基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电系统及方法与流程

本发明涉及电动汽车充电领域，尤其涉及基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电系统及方法。

背景技术：

随着电动汽车的日渐普及，大量的家庭用电动汽车出现在道路上，这类电动汽车充电具有典型的时间特征，即充电时间集中在下班时间且位置分散于各个生活小区中。一般电动汽车家用充电桩往往和电网直连，参与小区内电网监控调度系统的电网集中调度，这种情况下，优先保障电网运行安全稳定，在大中型商业、公共设施以及居民负荷比重较高的小区，往往采用尖峰电价、可中断负荷等机制以实现削峰填谷。这对电动汽车形成群体规模效应后，集中补充电量就产生了阻碍作用。而且实际中为了平衡电网负荷，往往采用峰时电价等策略，这也为电动汽车业主充电产生了更大的开销。因此，当电动汽车形成规模化群体后，如何平衡充电与电网负荷的关系成为目前急需解决的技术问题。

中国发明专利(申请号：2014105436267，专利名称：一种需求侧负荷柔性控制方法)，该专利虽然也提出了需求侧柔性负荷的控制方法，但是并未针对电动汽车充电负荷进行分析，电动汽车按照私家车、出租车、公交车划分，其中公交车、公务车由于都是政府企业的组织行为，具备充电位置相对固定，时间也往往选择在交休班时间，比较固定集中，此时选择申请号：2014105436267专利的柔性负荷控制方法是合适的，但是，私家车、出租车具备典型的离散特征，即充电时间不固定，充电位置不固定，显然仅仅按地区划分，对供电地区所有负荷进行分级分析，此时这个负荷统计就比较困难，并不能完全的体现柔性负荷的作用。

中国发明专利(申请号：201610260754X，专利名称：基于柔性负荷的需求侧负荷调控方法及系统)，该专利虽然提出了柔性负荷的需求侧负荷调控方法，但是该专利针对的是电力供给全部来自于电网，按照用户类型优先级等条件进行用户的用电设备调控，并不涉及到例如电动汽车充电桩这一具有多电能来源条件下的负荷调度方式，尤其是该专利提供的方法仅仅是站在电网的角度，保障电网的运行，并没有站在需求侧及电动汽车业主的角度去考虑如何做到充电成本最优。

上述发明都是站在供给侧电网的角度去分析如何保证电网的负荷运行平稳，并不涉及针对电动汽车充电桩这一具有“源电合一”特征的电动汽车充电负荷的调控，尤其不涉及如何利用“源电合一”的特点实现从需求侧实现电网柔性负荷调度的方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电系统及方法，通过在小区内建设对应储能装置，建立集储、放能为一体的小区内电动汽车智能充电系统，在谷时，电价通常比较便宜，购买电能储备起来，在小区用电高峰期时优先使用储备的电能进行充电，达到降低小区电动汽车集中充电电价成本过高的功能，多余的储备电能可以作为电能来源提供方，回补电网，参与电网调度，也能达到平抑电网负荷，调节电网负荷的能力。分别从电动汽车充电需求侧和电网供给侧两个方面，双向互动，实现柔性动态负荷调节，降低了用电成本也保障了电网的负荷稳定运行，具有良好的社会效益。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电系统，包括：

小区柔性负荷充电管理系统，分别与应用服务器、数据库服务器、前置服务器和注册服务器连接，所述前置服务器与若干移动终端连接，所述注册服务器通过大并发负载均衡服务器与若干个充电桩和若干个储能柜连接；

小区柔性负荷充电管理系统用于小区用电低谷时，推送实时电价到移动终端，提醒用户购买，从小区电网中获取电量存储到储能柜中，在用电高峰时，提醒用户是否优先使用储能柜中存储的低价电能来为电动汽车充电；

