综合能源充电站有序充电策略的研究与设计

胡道栋，邱俊宏，王玉芳，徐鹏，苏杭

(1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；

2.河南升环劳务派遣合作有限公司,郑州 450000)

近年来，随着化石能源的枯竭以及清洁新型能源技术的崛起，电动汽车和与之相应的充电站、充电桩和充电技术得到迅速发展[1-2]。随着互联网+充电桩的技术发展，充电服务设备建设越来完善，但仍存在诸多问题，一方面是用户充电难、找桩难、排队长等现象，另一方充电桩存在利用率不高、长期空闲、运营成本高的问题[3-4]；
除此之外，充电设施的大量使用对电网运行带来一定负荷安全影响[5-7]，尤其是无序的电动汽车充电负荷会给配电网带来电压下降、线路过载、电网负荷峰值、网络损耗等一系列问题[8-10]，因此研究有序充电策略解决充电难，提高充电桩效益和减少充电对电网负荷影响变得愈发必要[11-13]。

电动汽车有序充电在当前没有严格的定义，文中提出的有序充电策略是指在车多桩少、充电站功率变动和合理利用峰谷电价情况下设计的一种充电控制方法。通过分析研究车辆充电时充电电压、电流、SOC与充电时间的关系曲线[14-15]，制定一个最佳的中止充电的SOC值来提高充电排队效率；
尽可能将充电时间安排在电价低的谷时段以降低充电运营成本[16-17]，通过充电桩限功率方式对电网进行削峰填谷提高电网运行安全性。

文中从三方面综合定义有序充电，一是针对充电桩短缺设计的电动汽车排队有序充电，通过计算电动汽车剩余充电时间和中止充电时的SOC来提供充电桩的充电效率和规划排队等候车辆充电次序；
二是根据峰谷电价差异，合理安排有序充电时间，降低充电成本；
三是对电网负荷曲线进行削峰填谷，减小负荷曲线方差，使充电设施与电网负荷协调互动而设计的有序充电策略。

离散充电桩因分散无法有序充电管理难度大，因此，目前有序充电且主要应用于集中充电站。集中充电站的充电桩规模一般为20台～50台，主要服务对象为电动公交大巴，根据运营商需求，充电站主要分为专用充电站和公用充电站，专用充电站只对运营商制定的专用车(电动公交大巴等)提供充电服务，不对外运营；
公用充电站除了服务专用车，同时对外营运，可以为所有社会电动车辆充电，文章将以两类充电站为对象进行有序充电研究。

充电站服务系统如图1所示，站内充电桩通过4G/5G等物联网或互联网接入充电服务平台，充电服务平台为运营商提供给运营监控客户端，充电用户可以使用充电卡和手机APP方式充电，为了使充电站与电网负荷协调互动，充电服务平台接入充电站配电设备，该设备实时上送充电站可用功率信息至充电服务平台。

图1 充电站服务系统Fig.1 Charging station service system

针对集中式充电站文中设计的有序充电策略具有以下功能。

(1)减少车辆排队时间，通过计算在充车辆剩余充电时间和选择最佳中止充电SOC值来提供充电站服务效率和减少充电用户排队时间；

(2)降低充电成本，通过有序充电策略设计让车辆尽可能在电价低的谷时段充电。目前大多充电站根据电网电价将充电时间分为平、谷、峰三个时段，分别对应正常计费、优惠计费以及高价计费，充电电价及阶梯时段如表1所示[18]；

表1 充电电价及阶梯时段Tab.1 Charging tariff and ladder period

(3)优化电网负荷，因用电高峰时期电网负荷压力增大会造成网损和降低电能质量，文章设计充电桩功率调节策略使充电站用电功率随电网需求动态调整。

目前专用集中式充电站大多用于电动公交大巴充电，文章以规模30台60 kW直流桩服务100辆电动公交车的充电站为设计对象。为提高充电桩使用效率，减少车辆排队时间，文章分析了30多个充电数据，发现同类充电桩的充电过程数据曲线基本一致，文章提取一个SOC从33%充电到100%的车辆充电过程数据为样本进行图形处理分析，充电过程数据如表2所示(充电电压单位为V，电流单位为A，时间单位为min)。

