1、：基于分時電價的電動汽車有序充電控制策略設計孫曉明，王瑋，蘇粟，姜久春，徐麗杰，何宣虎（北京交通大學電氣工程學院，北京市）摘要：文中以減小電網峰谷差作為主要目標，結合電網分時電價時段劃分與局域配電網負荷波動情況，提出了電動汽車充電分時電價時段劃分方法，并建立了以用戶充電費用最小和電池起始充電時間最早為控制目標的數學模型。利用蒙特卡洛方法模擬電動汽車用戶的充電行為，對比分析了電動汽車在無序充電和有序充電模式下的仿真結果，表明：通過電動汽車響應充電分時電價，能夠有效減小峰谷差，并提高用戶滿意度。針對電動汽車用戶對有序充電的不同響應系數，仿真計算了局域配電網的負荷曲線，結果表明：受充電分時電價影響的

2、用戶越多，對于抑制因電動汽車接入而引起的局域配電網負荷的波動越有利。關鍵詞：有序充電；充電分時電價；電動汽車；蒙特卡洛模擬；避峰填谷；經濟性充電收稿日期：；修回日期：。國家自然科學基金資助項目（）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（）。引言根據國務院最新規劃，到年，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷量力爭達到萬輛；到年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力達萬輛、累計產銷量超過萬輛。由于電動汽車作為充電負荷在時間和空間上的不確定性，使得規模化的電動汽車充電給電網的運行和控制帶來新的挑戰。另一方面，電動汽車電池作為分散式的儲能裝置，若能有效利用，可以作為電網的可調度資源以平抑電網的峰

3、谷差。因此，如何通過對電動汽車充電的合理控制，規避規模化電動汽車充電給電網帶來的負荷波動，有效平抑電網峰谷差以提高電網利用效率，成為亟待解決的重要問題。針對電動汽車接入對電網負荷波動的影響，已有相關研究成果發表。文獻建立了以峰谷差率最小為目標的優化模型，采用遺傳算法對谷電價時段用戶的充電時間進行了優化求解。但該文獻未針對電動汽車在峰電價時段接入電網提出相應的充電策略。文獻分析了電動汽車用戶的使用需求，在此基礎上建立了以減小電網負荷峰谷差為有序充電調度目標的優化模型，并采用了考慮電動汽車充電不確定性的電網調度隨機最優潮流模型。但充電涉及電網和用戶兩方面，該文獻沒有太多考慮用戶的充電需求。文獻從充

4、電站運營效益的角度出發，通過動態響應電網分時電價，采用有序充電控制方法提高電動汽車充電站的經濟效益。但該文獻研究過程中假設充電電價相同且沒有考慮電網負荷波動，使大量電動汽車集中在電價相對便宜的夜間時段充電，從而導致另外一個用電高峰的出現。本文以電動私家車慢充方式為主要研究對象，在電網分時電價時段劃分的基礎上，提出充電分時電價（包括電池充電電費和充電管理費）時段劃分方法，旨在研究基于充電分時電價的電動汽車有序充電控制策略，以達到平抑電網峰谷差的目的；在保證用戶充電經濟性的前提下，安排電動汽車盡快開始充電，以提高用戶的滿意度。最后，以一個局域配電網為例，采用蒙特卡洛方法模擬用戶的充電需求，仿真分析

5、了采用有序充電策略調控前后電動汽車充電對電網峰谷差的影響；在不同的用戶響應系數下，對比分析了有序充電策略的仿真結果。電動汽車充電控制目標控制目標等效處理以減小電網峰谷差為電動汽車有序充電的控制目標，可以達到減少電網運行和投資成本，提高設備利用率的目的。由于電動汽車充電涉及電網和用戶兩方面的利益，所以有序充電控制策略不僅要能減小電網峰谷差，還要在電網穩定運行的前提下盡量滿足用戶的充電需求。電網分時電價是根據用戶需求以及電網在不同時段的實際負荷情況，將每天的時間劃分為峰、谷、平個時段，對各時段分別制定不同的電價水平，以鼓勵用戶和發電企業削峰填谷，第卷第期年月 日提高電力資源的利用效率。規模化電動汽

6、車接入電網，若制定的充電分時電價能夠有效反映電網負荷波動，則引入分時電價后，意味著用戶所付充電費用越小，則電動汽車接入電網所引起的負荷波動越小。而本文以用戶充電費用最小作為有序充電的控制目標，還可以兼顧電動汽車用戶的充電經濟性。此外，為提高用戶的滿意度，本文的另一個控制目標為電池起始充電時間最早。采取多目標的優化控制方法可以同時達到減小電網峰谷差和提高用戶滿意度的目的。充電分時電價電網分時電價是針對某一地區非特殊負荷而制定的。電動汽車接入局域配電網后，會出現局域配電網實際峰平谷負荷波動不同于電網分時電價中峰平谷時段劃分的情況。例如：電動汽車充電管理機構從電網購電的分時電價采用國內工業用電分時電