所述储能柜，用于储存从小区电网中购买的电量，接受小区柔性负荷充电管理系统的调度，根据调度把电量回补到小区电网；

所述充电桩，小区内建设的电动汽车离散充电桩，单桩单冲，建设在小区私家车位或公共停车区。

所述移动终端用于远程购电、实时电价显示，储能柜剩余电量信息。

所述小区柔性负荷充电管理系统，包括：充电桩/储能柜注册模块，所述充电桩/储能柜注册模块分别与购电模块、调度模块、用电管理模块、储能调度管理模块、充电桩和储能柜连接；

所述购电模块，负责从电网购电；

所述调度模块，用来和小区电网调度计划对接，负责对小区柔性负荷充电管理系统管辖的储能柜的电能实现并网调度；

所述用电管理模块，负责离散充电桩实际的充电业务，所述充电业务包括充电桩的实际充电量，和充电桩的消费情况；

所述储能调度管理模块，负责小区柔性负荷充电管理系统所管辖的储能柜的电能变化；

所述充电桩/储能柜注册模块，负责配置管理小区内所辖的离散充电桩/储能柜，包括对充电桩/储能柜的在线的新增、下线操作。

所述应用服务器，是一套运行于小区内网的云主机系统，包括至少由多台实体服务器构成的虚拟主机系统，作为小区柔性负荷充电管理系统的运行环境；

所述数据库服务器，包括由至少两台关系数据库服务器构成的数据库集群，所述关系数据库服务器用于记录小区内储能柜、充电桩的台账信息和小区内电动汽车用户信息；

所述大并发负载均衡服务器，用来接受注册服务器下发的命令，调节储能柜和充电桩之间的负载；

所述前置服务器，用于连接小区内网和公共互联网；

所述注册服务器，是用来管理小区内所有的离散充电桩、储能柜，建立和小区内所有充电桩、储能柜的通信，实现对充电桩和储能柜的动态管理，所述动态管理包括新增、失效、移除；同时接受小区柔性负荷充电管理系统的指令，实现对充电桩电力调度及回补电网操作。

所述应用服务器和数据库服务器构成小区内使用的柔性负荷充电管理系统后台运行端，是小区柔性负荷充电管理系统的业务处理单元。

基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电方法，包括以下步骤：

步骤(1)：建立小区内电动汽车需求侧模型；

步骤(2)：对步骤(1)建立的小区内电动汽车需求侧模型进行模型训练，得出未来某个时刻的预估电动汽车数量和预估小区电动汽车需要用到的充电总电量；分别进入步骤(3)和步骤(4)；

步骤(3)：利用步骤(2)得到的预估小区电动汽车需要用到的充电总电量，计算出小区内需要建设的储能柜数量，建设小区内电动汽车充电用储能柜；进入步骤(5)；

步骤(4)：利用步骤(2)得到的预估电动汽车数量，计算出小区内需要建设的充电桩数量，按照充电桩数量建设小区内的充电桩；进入步骤(5)；

步骤(5)：储能柜和充电桩作为源电合一的设备，通过小区柔性负荷充电管理系统与小区电网相连，构建双向主动响应的柔性负荷机制，既能通过正常的买电，使用和储备来自小区电网的电能，也能在满足自身充电需求的情况下，把多余电能贡献出来，参与小区电网的调度。

进一步的，所述步骤(1)的小区内电动汽车需求侧模型如下：

式中为t时的非累计电动汽车数量；N(t)为t时的累计电动汽车数量；m是小区潜在可容纳电动汽车数量最大潜力；p为外部影响系数或创新系数、q为内部影响系数或模仿系数。

进一步的，步骤(2)按照“单桩单冲”的小区离散充电桩建设模式，小区内最大充电能力满足公式：

其中S是预估小区电动汽车需要用到的充电总电量，n为某时段小区内电动汽车数量，C为一小时充电所用电量，t为充电时间，不影响结果的情况下，为方便计算，t取9小时，C*t为一辆车充满电需要用到的电量，累积相加得到小区在某时段n辆车充满电需要用到的总电量。

