基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法與流程
2024-03-08 19:01:15
本發明涉及電力系統的電動汽車充放電控制方法，具體涉及一種基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法。
背景技術：
隨著環境和能源問題的日益嚴峻，電動汽車憑藉其節能、環保、清潔等優勢得到了世界各國政府的普遍重視。根據國務院規劃，到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車的市場保有量將超過500萬輛，發展潛力巨大。汽車是人們日常出行的代步工具，電動汽車作為汽車的一種，其能否滿足用戶的出行需求是用戶最關心的問題。特別是純電動汽車，車載動力電池是其唯一動力來源，電池能否在可充電時段內完成充電會直接影響車主的出行和生活。
當前關於電動汽車充放電控制方法的研究主要集中在充電站運行成本、充電費用以及電網負荷的優化等方面，暫時還未有關於電動汽車充電失敗風險評估的相關研究內容。當前受限於充電站的充電樁數量以及配電變壓器的容量限制，電動汽車接入充電站後不一定能全部同時進行充電。為了降低電動汽車充電失敗的次數、提升充電站運營商的客戶服務質量和電動汽車用戶的滿意度，有必要對計及充電失敗風險的電動汽車充放電控制方法進行研究。
本發明基於充電失敗風險排序方法，對充電站內電動汽車充放電過程進行有序控制。
技術實現要素：
本發明的目的在於降低電動汽車充放電過程中的充電失敗風險，提高電動汽車充電成功率，減少電動汽車不能按時充好電的次數以及缺充電量，提高充電站運營商的客戶服務質量和電動汽車用戶的充電可靠性水平。
本發明提出一種基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法，包括以下步驟：
1)獲取充電站所在配電網的網架結構和電網元件的故障率和修復時間參數，建立電動汽車充電失敗風險評估模型；
2)當電動汽車接入充電站時，獲取電動汽車的電池容量、充放電功率、接入時的荷電狀態(即電池電量佔總容量的比例)、到達時刻、預計離開的時刻以及離開時期望的荷電狀態信息；
3)充電站為用戶提供以下3種充放電方案：①立即充電；②在電價谷時段充電，但不向電網放電；③在電價峰時段向電網放電並在電價谷時段充電，由用戶選擇充放電方案；
4)根據充電失敗風險評估模型評估每輛電動汽車的充電失敗風險，並按照充電失敗風險分別對不同方案的電動汽車進行排序；
5)按照用戶所選的充電方案、分時電價、配電變壓器的容量以及排序結果控制電動汽車進行充放電。
上述的基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法中，所述的充電失敗是指電動汽車未能在離開充電站前將電池充到所需的電量。所述電動汽車的充電失敗風險評估模型為：
式(1)中：t表示當前的時刻；γi,t表示第i輛電動汽車在時刻t時的充電失敗風險；k為會影響充電站所在負荷點的供電可靠性的電網元件數量；tc,i,t表示第i輛電動汽車在t時之後的可充電時間；tn,i,t表示第i輛電動汽車在t時之後的需充電時間；tr,k表示第k個元件的平均故障修復時間；λk表示第k個電網元件的平均故障率。
式(1)中：tc,i,t和tn,i,t的計算方法分別如式(2)和式(3)所示：
tc,i,t＝tl,i-t(2)
tn,i,t＝(soci,l-soci,t)qi/pi(3)
式(2)和式(3)中：tl,i表示第i輛電動汽車的預期離開時間；soci,l表示第i輛電動汽車離開時期望的電池荷電狀態；soci,t表示第i輛電動汽車在時間為t時的荷電狀態；qi表示第i輛電動汽車的電池容量；pi表示第i輛電動汽車的充放電功率。
上述的基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法中，所述的按照充電失敗風險對待充電的電動汽車進行排序，具體實現步驟包括：
i.選擇充電方案1的電動汽車按照充電失敗風險由高到低進行排序；
ii.選擇充電方案3的電動汽車在電價峰時段按照充電失敗風險由低到高進行排序，並將充電失敗風險高於某一限定值λmax的電動汽車歸入充電失敗風險過高集合h；
iii.選擇充電方案2和3的電動汽車在電價谷時段按照充電失敗風險由高到低統一進行排序。
上述的基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法中，所述的按照用戶所選的充電方案、分時電價、配電變壓器容量以及排序結果控制電動汽車的充放電，具體包括以下步驟：
i.對於選擇方案1的電動汽車，在滿足配電變壓器容量約束條件下，按照步驟4)的排序結果控制電動汽車進行充電，其中配電變壓器容量約束如式(4)所示：
式(4)中：lt為在時間為t時配電變壓器所接的除充電站外的其它所有負荷；nt為在時間為t時接入充電站的電動汽車數量；si,t為第i輛電動汽車在時刻t的充放電狀態，si,t＝1表示處於充電狀態，si,t＝-1表示處於放電狀態，si,t＝0表示處於非充放電狀態；pt為配電變壓器的最大負載功率；
ii.對於選擇方案2的電動汽車，待到電價谷時段開始後，在滿足配電變壓器容量約束條件下，按照步驟4)的排序結果控制電動汽車進行充電；
iii.對於選擇方案3的電動汽車，在電價峰時段根據電網需要優先安排充電失敗風險低的電動汽車向電網放電，其中集合h內的電動汽車不參與放電；在電價谷時段，在滿足配電變壓器容量約束條件下，按照步驟4)的排序結果控制電動汽車進行充電。