7、價劃分方式，即峰平谷分時電價時段劃分為：峰時段（：，：）；平時段（：，：）；谷時段（：）。圖為某局域配電網的典型工作日負荷曲線。可以看出，電網電價為平時段時，局域配電網負荷卻部分呈現高峰狀態，若采用電網分時電價引導電動汽車用戶充電，可能會造成大量電動汽車在負荷高峰時段充電，從而導致局域配電網出現“峰上加峰”的現象。這既不利于電網的穩定、經濟運行，也降低了設備的利用率，增大了局域配電網網損 。圖電網分時電價及電動汽車充電分時電價時段劃分如圖所示，在電網分時電價的平時段（：），局域配電網卻出現了一天中的負荷高峰。為解決這一問題，本文在電網分時電價時段劃分的基礎上，根據局域配電網的預測負荷波動情況，

8、小范圍劃分充電分時電價時段。如圖所示，將電網分時電價平時段（：）進行細分，使對應時間段內的充電電價劃分為平和峰個時段。新的劃分結果使得局域配電網的負荷波動情況與充電分時電價時段劃分基本相符。在大量電動汽車充電時，這樣的劃分方法既保證了局域配電網不出現“峰上加峰”的情況，也使得電網穩定、經濟運行。有序充電控制策略、模型及算法有序充電控制策略根據局域配電網的歷史常規負荷，可以預測當日常規負荷曲線。本文采用點日負荷曲線預測法，時間間隔為，第（，）個時段內的常規負荷大小為。慢充方式下充電機的額定充電功率均為，且充電機能夠根據程序的設定自啟動和結束充電操作。本文研究假設充電機給電動汽車鋰電池充電過程為恒

9、功率充電。設電動汽車電池容量為，充電時電池起始充電電量為，用戶到達充電地點的時間為，用戶需自行設置結束充電時的電池電量，以及取車時間，則用戶所需充電電量的計算方法如下：（）電動汽車的停留時間為：（）設第個時段內正在充電的電動汽車負荷大小為，共有臺電動汽車進行充電，則有：（）第個時段的電網負荷為電動汽車負荷與常規負荷的疊加，即（）在用戶停車的時間段（，）內，以用戶充電費用最低且電池起始充電時間最早作為充電控制目標函數，以平抑電動汽車接入給電網帶來的負荷波動，并將電網的峰谷差作為控制結果的驗證函數。充電控制目標函數如下：（）式中：為充電分時服務費。驗證函數如下：（）（）式中：（）為的方差函數。有序

10、充電負荷模型本文采用蒙特卡洛方法模擬用戶充電需求從而建立電動汽車負荷模型。蒙特卡洛模擬是一種隨機模擬方法。基于概率和統計理論，使用隨機數進行，（ ）計算機模擬或抽樣，以獲得問題的近似解。本文根據已掌握的電動汽車充電行為數據，建立了電池起始充電電量和電池結束充電電量的概率模型。根據人們的日常行為習慣服從正態分布的特點，建立了用戶到達充電地點的時間和取車時間的概率模型。然后對所得出的概率分布的概率模型進行隨機抽樣。根據，的抽樣結果可近似建立電動汽車負荷模型，從而實現采用蒙特卡洛方法模擬電動汽車用戶的充電行為。有序充電控制算法有序充電控制算法流程如圖所示。由于模擬用戶充電行為存在隨機性，所以會出現不

11、符合客觀事實的數據，使得并且。這些數據需要消除 。圖有序充電控制算法流程算例分析以圖所示局域配電網為例進行仿真分析。為與有序充電結果形成對比，首先計算無序充電情況下電網負荷曲線及其峰谷差。無序充電是指用戶來到充電地點立即開始給電動汽車電池充電，直到滿足用戶要求的電池電量時停止充電。無序充電仿真計算時，所需要的用戶到達工作區充電地點和到達居住區充電地點的時間以及電池起始和終止充電電量的概率分布都與有序充電相同。有序充電參數設置充電管理方從電網購電的電價采用國內工業用電分時電價的形式，而電動汽車充電電價采取峰、平、谷按的比例由充電管理方收取。電網分時電價和充電電價及其時段劃分見表。表電價參數設置時

