摘 要：電動汽車及充電站近年來得到了快速的發(fā)展。充電站在為電動汽車充電時將消耗巨大的電能，如果任由眾多的充電站無序無限制地進行充電工作，將會對電網形成巨大的沖擊，從而影響電網的穩(wěn)定。從長遠來看，將充電站納入電網調度的體系，充電站根據電網調度值對站內充電機的充電功率實施控制與分配，從而降低大規(guī)模充電對電網的沖擊，具有重要的意義。
關鍵詞：電動汽車 充電站 功率控制
1引言
電動汽車以電池作為能源，具有節(jié)能、無污染、零排放等特點，逐漸成為世界上各個國家關注的焦點之一[1]。假設每輛電動汽車充電功率為10kW，在最極端的情況下，如果6000萬輛電動汽車同時充電，則峰值充電功率將達到6億千瓦，將達到2030年全國預計總裝機容量23.2億千瓦的26%[2]。當電動汽車的數量達到一定規(guī)模后，如果任由電動汽車大規(guī)模的無序充電，巨大的充電功率將形成沖擊性負荷，產生的擾動將會對電網形成巨大的沖擊，負荷的巨大變化使得電網的頻率、電壓產生波動，從而影響電網的穩(wěn)定。
文獻[3]研究了利用光伏發(fā)電的電動汽車充電站，有效利用太陽能，與電網互補為電動汽車提供充電服務，能在一定程度上減輕電網的負擔。文獻[4]研究了利用超級電容來緩沖充電能量的充電站，也可以在一定程度上可以減小充電對電網的沖擊，但是利用超級電容不僅增加了建設成本，緩沖的能力也是有限度的。文獻[5]對充電站內汽車的等待時間進行了統(tǒng)籌規(guī)劃，但是卻沒有給出從功率角度分析充電對電網的影響。文獻[6-10]對充電站的監(jiān)控管理進行了研究，但是它們均立足于如何高效運轉一個充電站，將電網認為能夠提供足夠能源的一個無窮大系統(tǒng)，不符合實際的需要。文獻[11]針對快速脈沖充電的方式探討了靈巧潮流控制的充電站，均衡充電功率，該作者也認為應將充電站納入“堅強電網”中，形成有機整體。本文通過以上研究成果，探討將充電站納入電網調度體系中，電網調度部門根據電網狀態(tài)向充電站發(fā)送限定功率，充電站通過自己的功率控制策略實現總功率可控狀態(tài)下的充電，降低充電站充電工作對電網的影響。
2充電站功率控制策略
在用電高峰時期，電網調度部門將提供一個充電站可消耗的功率值，其可能低于充電站的裝機容量，在輸出總功率不允許超過限定值的情況下，充電站將如何分配被限制的總功率。
2.1充電站功率控制系統(tǒng)結構
充電站的功率控制系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 充電站功率控制系統(tǒng)結構圖
根據圖1中所示，充電站功率控制策略是通過對接入充電機的電動汽車充電功率的預測，再對充電機的輸出能力進行統(tǒng)計，根據電網調度給定的限定值和當前輸出來制定相應的分配策略，從而實現充電站充電總功率的控制。在充電站功率控制策略的目標都將是充電站輸出總功率不超過電網調度部門發(fā)送的限定值的基礎上提出了平均分配方式下的功率控制策略、基于充電時間最短的隊列功率控制策略和基于利用率最大的協調功率控制策略三種控制方式。
2.2平均分配方式下的功率控制策略
為了使充電站的總功率不超過電網設定的限定值，最簡單的方式是采取平均分配進行充電站的功率控制，即將充電站允許消耗的總功率平均分配至每臺充電機，達到限制總功率的目的。
這種控制方法簡單，但是存在很多的不足，它即沒有考慮充電機是否有電動汽車接入的狀態(tài)，也沒有考慮不同電動汽車不同的充電需求，電網限定功率的利用率顯然不高，單臺車輛也可能不能夠獲得足夠的充電功率。
2.3基于充電時間最短的隊列功率控制策略
采取類似于銀行、加油站等服務機構的先到先服務的態(tài)度，如圖2所示。將待充電的電動汽車形成隊列，在輸出不超過限制總功率的情況下按照隊列順序，逐步完成充電業(yè)務，充電過程中滿足每一個充電用戶的充電功率，讓每一輛電動汽車的時間最短。
圖2 隊列服務示意圖
當有電動汽車進入充電站并接入充電機，充電站便將接入的電動汽車進行排隊，隊列長度為充電站的充電機數目。依次采集所有待充電汽車的相關信息，預測車輛的最大充電功率，分配時將隊列前充電功率預測值之和不超過電網限定值的汽車納入充電隊列，進行充電工作。剩余電動汽車進入等待隊列進行排序，用戶可以選擇等待或是離開。當有車輛完成充電時，等待隊列中的車輛按照順序依次加入充電隊列，直至完成隊列中所有電動汽車的充電工作。
圖3為充電站隊列服務功率控制總流程。
圖3 充電站隊列服務功率控制總流程
將正在為電動汽車進行充電工作的充電機分為恒流充電階段的充電機和恒壓充電階段的充電機，對于恒流充電階段的充電機，由于其充電功率處于上升的趨勢，其分配功率為其預測的最大充電功率，對于處于恒壓充電階段的充電機，由于其充電功率處于下降的趨勢，為了有效利用可支配的功率，在這一控制周期內將其分配功率設置為當前輸出功率，在其輸出功率不斷下降的過程中不停改變其分配量，使得剩余可利用的功率盡量最大，有利于等待隊列的車量的迅速加入充電隊列，加快充電進程。
