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电动汽车充电站功率控制策略的研究

2019-05-26 11:47编辑:admin人气:


1 引言

  电动汽车以电池作为能源,具有节能、无污染、零排放等特点,逐渐成为世界上各个国家关注的焦点之一[1]。假设每辆电动汽车充电功率为10kw,在最极端的情况下,如果6000万辆电动汽车同时充电,则峰值充电功率将达到6亿千瓦,将达到2030年全国预计总装机容量23.2亿千瓦的26%[2]。当电动汽车的数量达到一定规模后,如果任由电动汽车大规模的无序充电,巨大的充电功率将形成冲击性负荷,产生的扰动将会对电网形成巨大的冲击,负荷的巨大变化使得电网的频率、电压产生波动,从而影响电网的稳定。

  文献[3]研究了利用光伏发电的电动汽车充电站,有效利用太阳能,与电网互补为电动汽车提供充电服务,能在一定程度上减轻电网的负担。文献[4]研究了利用超级电容来缓冲充电能量的充电站,也可以在一定程度上可以减小充电对电网的冲击,但是利用超级电容不仅增加了建设成本,缓冲的能力也是有限度的。文献[5]对充电站内汽车的等待时间进行了统筹规划,但是却没有给出从功率角度分析充电对电网的影响。文献[6-10]对充电站的监控管理进行了研究,但是它们均立足于如何高效运转一个充电站,将电网认为能够提供足够能源的一个无穷大系统,不符合实际的需要。文献[11]针对快速脉冲充电的方式探讨了灵巧潮流控制的充电站,均衡充电功率,该作者也认为应将充电站纳入坚强电网中,形成有机整体。本文通过以上研究成果,探讨将充电站纳入电网调度体系中,电网调度部门根据电网状态向充电站发送限定功率,充电站通过自己的功率控制策略实现总功率可控状态下的充电,降低充电站充电工作对电网的影响。

2 充电站功率控制策略

  在用电高峰时期,电网调度部门将提供一个充电站可消耗的功率值,其可能低于充电站的装机容量,在输出总功率不允许超过限定值的情况下,充电站将如何分配被限制的总功率。

  2.1充电站功率控制系统结构

  充电站的功率控制系统结构如图1所示。

  根据图1中所示,充电站功率控制策略是通过对接入充电机的电动汽车充电功率的预测,再对充电机的输出能力进行统计,根据电网调度给定的限定值和当前输出来制定相应的分配策略,从而实现充电站充电总功率的控制。在充电站功率控制策略的目标都将是充电站输出总功率不超过电网调度部门发送的限定值的基础上提出了平均分配方式下的功率控制策略、基于充电时间最短的队列功率控制策略和基于利用率最大的协调功率控制策略三种控制方式。

  2.2平均分配方式下的功率控制策略

  为了使充电站的总功率不超过电网设定的限定值,最简单的方式是采取平均分配进行充电站的功率控制,即将充电站允许消耗的总功率平均分配至每台充电机,达到限制总功率的目的。

  (1)这种控制方法简单,但是存在很多的不足,它即没有考虑充电机是否有电动汽车接入的状态,也没有考虑不同电动汽车不同的充电需求,电网限定功率的利用率显然不高,单台车辆也可能不能够获得足够的充电功率。

  2.3基于充电时间最短的队列功率控制策略

  采取类似于银行、加油站等服务机构的先到先服务的态度,如图2所示。将待充电的电动汽车形成队列,在输出不超过限制总功率的情况下按照队列顺序,逐步完成充电业务,充电过程中满足每一个充电用户的充电功率,让每一辆电动汽车的时间最短。

  当有电动汽车进入充电站并接入充电机,充电站便将接入的电动汽车进行排队,队列长度为充电站的充电机数目。依次采集所有待充电汽车的相关信息,预测车辆的最大充电功率,分配时将队列前充电功率预测值之和不超过电网限定值的汽车纳入充电队列,进行充电工作。剩余电动汽车进入等待队列进行排序,用户可以选择等待或是离开。当有车辆完成充电时,等待队列中的车辆按照顺序依次加入充电队列,直至完成队列中所有电动汽车的充电工作。

  图3为充电站队列服务功率控制总流程。

  将正在为电动汽车进行充电工作的充电机分为恒流充电阶段的充电机和恒压充电阶段的充电机,对于恒流充电阶段的充电机,由于其充电功率处于上升的趋势,其分配功率为其预测的最大充电功率,对于处于恒压充电阶段的充电机,由于其充电功率处于下降的趋势,为了有效利用可支配的功率,在这一控制周期内将其分配功率设置为当前输出功率,在其输出功率不断下降的过程中不停改变其分配量,使得剩余可利用的功率尽量最大,有利于等待队列的车量的迅速加入充电队列,加快充电进程。

