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劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:在住宅小區(qū)傳統(tǒng)建設(shè)模式下,充電樁安裝難、配套投資大,嚴(yán)重阻礙了充電樁在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行普及使用。為解決該問(wèn)題,本文首先調(diào)研了住宅小區(qū)內(nèi)的電動(dòng)汽車用戶的出行習(xí)慣和充電特點(diǎn),提出了分時(shí)電價(jià)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)兩種有序充電模式,然后以用戶充電費(fèi)用較低為目標(biāo)建立了數(shù)學(xué)模型,并引入特別小區(qū)配電變壓器容量的懲罰因子,之后利用改進(jìn)粒子群算法,仿真分析在無(wú)序充電、分時(shí)電價(jià)響應(yīng)有序充電、動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)有序充電三種方式下的負(fù)荷波動(dòng)性。算法仿真后,證明了所提出充電策略的正確性、有效性。之后,針對(duì)住宅小區(qū)公共、個(gè)人停車位充電樁,提出了住宅小區(qū)停車位安裝充電樁響應(yīng)有序充電建設(shè)方案,為今后住宅小區(qū)電動(dòng)汽車實(shí)際應(yīng)用充電提供了指導(dǎo)建議。
關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車;住宅小區(qū);分時(shí)電價(jià)響應(yīng);動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià);有序充電策略
0引言
國(guó)家在加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)文件《關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確,住宅小區(qū)配建停車位時(shí)要同步建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留充電樁建設(shè)安裝條件。但調(diào)查發(fā)現(xiàn),小區(qū)物業(yè)部門(mén)擔(dān)心安全責(zé)任準(zhǔn)宅小區(qū)業(yè)主安裝充電樁仍存在較多困難、物業(yè)不配合、報(bào)裝以及接電難度大等情況。在住宅小區(qū)電動(dòng)汽車規(guī)?;l(fā)展的基礎(chǔ)上,小區(qū)安裝充電樁數(shù)量將進(jìn)一步增多。以山東省某市為例,約有1萬(wàn)個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)變壓器、高低壓電纜等配套設(shè)施設(shè)備、施工費(fèi)按30萬(wàn)元/臺(tái)粗略估計(jì),假設(shè)增容或新上5臺(tái)變壓器及配套設(shè)施用于小區(qū)充電樁充電使用,預(yù)計(jì)配套電源投資達(dá)到150億元。全國(guó)耗資可能需要上萬(wàn)億,投資成本數(shù)額巨大。并且在普遍的老舊小區(qū),普遍因位置緊張、地方協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜,配電設(shè)施擴(kuò)建改造非常困難。短時(shí)間內(nèi),無(wú)法實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)和要求,迫切需要在原有配電設(shè)施不改造的前提下,研究一種科學(xué)有效、合理有序、投資少見(jiàn)效快、可持續(xù)發(fā)展的住宅小區(qū)電動(dòng)汽車有序充電策略[1-2]。國(guó)家在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》中明確,住宅小區(qū)內(nèi)要積極推廣建設(shè)有序慢速充電樁。