當電網的限定功率下降時，對已分配功率設置一個比例系數α（0<α<1），所有充電功率將當前分配按照某一百分比下降，使分配總功率不超過電網限定功率。當電網限定功率增大或是有車退出充電時，存在剩余可支配的充電功率，則先將α逐步恢復至1再進入隊列功率控制流程，處理等待隊列中和新加入的車輛�？刂七^程中如果分配功率已被降至某一最小閾值，則認為該車已完成充電過程，使其退出充電隊列。
2.4基于利用率最大的協調功率控制策略
如果充電站有閑置的充電機，當有電動汽車進入充電站要求充電時，應當立即為其提供充電服務，由此增加的充電功率納入到充電站的統(tǒng)一的協調功率控制中，協調功率控制方式的示意圖如圖4所示。
圖4 協調功率控制方式示意圖
在充電站消耗總功率被限制的情況下，充電站在進行分配時，采取集中協調方式，最大化的利用可支配的功率。與此同時，保證盡可能多的充電機處于工作狀態(tài)，減少等待電動汽車的數量。另外，充電站仍需將電網調度部門發(fā)送的限定值，以較為合理的方式分配至每一臺充電機。
在協調功率控制方式下，在電動汽車接入充電機需要充電時，如果充電功率不超過電網的限定值，則該電動汽車按照既定的充電方式進行充電。如果新加入的車輛充電或是電網調度值的變化，使得充電站的總功率超過電網的限定值，則所有充電的車輛應該以某種方式進行降功率充電。如果某輛電動汽車結束充電或是電網調度部門發(fā)送的限定值變大，則所有功率被限制的充電機均可獲得提升充電功率的空間�？傊�，保證所有接入充電機的電動汽車都能夠充電的同時，充電站的充電總功率不超過限定值。
式中，PM（i）為每臺充電機的功率需求。對于恒流狀態(tài)的充電機，其值為Uset×Iset，對于恒壓充電狀態(tài)的充電機，其值為當前輸出功率PO。
在協調功率控制中，分配的方式為按需分配，即只要有充電需求，則為其分配充電功率。但是如果一直有大功率的電動汽車輪流充電，小功率的電動汽車獲得的功率將一直處于很小的狀態(tài)，充電時間變得很長，因此在執(zhí)行按需分配時，需將已經充電的時間作為一種權衡分配量的因素之一，根據實際情況，可對已充電的時間設置一個權系數，使已經充電很長時間的電動汽車獲得相對較多的分配功率，讓其迅速完成充電工作。
3充電站仿真平臺的搭建與實驗
假定電網的限制功率為40kW，場內三臺充電機均有電動汽車接入。充電機一對應的電動汽車其預測的最大充電功率為20kW，當前狀態(tài)為恒流階段。二號充電機已經處于恒壓充電階段，當前輸出功率為10kW。三號為有新車剛接入的充電機，其預測充電功率為15kW。三種控制策略下的仿真結果如圖5所示。
圖5充電站平均分配仿真輸出結果
圖5中（a）為平均分配方式下仿真的輸出結果，充電站總消耗功率處于下降的狀態(tài)，最大時只達到30kW左右，顯然利用率較低。
圖5中（b）為隊列功率控制方式下仿真的輸出結果，充電機一的功率需求為20kW，充電機二的恒壓輸出功率為10kW，之和小于40kW，故均進入充電隊列，同時分別分配20kW和10kW的充電功率。充電機三的功率需求為15kW，而限定功率只剩余了10kW，不足以讓充電機三進行充電，用戶選擇了等待，進入了等待隊列。運行到60s左右時，由于2號充電機的功率一直處于下降的趨勢，出現了足夠的可支配功率，三號充電機進入才進入工作狀態(tài)。整個過程充電的總功率未超過電網的限定值，達到了功率控制的目的，且利用率相對較高。
圖5中（c）為根據圖中曲線顯示，三臺充電機從一開始均處于工作狀態(tài)，二號恒壓充電階段的充電機仍然保持原來的趨勢進行其充電過程。一號與三號充電機的分得的充電功率均低于其最大功率需求值，但充電站的輸出總功率較前面兩種方式較大，達到了利用率高的目的。整個充電過程三臺充電機均處于協調降功率工作狀態(tài)，充電站總功率未超過電網的設定值，達到了協調功率控制的目的。
對比三種分配策略仿真得出的功率波形，從限定功率的利用率來講，三幅充電站總功率輸出波形中，協調功率控制總的輸出功率明顯大于前兩種分配方式，驗證了協調功率控制策略下限定功率利用率最大的結論。從單臺充電機的充電時間上來講，一號充電機的區(qū)別最為明顯，顯然在隊列功率控制的方式下，一號機充電機最快從恒流充電階段進入恒壓充電狀態(tài)，二號充電機由于已經處于恒壓充電階段均無區(qū)別，三號充電機在隊列功率控制策略下由于等待了60S，它的充電顯得時間長了一點，但也進入了恒壓充電階段，總的說來，驗證了在隊列功率控制策略下單臺充電機的充電時間最短，以及協調功率控制策略，可利用電能利用率高的結論。
4結束語
本文通過對簡單的平均分配方式下的功率控制策略以及較為復雜的隊列功率控制策略和協調功率控制策略分析和仿真，驗證了三種控制策略都能實現了在確保充電站總功率不超過電網限定值的情況下為電動汽車進行充電工作，同時也驗證了后兩種控制策略在應用的一些優(yōu)勢。
作者簡介
李凱(1983-)男 在職博士生，助教，就職于電子科技大學自動化研究所，研究方向為功率電子，新能源發(fā)電，工業(yè)控制。