如图2所示为其中一个充电桩充电电压、电流、SOC与充电时间的关系曲线，如图3为充电电流、SOC与充电时间的关系曲线，从图3可看出整个充电过程电压基本保持平稳不变， SOC小于95%的区间里，充电电流波动较小，SOC达到94%～95%后充电桩输出电流开始明显下降，尤其在99%～100%之间，电流出现多次变化，充电时间相对过长。充电过程数据变化分析如表3所示。

图2 充电过程曲线Fig.2 Charging process curve

图3 充电过程曲线Fig.3 Charging process curve

表3 充电过程数据分析Tab.3 Data analysis of charging process

2.1 峰平时段与排队有序充电策略设计

充电站内车辆运行模式一般是白天使用晚上充电，充电集中在谷电价时段，但因特殊情况需要白天峰或平电价时段充电时，为了降低充电成本，同时不影响车辆运营，采取设定车辆中止充电的SOC上限值的充电策略，峰和平电价时段车辆SOC分别达到80%和90%时结束充电，谷时段不设定SOC上限值。另一方面，在车多桩少，车辆排队等候的情况，为了提高充电桩使用效率，增加充电站运营效益，也设定了车辆SOC充电上限，文章对充电排队的定义是因急需用车而排队充电，对于晚上谷时段没有使用需求排队依次充电不属于文章定义的排队充电的范畴。

假设站内充电桩数为N，排队等候充电车辆数为M，则有排队车辆比例(rate)关系式：

rate=N/M

(1)

充电时段、rate与充电中止SOC的关系如表4所示，具体设定方式为：

表4 充电中止SOC划分Tab.4 SOC partition of charging termination

(1)充电时段为峰时段和rate大于1.5二者满足之一时，车辆充电到达的SOC上限为80%；

(2)充电时段为平时段和rate为0.75-1.5二者满足之一时，车辆充电到达的SOC上限为90%；

(3)谷时段，当rate在0.4-0.75区间时车辆充电到达的SOC上限为95%；

(4)谷时段，当0.4≥rate>0时车辆充电到达的SOC上限为99%。

2.2 充电桩限功率有序充电策略设计

专用充电站的车辆充电优先级没有严格要求，充电过程中充电站输出功率受到电网负荷限制时，在保证车辆享有同等充电权限前提下,设计有序充电策略调整充电桩输出功率。充电桩功率调整分为下调和上调两种，当充电站输出总功率大于功率限定值时需进行下调，反之上调。假设站内功率限定值和总输出功率分别为P限、P充，其下调策略设计如下：

(1)假设充电中车辆SOC大于90%且充电电流大于10 A的充电桩数为a，充电电压和电流为U充和I充，其中最大的充电电流为Imax，则有关系式：

(2)

(3)

(4)

(5)

上述式中P1为a个充电桩的充电功率；
P2为a个充电桩电流都下调为10 A后的充电功率功率；
P3为将电流为Imax的充电桩电流下降1 A后下调的功率值。若P充-P限≤P1-P2，说明无须将SOC大于90%的充电桩电流都下调至10 A，此时将电流最大的b个充电桩电流下降1 A，若P充-P限≤P3,则充电服务平台对电流为Imax的充电桩下发功率下调指令，电流各下调1 A即完成了功率调节需求；

(2)若P充-P限>P3,则继续计算电流下调值，上式中P4为将电流为Imax的充电桩电流下降1 A后再对电流为Imax-1的充电桩电流下降1 A后下调的功率值，P充-P限≤P3+P4，则表示已计算出充电桩下调的电流值，然后通过充电服务平台对充电桩下发功率下调指令，P充-P限>P3+P4,则按此方法依次类推计算出充电桩的下调电流值；

(3)若P充-P限>P1-P2，则表示将SOC大于90%的充电桩充电电流都限制为10 A后，充电站输出功率仍大于限定功率，继续对充电中车辆SOC在80%～89%的充电桩进行功率下调，充电电流限制下限为20 A，充电服务平台对充电桩的下调电流值计算方法与步骤(1)和步骤(2)相同；