12、段電網分時電價（元·（·）充電分時電價（元·（·）：電動私家車在居住區和工作區停留時間較長，可采用慢充方式充電。根據相關統計結果，用戶在工作區和居住區充電的比例分別為和。根據私家車上下班時間的出行規律，到達工作區充電及離開的時間分別近似服從正態分布（，）和（，），到達居住區充電及離開的時間分別近似服從正態分布（，）和（，）。相比之下，用戶下班后到達居住區充電的時間較為分散。本文根據電動汽車充電行為的相關統計結果設置電池容量概率分布，電動汽車用戶在電池剩余電量為時開始充電。而有的用戶會選擇一次性充滿電池，另有的用戶選擇充到電池容量的以上。本文仿真采用電動私

13、家車慢充方式，電動汽車電池容量為·，車載充電機功率為。因為用戶受充電分時電價的引導程度未知，所以引入用戶響應系數。為受充電分時電價影響能夠進行有序充電的電動私家車數量占總電動私家車數量的百分比。結果分析無序充電和有序充電結果比較圖為無序充電和有序充電時電網總負荷與常規負荷曲線。可以看出：有序充電時，白天電動汽車負荷多集中在局域配電網的平時段充電，起到“避峰”的作用；夜間電動汽車負荷轉移到負荷相對更低的谷時段進行充電，起到“填谷”的作用。仿真結果表明，相比無序充電，有序充電的峰谷差有所減小，所以充電分時電價能夠引導減小電網負荷峰谷差。由于電動汽車電池目前仍存在一些技術問題，導致電池容量

14、不能滿足用戶對續駛里程的要求。本文基于中國現有電動私家車車型進行仿真，效果一·儲能技術及其在電力系統中的應用·孫曉明，等基于分時電價的電動汽車有序充電控制策略設計般。但若假設電池技術成熟，在電動汽車規模化應用的條件下，本文的控制策略能夠有效減小電網峰谷差，仿真結果如圖所示 。圖無序充電和有序充電時電網總負荷和常規負荷曲線 圖電池容量增大后有序充電和無序充電結果對比不同用戶響應系數下的仿真結果圖為用戶響應系數，時的仿真結果（表示分別有，的用戶受充電分時電價的影響采用有序充電方式，而其余，的用戶仍采用無序充電方式）。可以看出：白天充電時間內，電動汽車負荷由局域配電網峰時段轉移到

15、平時段進行充電；夜晚充電時間內，電動汽車又由局域配電網平時段轉移到谷時段進行充電，且影響系數越大，這種現象越明顯。上述結果表明，受充電分時電價引導的用戶越多，電網負荷曲線峰谷差越小，且電動汽車充電也越經濟 。圖不同用戶響應系數下的電網負荷曲線結語本文針對電動汽車接入電網充電的模式，研究了電動汽車有序充電控制策略。該策略首先基于分時電價將用戶充電費用最小作為一級控制目標，以達到減小電網峰谷差的目的。然后將電池起始充電時間最早作為二級控制目標，以提高用戶滿意度。結合兩級控制目標從而實現多目標控制策略。該策略引導電動汽車在電網負荷非高峰時進行充電，避免了“峰上加峰”的現象，從而通過電動汽車充電實現對

16、電網負荷“避峰填谷”的作用。本文利用蒙特卡洛方法模擬電動汽車有序和無序充電行為，仿真結果表明，本文提出的有序充電策略能夠有效實現“避峰填谷”和用戶經濟性充電的雙重目標，尤其在電動汽車規模化應用后效果更加明顯。由于目前還處在電動汽車市場推廣的初期，用戶充電響應行為不確定，本文給出的不同用戶響應系數下的仿真結果具有參考意義。另外，電動汽車向電網放電模式是電動汽車接入電網的一個重要研究內容。下一步的研究思路是通過控制電動汽車放電來降低電網負荷高峰，并配合電動汽車充電，實現對電網和電動汽車之間能量雙向流動的控制以達到“削峰填谷”的目標。參考文獻中華人民共和國國務院節能與新能源汽車產業發展規劃（年）：，（）：，：，（ ），：，（）：，（）：葛少云，黃镠，劉洪，等電動汽車有序充電的峰谷電價時段優化電力系統保護與控制，（）：，（）：黃潤，周鑫，嚴正，等計及電動汽車不確定性的有序充電調度策略現代電力，（）：，（）：徐智威，胡澤春，宋永華，等充電站內電動汽車有序充電策略電力系統自動化，（）：，（）：周祖德，徐超全三段式鋰電池充電器設計武漢理工大學學報，（）：，（）：羅卓