进一步的，步骤(3)利用步骤(2)得到的预估小区电动汽车需要用到的充电总电量，

首先计算出小区储能柜需要储备的电量：

小区储能柜需要储备的电量为预估小区电动汽车需要用到的充电总电量乘以需要储备的电量比例参数75％。

然后根据不同型号的储能柜的储能量，计算出符合小区实际情况的储能柜数量。

进一步的，步骤(5)在用电低价时，小区柔性负荷充电管理系统通过移动终端提醒业主购买电量，此时业主购买的电量会存储在充电桩中，在用电高峰或用电高价时，电动汽车充电会优先使用储能柜中的电量。

本发明的有益效果：

1以电动汽车充电为代表的电力高峰负荷的迅猛发展增加了电网调度运行的难度，在以往“源-网-荷”互动环境下，电力需求侧的负荷特性及行为特征很大程度上影响着电网的安全稳定性。本发明充分利用小区内储能柜、充电桩具备的源电合一特征，通过小区柔性负荷充电管理系统与小区电网相连，构建能双向主动响应的柔性负荷机制，既可以通过正常的买电，使用和储备来自小区电网的电能，也可以在满足自身充电需求的情况下，把储能柜中多余的电能主动回补小区电网，参与小区配电网的调度。

2以往为了保障电网负荷的平稳运行，往往采用错峰用电的方式，例如限电，集中调度等调控手段，本发明从需求侧方面考虑，提供了电动汽车业主充电花费的最优机制，充分利用电网峰谷电价，通过新建储能柜，储备自用电能，在谷时大量的储备电能，峰时则可以避免电网调度的影响，保障电动汽车充电业务的正常进行，既降低了业主的电动汽车充电花费，又避免了以往常见的错峰用电而造成的电动汽车无法及时补充电能的尴尬。

附图说明

图1为本发明的小区柔性负荷充电管理系统系统结构图；

图2为本发明的基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电系统网络拓扑图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电系统包括充电桩，储能柜，移动终端，应用服务器，大并发负载均衡服务器、前置服务器、数据存储服务器。

所述充电桩特指小区内建设的离散充电桩，具备“单桩单冲”的特征，一般建设在小区私家车位、公共停车区等位置。

所述储能柜类似于一个集中储能系统，它把业主在低电价时购买的电量存储起来，和小区内充电桩直连，控制中心能够把这些储能电量调度到具体的充电桩。

所述应用服务器是一套虚拟云主机系统，包括至少由多台实体服务器构成的虚拟主机，用于小区内购电、储能管理、调度等业务运行；

所述前置服务器包括多台用于接入公共互联网平台的前置服务器，前置服务器实现把处在小区内网的购电服务接口注册到公共物联网上，供前段APP使用。

所属大并发负载均衡服务器用来调节储能柜和购电储能之间的负载。

所述数据存储服务器包括由至少两台关系数据库服务器构成的数据库集群，所述关系数据库用于记录小区内储能柜、充电桩的台账信息、小区内电动汽车用户等信息；

所述储能柜、充电桩注册服务器用来管理管理小区内所有的离散充电桩、储能柜，能够实现对小区内所有充电桩、储能柜的物联连接。同时和小区电网调度计划相连，作为小区储能柜和电网调度计划的枢纽，接受电网下发的调度指令。

所述移动终端提供对小区内电动汽车充电系统的远程管理功能，包括远程购电、实时电价显示，储能柜剩余电量等信息。

充电柜，充电桩，小区电网调度计划都和小区柔性负荷充电管理系统双向互动，充电柜、充电桩和小区柔性负荷充电管理系统双向互动，接受系统管理并反馈给管理系统自身状态。小区电网调度计划都和小区柔性负荷充电管理系统双向互动，参与小区电网负荷调度，接受下发的负荷调度命令。移动终端是小区柔性负荷充电管理系统的远程管理端，提供实时购电，共用充电桩状态，储能柜状态等信息。