文獻(xiàn)[3-4]提出在原有配電設(shè)施不增容、不升級(jí)改造的前提下,利用谷時(shí)段充電,從而獲取充電費(fèi)用較低的有序充電方法。文獻(xiàn)提出一種無(wú)需集中式通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制的分布式電動(dòng)汽車有序充放電策略。實(shí)際生活中,更需要以主動(dòng)引導(dǎo)方式,鼓勵(lì)電動(dòng)汽車用戶能夠充分、主動(dòng)響應(yīng)充電價(jià)格參與有序充電策略。文獻(xiàn)提出用戶充電成本和電動(dòng)汽車充電起始時(shí)間兩個(gè)目標(biāo)相結(jié)合為較優(yōu)的充電控制策略。文獻(xiàn)考慮充電站運(yùn)營(yíng)收益,以電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)動(dòng)態(tài)引導(dǎo),建立有序充電模型。通過(guò)調(diào)整電動(dòng)汽車充電時(shí)間和預(yù)測(cè)充電負(fù)荷,使得客戶充電成本較低,建立有序充電模型。利用啟發(fā)式算法,綜合客戶充電成本和負(fù)荷曲線較優(yōu)為目標(biāo),建立有序充電模型。文獻(xiàn)利用原有專變?nèi)哂嗳萘?建立由專變用戶、充電站運(yùn)營(yíng)商和電動(dòng)汽車用戶的三層有序充電模型。以上研究對(duì)充電價(jià)格定義尚不明確,僅在峰谷分時(shí)電價(jià)或動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)上研究探討。 國(guó)家在電動(dòng)汽車用電價(jià)格的政策規(guī)定,電動(dòng)汽車用戶充電后應(yīng)向充電樁運(yùn)營(yíng)企業(yè)繳納電費(fèi)、充電服務(wù)費(fèi)兩項(xiàng)。因此,本文將充電價(jià)格分為充電電價(jià)、充電服務(wù)價(jià)兩部分,分別對(duì)應(yīng)充電電費(fèi)、充電服務(wù)費(fèi),并依據(jù)充電價(jià)格劃分原則引導(dǎo)、鼓勵(lì)用戶主動(dòng)調(diào)整用車行為和充電習(xí)慣,響應(yīng)電動(dòng)汽車有序充電策略。充電電價(jià)執(zhí)行一般工商業(yè)分時(shí)電價(jià),充電服務(wù)費(fèi)由充電樁運(yùn)營(yíng)企業(yè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際、自身經(jīng)營(yíng)情況等制定,主要用于彌補(bǔ)充電樁的運(yùn)營(yíng)成本和建設(shè)成本。本文在分析住宅小區(qū)電動(dòng)汽車用戶出行習(xí)慣和充電特點(diǎn)后,在無(wú)序充電方式的基礎(chǔ)上定義分時(shí)電價(jià)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)的兩種有序充電方式,建立以用戶充電費(fèi)用較低目標(biāo)函數(shù),并引入超小區(qū)配電變壓器容量的懲罰因子,利用改進(jìn)粒子群算法以,分析分時(shí)電價(jià)響應(yīng)有序充電、動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)有序充電兩種方式下負(fù)荷波動(dòng)性影響。算例仿真驗(yàn)證了本文提出的有序充電策略的有效性和合理性。
1電動(dòng)汽車出行習(xí)慣
1.1 電動(dòng)汽車功率需求分析
假設(shè)電動(dòng)汽車用戶出行結(jié)束后,就開(kāi)始充電。 假設(shè)充電過(guò)程近似為恒壓過(guò)程,即恒功率充電。 一輛電動(dòng)汽車的充電時(shí)間:
式(1)中:Tc為充電的時(shí)間;Pc為充電功率;SOCo為電動(dòng)汽車初始荷電狀態(tài);w為電動(dòng)汽車電池容量。將24小時(shí)分為96個(gè)充電時(shí)段,則t時(shí)段電動(dòng)汽車的充電功率為:
式(2)中N為動(dòng)汽車充電數(shù)量,Pev,i(t)為電動(dòng)汽車i在第t時(shí)段的充電功率,其為正值表示在充電,為負(fù)值表示在放電,為零值表示不充電(為閑置狀態(tài))。
