董伟杰，崔全胜，郝澜欣，王义龙，刘国琳
（1.北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192；
2.特变电工科技投资有限公司，天津 301799）
随着世界经济的快速发展和人类对能源需求的不断增长，不可再生能源被大量消耗，产生大量的环境污染［1-2］。机动车辆已经成为生产生活中不可或缺的一部分，使用燃油车无疑会增加CO2的排放［3］。虽然新能源发电被越来越多地引入电网，如光伏发电，风力发电等［4］，但由于二者的功率输出是随机波动的，会对电力系统造成影响，产生电能质量问题［5］。因此，减少燃油车的使用，从燃油动力汽车转向电动汽车（Electric Vehicle，EV）是解决汽车造成的环境污染的有效手段［6］。当前电网系统的有序充电对智能电网的发展起着越来越大的作用［7］。随着EV 的大规模使用，有序充电对电网及分布式能源的重要性日益增强［8］，需要解决EV充电问题。
目前针对EV 充电的研究内容主要涉及充电负荷预测［9］、V2G［10-11］、EV 参与辅助服务［12］、配电网规划［13］、充电站规划［14］等，也有一些学者对EV 充电分层分区调度策略进行了研究［15-17］。
居民小区具有用车规律性强、可控性强、方便调研等优势，因此将居民小区作为研究对象，针对EV 在居民小区充电过程中随机停放且无序充电对电网系统产生的严重隐患及充电间时过长的问题，提出一种采用延迟充电的EV有序充电控制策略。
1.1 EV有序充电控制架构
EV 充电将成为居民区电力需求的重要组成部分，需要从配电网规划原则和负荷分布的影响等方面展开研究。结合概率收费模型和电力消费数据，在标准中定义的不同充电功率下，随机模拟不受控制、限制和价格优化的EV 充电产生的影响［18］。将大量EV 推迟至用电谷时段进行充电以减小EV 充电对小区变压器的冲击，并且考虑到分时电价可减少用户充电费用，提高经济性，保证EV 与电网的协调互动发展。EV有序充电控制架构如图1所示。
图1 EV有序充电控制框架Fig.1 EV orderly charging control framework
1.2 延迟充电的充电变量定义
EV返回后驻车时长的计算方法为［19］
式中：TS为用户驻车时长，h；
tout为用户外出时刻；
tback为用户返回时刻。
EV结束充电时刻tover的表达式为
式中：tstart为充电开始时刻；
Tcha为充电时长，h。
设t时刻共有m辆EV 进行充电，则EV 充电总功率Pt，EV和功率Pa.t的表达式为
式中：PEV为EV荷电功率。
式中：Pmax为功率限值，kW；
Pload为除EV 充电之外的日常负荷，kW。
EVi进行有序充电的优先级计算方法为
式中：γ为EV充电优先级。
在设计EV的充电优先级时，设置当γ=1时的优先级最高，EV 最优先进行充电；
当γ=0 时的优先级最低，EV 最后进行充电。为了让EV 在车主离开小区时处于满电状态，需要设置车主的优先级γ=1，确保EV电池状态达到满电状态。
1.3 有序充电策略具体执行方式
EV 有序充电设计最重要的部分是对延迟充电条件的设置，通过对满足条件的EV 延迟充电且不影响用户的期望充电量为基础，完成对居民小区EV有序充电的控制。当用户把EVi连接到充电桩时，可通过充电桩的人机交互界面对EV 的期望荷电状态、用户预计离开时刻进行设定。充电桩通过充电控制系统获得EVi的电池信息，并将EV 的充电负荷信息上传至有序充电控制器，有序充电控制器获得各个EV 的充电负荷信息后对EV 的充电进行控制，其实施流程如图2所示，具体如下。
图2 采用延迟充电的EV有序充电流程Fig.2 EV orderly charging process with delayed charging
（1）在t时刻将已经充电完成的EV 从计算充电序列中剔除。
（2）检测有无EV 接入，若有则判断是否符合延迟充电条件，若无EV接入则转入步骤（4）。
（3）延迟充电条件：EV 离开时刻在谷时段开始之后，且用户返回时刻到最迟充电完成时刻的时长大于EV 充电所需时间。若上述延迟充电条件均满足则EV 进入有序充电控制器的充电等待序列中，否则立即对EV 充电以保证充电结束时的电池电量最大程度接近用户期待荷电。
（4）有序充电控制中台采集t时刻该小区实时负荷信息，寻找充电等待序列优先级最高的EV。
（5）若EV 充电优先级γ=1，则有序充电控制器对充电桩下达命令使其对EV 进行充电，若充电优先级γ≠1，则采用当日制定的功率限制值计算t时刻功率裕度判断功率裕度是否大于EV充电功率。
（6）若功率裕度大于EV 充电功率则对EV 进行充电，记录开始时间，计算结束时间，并更新功率裕度，继续寻找本时刻最高优先级的EV，判断是否可以进行充电，直到充电优先级γ≠1 且功率裕度小于EV 充电功率（判定优先级γ=1 的逻辑为：当EV 在t时刻到最迟完成充电时刻等于充电所需时长时开始充电、当停留时长等于充电时长时开始充电。其他充电优先级γ≠1的车辆均根据功率裕度判断是否进行充电）。
（7）判断t时刻是否晚于谷时段开始时刻，是则结束循环，控制结束，否则重新执行步骤（1）。
为更加直观地展现上述过程，通过问卷收集了15条居民小区EV充电数据，见表1。