为了达到电网和充电桩柔性负荷双向互补的效果及业主充电花费最优的角度。储能柜采用普通的家用储能柜即可。

所述移动终端绑定自建或某个公共离散充电桩，直接和小区柔性负荷充电管理系统连接，能够实时显示当前充电用电价，提供远程预约服务，在低价时，提醒业主可以购买电量，此时购买的电量会存储在充电桩储能系统中。高价时或充电桩非空闲时提示业主，合理安排充电行为。

如图2所示，小区柔性负荷充电管理系统内部结构图，包含购电模块，调度模块，用电管理模块，储能调度管理模块，充电桩/储能柜注册模块。其中购电模块负责从电网购买电能；调度模块用来和小区电网调度计划对接，负责对系统管辖的储能柜的电能实现并网调度；用电管理模块负责离散充电桩实际的充电业务的管理，例如某桩充了多少电，花费多少等等；储能管理模块负责管理系统所辖的储能柜的电能变化；充电桩/储能柜注册模块负责配置管理小区内所辖的离散充电桩和储能柜，包括对充电桩或储能柜的在线的新增、下线等操作。

如图3所示，是基于需求侧柔性负荷的小区内电动汽车充电系统运行流程图，其工作步骤如下：

(1)建立小区内电动汽车需求侧模型；小区内电动汽车需求侧模型如下：

式中为t时的非累计电动汽车数量；N(t)为t时段的累计电动汽车数量；m是小区

潜在可容纳电动汽车数量最大潜力；p为外部影响系数或创新系数、q为内部影响系数或

模仿系数。

(2)对该模型，进行模型训练，得出截止未来某个时段估算的电动汽车数量、充电桩数量、电网负荷，需要用到的充电电量；

其中创新系数p能够体现能够快速接受电动汽车消费者的数量.p在0.00～1.00之间，该数值越接近于1表示创新者接受电动汽车的速度越快。由于电动汽车属于新兴产业，历史销售数据不足，因此，本发明选取普通家用汽车销量的情况，p的经验值集中在0.0l～0.03171之间，结合我国电动汽车的发展情况选取(2010-2015)年的数据，估算截止到2020年，在基准油价以2010年油价为基准的条件下，P值为0.0129。

模仿系数q能够体受电动汽车业主口碑影响的电动汽车消费者的数量。q也在0.00～1.00之间.该数值越接近于1表示电动汽车在潜在用户群中的扩散越快。类似于p的选取，q也选普通家用汽车销量的情况，参考济南市电动汽车小区渗透率，选取(2010-2015)年的数据q的经验值集中在0.3～0.7之间，结合我国电动汽车的发展情况选取(2010-2015)年的数据，估算截止到2020年，在基准油价以2010年油价为基准的条件下，q值为0.5057。

小区用离散充电桩要求满足《NB_33002_2010电动汽车交流充电桩技术条件》标准中规定的额定电压，额定电流的规定。为了模型训练上的方便，在不影响最终结果的基础上，广泛采集现有离散充电桩参数的基础上，可设小区电动汽车充满电平均耗时9个小时，结合离散充电桩自身的最大功率，两者相乘，累加计算结果可算出为满足小区充电的情况，预估需要用到的充电电量。

(3)利用步骤(2)中得到的预估小区电网负荷量，规划建设小区内的储能柜；

(4)利用步骤(2)中得到的预估电动汽车数量，计算出小区内需要建设的充电桩数量，按照充电桩数量，建设小区内的充电桩；

(5)利用储能柜、充电桩作为源电合一的设备特性，通过小区柔性负荷充电管理系统与小区电网相连，构建能双向主动响应的柔性负荷机制，既可以通过正常的买电，使用和储备来自小区电网的电能，也可以在满足自身充电需求的情况下，主动回补小区电网，参与小区电网的调度。

充分利用电网峰谷电价机制，显示实时电价，能够实时显示当前充电用电价，提供远程预约服务，在低价时，提醒业主可以购买电量，此时购买的电量会存储在充电桩储能系统中。峰时高价时，优先使用储能柜中的电量，不足时，提示车主合理安排充电行为。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。