(4)若执行以上功率限制调节后，充电站输出功率仍大于充电站限定功率，则依次类推，继续对充电桩进行限功率调节，直到所有充电站充电输出功率等于限制功率为止，充电电流限制下限值如表5所示，将SOC分为10个区间，每个区间设定一个电流限制下限值。

表5 充电输出电流限制下限值Tab.5 Lower limit of charging output current limit

充电桩功率上调时，充电服务平台计算电流下调值与下调计算策略相反，假设站内功率限定值和总输出功率分别为P限、P充，其上调策略设计如下：

(1)充电服务平台计算出充电中车辆SOC处于0～9%的充电桩充电总需求功率值P需和当前总使用功率P用，对比P需-P用与P限-P充的大小；

(2)若P需-P用< p>

(3)若P需-P用>P限-P充，则表示将处于0～9%的充电桩充电电流上调至需求值，充电站输出功率仍小于限定功率，继续对充电中车辆SOC在10%～19%的充电桩进行功率上调，充电服务平台对充电桩的上调电流值计算方法与步骤(1)和步骤(2)相同。

2.3 专用充电站有序充电策略实现

专用充电站从峰谷电价充电成本、桩少车多充电排队效率和与电网负荷互动三方面设计了有序充电策略，其策略实现如下：

(1)在峰平电价时段，充电桩全被占用，而后来车辆因某些原因需要急用而充电则可以通用手机APP申请排队充电；

(2)充电服务平台将不同电价时段和排序充电的充电中止SOC策略以及当前排队车辆数下发给每个充电桩，充电桩根据实际情况计算充电中止SOC值，当车辆SOC达到指定值时停止充电；

(3)充电服务平台实时采集来自充电站配电设备的功率限定值，根据站内充电桩充电输出总功率和需求总功率选择功率调节策略，假设站内功率限定值、总输出功率和总需求功率分别为P限、P充、P需，则有关系式：

(6)

(7)

上述式中U充、I充为充电桩充电输出电压和电流，U需、I需为充电车辆需求电压和电流，n为充电中的充电桩数量。

a)当P限≥P需，站内充电桩设置为不限功率状态；

b)当P充≥P限，则需下调充电桩输出功率，首先下调充电中车辆SOC高的充电桩功率，即下调SOC大于90%的充电桩功率，充电服务平台计算该部分充电桩功率下调值，计算方法是循环地将充电输出电流降低1%后对比充电站输出功率与功率限制值，直到充电站输出功率与功率限制值相等，在循环计算中电流降低后不能小于电流限制下限值；
若SOC大于90%的充电桩输出电流降低至下限值仍未达到功率调节要求，则按上述1%循环计算法继续对SOC为80%～89%的充电桩进行功率下调，依次类推直到充电站输出功率与功率限制值相等；

c)当P需>P限>P充，则启动充电桩功率上调策略，首先上调SOC在0～9%区间的充电桩功率，按SOC设置区间依次进行充电桩充电电流上调，直到充电站输出功率与功率限制值相等为止，充电服务平台计算充电桩功率上调值的方法是循环地将充电输出电流增加1%后对比充电站输出功率与功率限制值，在循环计算中充电桩上调后的输出功率不能大于车辆充电需求功率。

与专用充电站相比，公用充电桩除了对本站专用车辆服务外，还对外开放，允许所有社会车辆充电，这样不但提高了充电桩使用率，还可以为运营商带来额外的收益。针对站内专用车辆和社会充电车辆，文章设计有序充电策略是充电优先级专用车辆高于社会车辆，社会车辆之间则按先到优先级高的原则。