  当电网的限定功率下降时,对已分配功率设置一个比例系数(0《《1),所有充电功率将当前分配按照某一百分比下降,使分配总功率不超过电网限定功率。当电网限定功率增大或是有车退出充电时,存在剩余可支配的充电功率,则先将逐步恢复至1再进入队列功率控制流程,处理等待队列中和新加入的车辆。控制过程中如果分配功率已被降至某一最小阈值,则认为该车已完成充电过程,使其退出充电队列。

  2.4基于利用率最大的协调功率控制策略

  如果充电站有闲置的充电机,当有电动汽车进入充电站要求充电时,应当立即为其提供充电服务,由此增加的充电功率纳入到充电站的统一的协调功率控制中,协调功率控制方式的示意图如图4所示。

  在充电站消耗总功率被限制的情况下,充电站在进行分配时,采取集中协调方式,最大化的利用可支配的功率。与此同时,保证尽可能多的充电机处于工作状态,减少等待电动汽车的数量。另外,充电站仍需将电网调度部门发送的限定值,以较为合理的方式分配至每一台充电机。

  在协调功率控制方式下,在电动汽车接入充电机需要充电时,如果充电功率不超过电网的限定值,则该电动汽车按照既定的充电方式进行充电。如果新加入的车辆充电或是电网调度值的变化,使得充电站的总功率超过电网的限定值,则所有充电的车辆应该以某种方式进行降功率充电。如果某辆电动汽车结束充电或是电网调度部门发送的限定值变大,则所有功率被限制的充电机均可获得提升充电功率的空间。总之,保证所有接入充电机的电动汽车都能够充电的同时,充电站的充电总功率不超过限定值。

  

  式中,pm(i)为每台充电机的功率需求。对于恒流状态的充电机,其值为usetiset,对于恒压充电状态的充电机,其值为当前输出功率po。

  在协调功率控制中,分配的方式为按需分配,即只要有充电需求,则为其分配充电功率。但是如果一直有大功率的电动汽车轮流充电,小功率的电动汽车获得的功率将一直处于很小的状态,充电时间变得很长,因此在执行按需分配时,需将已经充电的时间作为一种权衡分配量的因素之一,根据实际情况,可对已充电的时间设置一个权系数,使已经充电很长时间的电动汽车获得相对较多的分配功率,让其迅速完成充电工作。

3 充电站仿真平台的搭建与实验

  假定电网的限制功率为40kw,场内三台充电机均有电动汽车接入。充电机一对应的电动汽车其预测的最大充电功率为20kw,当前状态为恒流阶段。二号充电机已经处于恒压充电阶段,当前输出功率为10kw。三号为有新车刚接入的充电机,其预测充电功率为15kw。三种控制策略下的仿真结果如图5所示。

  图5中(a)为平均分配方式下仿真的输出结果,充电站总消耗功率处于下降的状态,最大时只达到30kw左右,显然利用率较低。

  图5中(b)为队列功率控制方式下仿真的输出结果,充电机一的功率需求为20kw,充电机二的恒压输出功率为10kw,之和小于40kw,故均进入充电队列,同时分别分配20kw和10kw的充电功率。充电机三的功率需求为15kw,而限定功率只剩余了10kw,不足以让充电机三进行充电,用户选择了等待,进入了等待队列。运行到60s左右时,由于2号充电机的功率一直处于下降的趋势,出现了足够的可支配功率,三号充电机进入才进入工作状态。整个过程充电的总功率未超过电网的限定值,达到了功率控制的目的,且利用率相对较高。

  图5中(c)为根据图中曲线显示,三台充电机从一开始均处于工作状态,二号恒压充电阶段的充电机仍然保持原来的趋势进行其充电过程。一号与三号充电机的分得的充电功率均低于其最大功率需求值,但充电站的输出总功率较前面两种方式较大,达到了利用率高的目的。整个充电过程三台充电机均处于协调降功率工作状态,充电站总功率未超过电网的设定值,达到了协调功率控制的目的。

  对比三种分配策略仿真得出的功率波形,从限定功率的利用率来讲,三幅充电站总功率输出波形中,协调功率控制总的输出功率明显大于前两种分配方式,验证了协调功率控制策略下限定功率利用率最大的结论。从单台充电机的充电时间上来讲,一号充电机的区别最为明显,显然在队列功率控制的方式下,一号机充电机最快从恒流充电阶段进入恒压充电状态,二号充电机由于已经处于恒压充电阶段均无区别,三号充电机在队列功率控制策略下由于等待了60s,它的充电显得时间长了一点,但也进入了恒压充电阶段,总的说来,验证了在队列功率控制策略下单台充电机的充电时间最短,以及协调功率控制策略,可利用电能利用率高的结论。

4 结束语

  本文通过对简单的平均分配方式下的功率控制策略以及较为复杂的队列功率控制策略和协调功率控制策略分析和仿真,验证了三种控制策略都能实现了在确保充电站总功率不超过电网限定值的情况下为电动汽车进行充电工作,同时也验证了后两种控制策略在应用的一些优势。

(来源:未知)

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