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
(1)提出了充電失敗風險的概念，並在電動汽車充放電過程中予以考慮，相比於現有的充放電控制方法，能夠降低電動汽車充電失敗的次數和缺充電量，避免電動汽車因充電失敗而影響車主的日常出行，提高電動汽車用戶的使用體驗和滿意度。
(2)能夠在滿足配電網容量約束的條件下，給電動汽車用戶更多的充放電方案選擇，提高充電站對電動汽車充電的成功率和客戶服務質量。
附圖說明
圖1是基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法的流程示意圖。
圖2是具體實施例的電網架構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本發明的具體實施方式做進一步說明，但本發明的實施和保護不限於此。
圖1反映了基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法的具體流程，包括以下步驟：
1)獲取充電站所在配電網的網架結構和電網元件的故障率和修復時間參數，建立電動汽車充電失敗風險評估模型，如下所示：
式(1)中：t表示當前的時刻；γi,t表示第i輛電動汽車在時刻t時的充電失敗風險；k為會影響充電站所在負荷點的供電可靠性的電網元件數量；tc,i,t表示第i輛電動汽車在t時之後的可充電時間；tn,i,t表示第i輛電動汽車在t時之後的需充電時間；tr,k表示第k個元件的平均故障修復時間；λk表示第k個電網元件的平均故障率。
式(1)中：tc,i,t和tn,i,t的計算方法分別如式(2)和式(3)所示：
tc,i,t＝tl,i-t(2)
tn,i,t＝(soci,l-soci,t)qi/pi(3)
式(2)和式(3)中：tl,i表示第i輛電動汽車的預期離開時間；soci,l表示第i輛電動汽車離開時期望的電池荷電狀態；soci,t表示第i輛電動汽車在時間為t時的荷電狀態；qi表示第i輛電動汽車的電池容量；pi表示第i輛電動汽車的充放電功率。
2)當電動汽車接入充電站時，獲取電動汽車的電池容量、充放電功率、接入時的荷電狀態(即電池電量佔總容量的比例)、到達時刻、預計離開的時刻以及離開時期望的荷電狀態信息；
3)充電站為用戶提供以下3種充放電方案：①立即充電；②在電價谷時段充電，但不向電網放電；③在電價峰時段向電網放電並在電價谷時段充電，由用戶選擇充放電方案；
4)根據充電失敗風險評估模型評估每輛電動汽車的充電失敗風險，並按照充電失敗風險分別對不同方案的電動汽車進行排序，具體排序步驟如下所示：
i.選擇充電方案1的電動汽車按照充電失敗風險由高到低進行排序；
ii.選擇充電方案3的電動汽車在電價峰時段按照充電失敗風險由低到高進行排序，並將充電失敗風險高於某一限定值λmax的電動汽車歸入充電失敗風險過高集合h；
iii.選擇充電方案2和3的電動汽車在電價谷時段按照充電失敗風險由高到低統一進行排序。
5)按照用戶所選的充電方案、分時電價、配電變壓器的容量以及排序結果控制電動汽車進行充放電，具體包括以下步驟：
i.對於選擇方案1的電動汽車，在滿足配電變壓器容量約束條件下，按照步驟4)的排序結果控制電動汽車進行充電，其中配電變壓器容量約束如式(4)所示：
式(4)中：lt為在時間為t時配電變壓器所接的除充電站外的其它所有負荷；nt為在時間為t時接入充電站的電動汽車數量；si,t為第i輛電動汽車在時刻t的充放電狀態，si,t＝1表示處於充電狀態，si,t＝-1表示處於放電狀態，si,t＝0表示處於非充放電狀態；pt為配電變壓器的最大負載功率；
ii.對於選擇方案2的電動汽車，待到電價谷時段開始後，在滿足配電變壓器容量約束條件下，按照步驟4)的排序結果控制電動汽車進行充電；
iii.對於選擇方案3的電動汽車，在電價峰時段根據電網需要優先安排充電失敗風險低的電動汽車向電網放電，其中集合h內的電動汽車不參與放電；在電價谷時段，在滿足配電變壓器容量約束條件下，按照步驟4)的排序結果控制電動汽車進行充電。
以下是本發明方法的一個實際算例，圖2顯示了該配電網的拓撲結構，其中lp20為電動汽車接入的住宅小區負荷點。根據實際情況和電動汽車的發展前景，對電動汽車仿真參數作如下假設：1)電池容量為24kw·h；2)採用恆功率充放電模型，功率為3kw，效率為95％；3)配電變壓器容量為750kva，日負荷曲線如表1所示，最大負荷率為80％；4)lp20共接入170輛電動汽車，其中60％為方案1用戶，25％為方案2用戶，15％為方案3用戶；5)分時電價為07:00—23:00為高峰電價1.0064元/(kw·h)，23:00—次日07:00為低谷電價0.2495元/(kw·h)，電動汽車放電電價為高峰電價的80％。
圖2所示的網架結構中，各元件故障率參數如表2所示，假定故障隔離及負荷轉供的開關切換時間為1h。
表1日負荷變化曲線(時間間隔為15min)
表2電網元件可靠性參數
基於本文所提的基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法對lp20的電動汽車進行控制，與未實施本文所提的充放電控制方法進行對比，選擇不同充放電方案的電動汽車的年均缺充電量指標如表3所示。
表3電動汽車年均缺充電量指標
由表3可以看出，實施所提的基於充電失敗風險排序的電動汽車充放電控制方法後，每輛電動汽車平均每年缺充電量減少11.9％，可有效降低電動汽車的充電失敗風險和年均缺充電量。