3.1 公用充电站有序充电策略设计

公用充电站同时为专用车和社会车辆提供充电服务，其有序充电策略设计如下：

(1)为减低运营成本，站内专用车辆原则上选择夜间谷时段充电，因此在谷时段前半个小时禁止社会车辆开启充电，谷时段前十分钟中止所有社会车辆充电；

(2)峰平电价时段不限制社会车辆充电中止SOC值，按专用充电站策略限制专用车充电中止SOC值；

(3)当P需>P限，将待机的充电桩设置为禁止充电状态(只对社会桩禁止)，当P限≥P需，站内充电桩设置为不限功率状态；

(4)当P充>P限，启动功率下调策略，首先将待机的充电桩设置为禁止充电状态(只对社会桩禁止)，然后按充电启动顺序先对充电启动时间靠后的社会车辆充电桩进行功率下调，最低可将充电电流降低至10 A，若所有社会车辆充电的充电桩输出电流下调至10 A后仍不满足功率限定需求则按专用站有序充电策略对专用车充电的充电桩进行功率下调；

(5)若P需>P限>P充，则需功率上调，优先将功率分配给专用车辆，然后再将多余功率分配给社会车辆，按充电启动顺序，先上调充电启动靠前的社会车辆，最高可以上调至车辆充电需求功率，直到功率分配完为止；

(6)出现桩少车多时需要排队有序充电，此时设定社会充电车辆充电SOC达到95%时中止充电，将充电桩和充电功率提供给排队中的车辆，以此提供充电桩的利用率和减少用户排队时间。

3.2 公用充电站排队有序充电策略实现

在站内充电桩全被占用，或待机中的充电桩处于禁止充电时，用户充电可使用手机APP申请排队充电，充电平台收到申请后产生一个验证码和计算出排队时间最短的充电桩，将验证码和桩号推送至用户手机APP，验证码同时发送给被排队的充电桩以供排队用户充电时身份验证。

充电服务平台在进行排队有序充电策略实现时需计算出当前排队用户需要等待的时间，假设充电车辆开始充电和当前SOC分别为Soc1和Soc2，已充电时间为T1，SOC增加1%所需充电时间为T2，剩余充电时间T剩，基于充电中车辆SOC在小于95%时SOC增加1%所需的时间基本相同，则有关系式：

T2=(Soc2-Soc1)/T1

(8)

T剩=(95%-Soc2)/T2

(9)

当排队车辆数多于充电车辆或P需>P限，充电服务平台将无法精确算出排队等待所需时间，平台向手机APP只推送验证码，待排在前面的车辆数小于充电车辆数时且P限≥P需时，平台再向用户手机APP推送排队时间和充电桩号。排队有序充电流程如图4所示，具体实现如下：

图4 公用充电站排队有序充电流程Fig.4 Orderly charging process of public charging station

(1)充电用户通过手机APP充电预约排队，充电平台将生成的排队验证码和桩号发给手机APP，验证码发给充电桩；

(2)排队用户预约的充电桩若处于待机空闲状态则可将充电抢插车，充电桩检测到车辆连接状态后在人机界面提示用户输入验证码；

(3)充电桩鉴权验证码，若验证码不正确则提示充电桩已被预约禁止使用，若鉴权通过则提示用户刷卡或扫描启动充电流程；

(4)平台对充电用户类型进行鉴权，若充电车辆为本站专用车用户则立即启动充电桩开始充电，若该车充电需求功率大于充电桩限定功率，充电服务平台按公用充电站有序充电策略进行功率调节；

(5)若为充电车辆不为本站专用车用，如果充电桩不处于禁止充电状态，则直接开启充电，充电功率大小为功率限定值；

(6)如果充电桩处于禁止充电状态，则闭合充电枪电子锁，充电桩进入充电等待状态，充电服务平台计算充电等待时间推算给手机APP和充电桩，直到充电桩分配到功率后开启充电，充电功率大小为功率限定值，充电等待时无需用户一直在现场等候，充电桩能够自动执行。

文章从电网负荷、分时电价和排队充电三方面分别对专用和公用集中式充电站设计了有序充电策略，以保障充电站电网安全运行，提高充电桩的使用效率和增加充电站的运营效益。

充电桩有序充电尚在研究起步阶段，随着V2G和充放电技术的发展和应用，有序充电将逐渐成为充电桩和充电站的发展方向。

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