充电站的上下限功 率限值以及用电需求，该层级的控制数学模型为：
Ρυ表示第j个时段该线路下负荷的平均功率； PEVj为配电网管理层在第j个时段对充电站的功率调度命令； EEVn为充电站在η个计算时段内所需的电能； At为计算时段长度； η为计算时段数量； PlWMj为第j时段内电动汽车充电站的功率上限； FWmj为第j时段内电动汽车充电站的功率下限。
4. 根据权利要求1所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于：所述集成管理层接收配电网管理层对其整体的充放电控制命令，将充放电功率分配给 管辖的各个电动汽车，在一定的总功率限制下，对各用户功率限制的分配：当系统中有N个 子用户，系统的当前正向总功率限制为P s+，反向总功率限制为Ρη各子用户的充放电功率 需求分别为Pp P2, p3. .. ρν，兰
A > p.s+或
< /V时，子用户的需求受到限制，此时 按照用户的优先级进行功率分配，实现对各子用户的充电功率进行协调配置。
5. 根据权利要求4所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于，各电动汽车用户的优先级定义为：
其中，L为当前时刻； Bi为第i辆电动汽车动力电池的额定容量； Tmdi为第i辆电动汽车预期离开时刻； SOCQi为第i辆电动汽车初始荷电状态； S〇Cmdi为第i辆电动汽车目标荷电状态； 该优先级的取值范围为〇?1，值越大表明充电的优先级越高，同时放电的优先级越 低；各车辆的功率限值由优先级和系统总功率限值的乘积得出，即： pli+ = PRIiXps+ Pii-= (l-PRIi)Xps_ 其中，Pli+为充电功率限值，P+为放电功率限值。
6. 根据权利要求1所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于：所述本地能量管理层实现电动汽车与其他负荷和电源的协调运行，控制目标是保证本 地电能质量的同时，最大程度满足电动汽车用户的充电需求。
7. 根据权利要求6所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于：设定本地能量管理层所管理的微网系统包含有风电机组、光伏、电动汽车充电站及生活 负荷，以利用电动汽车充放电管理实现本地最大程度利用可再生能源发电的目标，建立微 网系统对电动汽车充电站的控制方式，该层级的控制模型如下：
pwj为第j个时段内风电机组的平均输出功率； Ppvj为第j个时段内光伏系统的平均输出功率； ρυ为第j个时段除充电站外微网系统中负荷的平均功率； PEVj为微网系统第j个时段对充电站的功率调度命令； EEVn为充电站在η个计算时段内所需的电能； At为计算时段长度；； η为计算时段数量； PlWMj为第j时段内电动汽车充电站的功率上限； FWmj为第j时段内电动汽车充电站的功率下限。
8. 根据权利要求1所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于：所述用户管理层的控制目标是保障用户的充电需求并降低充电费用，该层利用车载或 非车载智能终端实现电动汽车的充电过程优化管理；充放电控制器作为用户对车辆充放电 控制的接口，实现用户预先设定的预计充电时间、目标荷电状态参数，最终的充放电控制命 令可由充放电控制器下达给车载充放电机执行；电动汽车用户根据接收的信息结合自身的 行驶需求，按照用户层级控制方式对各种信息做出选择和响应决策。
9. 根据权利要求8所述的电动汽车与电网互动协调的有序充电控制方法，其特征在 于：电动汽车用户根据接收到的信息做出充放电决策时，包括如下两种控制方式： (1) 若电动汽车不允许向电网回馈电能，仅根据约束条件决策计算时段的充电功率，控 制目标为充电费用最低，其控制策略的数学模型为：
(2) 若电动汽车允许向电网回馈电能，根据约束条件决策在各计算时段进行充电还是 放电以及充放电功率的大小，控制目标为用户总支出费用最低，其中包括放电引起电池寿 命折损而带来的成本；此处忽略充放电功率、充放电过程等因素对电池寿命的影响，将电池 寿命折损近似为：& =
，CB为单位容量的电池价格屯为电池全寿命循环次数；同 时为了避免过度充电和放电，整个过程电池的SOC应保持在设定范围[socmin，socmax]之内， 其控制策略的数学模型为： minU =
{k.+p^u + k._p^2. - ζΒ) + c.+ {p. - Ρ.+)λ? + c._(P._ - ρ.)λ.)Μ)
其中，At为计算时段长度； N为计算时段数量； Pi为电动汽车在计算时段i的充放电功率； Tplugin为电动汽车接入电网的时刻； Tmd为电动汽车预期离开时刻； socQ为动力电池的初始荷电状态； SOCi为第i个计算时段结束时的荷电状态； socmd为目标荷电状态； P。为充电设施和车载充电机功率限制的最小值； hi为各计算时段的充电电价； c2i为各计算时段的放电电价； pi+为各计算时段的充电功率限制； Pp为各计算时段的放电功率限制； λ i为各时段违背充放电功率限制的惩罚系数； B为电动汽车动力电池容量。
【文档编号】H02J7/00GK104253470SQ201410497211
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】李洪峰, 连湛伟, 徐鹏, 邓建慎, 陈志刚, 李国杰, 杨茜, 郝战铎, 江舰, 唐宇 申请人:许继电气股份有限公司, 许昌许继软件技术有限公司