表1 居民小区EV充电数据Table 1 EV charging data of a residential area
假设该小区的峰谷时段为21：00至次日08：00。在不考虑功率限制、仅满足优先级但不具体根据优先级进行有序充电的情况下，对上述控制逻辑进行简单的模拟，结果如图3所示，并与即充即走的无序充电模式进行对比。图3中蓝色为EV 充电时间，红色为EV 可以进行充电的时间。由图3 可见：C，G，H，I，J，K，L 号EV 均可在峰谷时进行充电。但由于没有有序充电策略的帮助，导致原本可以延迟充电的EV 在到达小区时就立即开始充电，导致用电高峰时有大量EV 接入电网进行充电，给小区的变压器带来很大的负担，甚至会产生安全隐患。
图3 即充即走的无序充电模式Fig.3 Disordered plug‑and‑charge mode
如果采用有序充电策略，如图4 所示，21：00 前用电高峰阶段进行充电的EV 数量明显减少，从9辆减少为5 辆。同时，21：00 后用电峰谷时段的充电EV 由3 辆增加至7 辆，显著降低了用电高峰期的变压器负荷，同时利用夜晚用电谷时段进行充电，达到了削峰填谷的目的。
图4 有序充电模式Fig.4 Orderly charging mode
对提出的EV 有序充电策略进行试验算例分析，并利用仿真结果证明有序充电策略的有效性。
2.1 参数设置
为进行仿真分析，通过问卷调查获取小区EV回到社区的时间如图5所示。所采访小区的用电负荷高峰出现在20：00，功率峰值约900 kW，其次为12：00，功率峰值约600 kW。EV 返回后电池平均剩余容量为50%。通过问卷获取EV 离开社区的时间和EV充满电所用时间分别如图6及图7所示。
图5 EV返回小区时间Fig.5 Arriving time of the EV （back to the residential area）
图7 EV充电时长Fig.7 Charging time of the EV
对用户充电行为进行如下假设。
（1）用户出行数据取自图5—7，共计44 辆EV，充电桩的配比为1∶1，可随时接入充电桩，等待有序充电控制器的控制。
（2）所用充电桩为慢速交流充电装置，充电功率为7 kW，谷时段为22：00—次日08：00。
（3）EV 每天返回后均进行充电，用户期望驾车离开时EV电池电量为100%。
（4）变压器的负荷红线为1 100 kW。
2.2 仿真结果
利用提出的EV 有序充电策略对案例进行仿真分析，可得出有序充电和无序充电波动曲线如图8所示。从有序充电和无序充电曲线的波动可以看出，不采用有序充电策略，EV 充电处于大规模无序状态，且EV 的充电高峰期出现在一天中的用电高峰期到凌晨。此时电网系统的用电量即为负荷的最高峰，电网系统的负荷压力也最大。
图8 EV有序充电与无序充电负荷对比Fig.8 Comparison of EV charging results taking orderly charging or disordered charging strategy
而在有序充电模式下，通过合理地安排EV 充电顺序，可有效缩短EV 充电时间，并将原本在用电高峰期充电的EV 安排到其他时间段充电，提高电网的安全运行，降低电网系统的负荷压力。
为了更直观地体现有序充电的控制效果，计算44 辆EV 在无序充电充电模式和有序充电模式下的峰谷差，结果见表2。
表2 无序充电模式和有序充电模式下的负荷对比Table 2 Comparison of the load under orderly charging or disordered charging mode
从表2无序充电充电模式和有序充电模式下负荷数据对比可见：在EV 数量相同的情况下，有序充电模式的负荷总峰值远小于无序充电充电模式时的总峰值，且无序充电充电模式已经超过负荷的红线（1 100 kW），而有序充电模式可以保证负荷的稳定性；
从负荷的峰谷差可以看出，有序充电模式的峰谷差仅为无序充电充电模式峰谷差的1/2。可见提出的基于EV 延迟充电的有序充电策略可以有效控制EV 充电安全，并达到削峰填谷、错峰充电的目的，对EV的推广具有一定的积极意义。
EV 的充电周期与人们的生活习惯密切相关。随着全国EV 保有量逐年增多，EV 大量无序充电的充电模式将对电网产生较大的影响，因此有必要对居民区的EV 充电进行合理规划，提出合理的家用EV充电策略，确保电网充电区域的安全稳定运行。
（1）从EV 充电的选择策略着手进行研究，介绍了EV 有序充电的基础理论，分析了大规模EV 充电过程中遇到的问题。
（3）介绍了EV 充电策略的理论基础，对EV 充电的模式进行了分析，然后针对居民小区EV 无序充电充电模式提出了一种基于延迟充电的EV 有序充电策略，并对充电策略的总体框架进行了分析。
（3）以实际居民小区EV 充电为例进行仿真分析，证明了本文提出的EV 有序充电策略的方法能够实现EV 有序充电，并有效降低充电总峰值，达到削峰填谷、错峰充电的目的，表明提出的有序充电策略方法设计的有效性。
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