1.2 電動(dòng)汽車用戶行為習(xí)慣
一天24小時(shí)中,住宅小區(qū)電動(dòng)汽車用戶的出行時(shí)間不是均勻分布,具有顯著的早晚高低峰現(xiàn)象叫由于上下班工作、接送孩子上學(xué)等生活工作習(xí)慣,電動(dòng)汽車用戶的出行高峰主要集中在7 : 00-8 : 00、17 : 00-19 : 00兩個(gè)時(shí)間段區(qū)間,電動(dòng)汽車用戶在下班后進(jìn)行充電的概率較大。而這期間本身就是住宅小區(qū)用電高峰期,電動(dòng)汽車集中在此時(shí)間段充電會(huì)增加用電量,造成高峰時(shí)期電力負(fù)荷的緊張,給住宅小區(qū)配電設(shè)施帶來(lái)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)電力系統(tǒng)出現(xiàn)“峰上加峰"的現(xiàn)象。為此,需要通過(guò)充電價(jià)格引導(dǎo)用戶,改變其充電習(xí)慣,避免造成電力負(fù)荷緊張的局面。
2住宅小區(qū)充電模式分析
小區(qū)用戶購(gòu)買電動(dòng)汽車,主要用于生活、工作需求,在小區(qū)充電較為方便,工作日下班后、周末全天充電均可,用于第二天上班或生活使用,適合交流慢充。考慮在分時(shí)充電價(jià)格響應(yīng)的有序充電方式下,不需要在小區(qū)配置專人管理電動(dòng)汽車接入充電樁,只通過(guò)充電價(jià)格引導(dǎo)用戶主動(dòng)響應(yīng)充電。
2.1 無(wú)需充電方式
無(wú)序充電方式下,不論充電價(jià)格如何變化,電動(dòng)汽車用戶下班后將電動(dòng)汽車連接到住宅小區(qū)充電樁充電,近似恒功率充滿電才斷開(kāi)充電連接。整個(gè)住宅小區(qū)所有電動(dòng)汽車用戶在有充電樁閑置的情況下,下班后隨機(jī)接入充電。
2.2 分時(shí)電價(jià)響應(yīng)的有序充電方式
分時(shí)電價(jià)響應(yīng)的有序充電方式是在充電電價(jià)分時(shí)段、充電服務(wù)價(jià)固定統(tǒng)一的前提下,部分電動(dòng)汽車用戶下班后沒(méi)有立即連接充電樁,而是選擇在一段時(shí)間后連接充電,目的是花費(fèi)較低的充電成本費(fèi)用充滿電。充電電價(jià)執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的一般工商業(yè)峰谷分時(shí)電價(jià)。
2.3 動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)的有序充電方式
動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)的有序充電方式是在充電價(jià)格分時(shí)段(充電電價(jià)、服務(wù)價(jià)均分時(shí)段)的前提下,部分電動(dòng)汽車用戶下班后沒(méi)有立即連接充電樁,而是選擇在一段時(shí)間后連接充電,目的是花費(fèi)較低的充電成本費(fèi)用充滿電。 充電服務(wù)價(jià)制定規(guī)則。住宅小區(qū)配電室變壓器容量是影響小區(qū)電動(dòng)汽車充電的關(guān)鍵因素。為更有效地利用變壓器余量,通過(guò)充電服務(wù)價(jià)響應(yīng)參與住宅小區(qū)普通電力負(fù)荷曲線調(diào)度,根據(jù)上一時(shí)段電力負(fù)荷計(jì)算該時(shí)段的充電服務(wù)價(jià)。利用各時(shí)段價(jià)格差,通過(guò)充電管理系統(tǒng)控制充電樁電流大小,鼓勵(lì)用戶將充電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到普通電力負(fù)荷較低的時(shí)段,實(shí)現(xiàn)較大化利用住宅小區(qū)變壓器容量。
充電服務(wù)價(jià)與普通電力負(fù)荷的關(guān)系為:
式(3),(4)中:P'n(t)為t時(shí)段普通電力負(fù)荷;Pn為一天中普通電力負(fù)荷平均值。v0為固定充電服務(wù)價(jià),指充電樁運(yùn)營(yíng)企業(yè)向充電車主收取一定服務(wù)費(fèi)彌補(bǔ)建設(shè)成本,本文取0.45元/千瓦時(shí)。
圖1充電服務(wù)價(jià)變化曲線
高峰期充電,避免住宅小區(qū)配電設(shè)施超負(fù)載運(yùn)行;普通電力負(fù)荷低時(shí),充電服務(wù)價(jià)相對(duì)較低,吸引、鼓勵(lì)住宅小區(qū)充電用戶選擇接入充電,提高住宅小區(qū)配電設(shè)施利用率。電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷具有可轉(zhuǎn)移性,在充電服務(wù)價(jià)格差的刺激下,電動(dòng)汽車用戶為降低充電費(fèi)用,盡量選擇在充電服務(wù)價(jià)低的時(shí)段充電也就是將充電負(fù)荷聚集到普通電力負(fù)荷少的時(shí)段充電,充分利用小區(qū)配電室變壓器容量。在0 : 00-6 : 00時(shí)間段內(nèi),充電服務(wù)價(jià)相對(duì)較低,在0.2元/千瓦時(shí)以下;在17 : 00-22 : 00時(shí)間段內(nèi),充電服務(wù)價(jià)相對(duì)較高,在0.8元/千瓦時(shí)以上。
3有序充電優(yōu)化模型
3.1 優(yōu)化目標(biāo)
有序充電優(yōu)化策略目標(biāo)是在現(xiàn)有住宅小區(qū)配電網(wǎng)變壓器余量的基礎(chǔ)上,通過(guò)用戶主動(dòng)響應(yīng),讓用戶充電費(fèi)用降特別多。
3.2 有序充電模型
(1)充電價(jià)格函數(shù):s(t)=q(t) + v(t)無(wú)序充電方式下,q(t)、v(t)、s(t)為常數(shù)。
分時(shí)電價(jià)下的有序充電方式,q(t)為階段函數(shù),v(t)為一常數(shù),因此s(t)為變量。
動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)下的有序充電方式,q(t)為階段函數(shù),v(t)為動(dòng)態(tài)變量,因此s(t)為變量。
式中:s(t)為t時(shí)段充電價(jià)格,q(t)為t時(shí)段充電電價(jià),v(t)為t時(shí)段充電服務(wù)價(jià)。
(2)配變余量函數(shù):
式中Sn為小區(qū)配電室變壓器額定容量;COSφN為變壓器額定功率因數(shù);μ為變壓器負(fù)載率;Pb(t)為t時(shí)段住宅小區(qū)配電網(wǎng)普通電力負(fù)荷pi+(t)為t時(shí)段變壓器用電余量。本公式是指充電樁與普通電力負(fù)荷同時(shí)接在一臺(tái)變壓器上,充電樁有功功率與普通電力負(fù)荷有功功率之和是變壓器負(fù)載。 在不超過(guò)住宅小區(qū)配電變壓器容量的前提下,以用戶充電費(fèi)用很低為目標(biāo)建立函數(shù):
式⑸ 中Pev,i(t)為第i輛電動(dòng)汽車t時(shí)段充電功率,N為電動(dòng)汽皋充電樁臺(tái)數(shù)△t為時(shí)間間隔;γ為各時(shí)段超出小區(qū)配電變壓器額定容量限制的懲罰因子本文取10元/千瓦。定義符號(hào)函數(shù)
3.3 約束條件
電動(dòng)汽車充電響應(yīng)主要受住宅小區(qū)電壓范圍、 充電容量、線路熱負(fù)荷等因素限制。
住宅小區(qū)可允許的電壓范圍約束充電樁側(cè)的電壓維持額定范圍為:
式(7)中:Vi為第i個(gè)充電樁的電壓,Vmin和Vmax分別為住宅小區(qū)配電網(wǎng)允許的較大、較小電壓值。
小區(qū)充電站內(nèi)的充電功率變化范圍為:
式(8)中:△P0為當(dāng)前時(shí)段與上一時(shí)段小區(qū)充電站的充電功率變化范圍,本文取20kW。
(3)充電容量約束
式⑼ 中SOCi,0為第i輛電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的初始荷電狀態(tài);Wi為第i輛電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量。
(4)荷電狀態(tài)連續(xù)性約束
式(10)中SOCi,0為第i輛電動(dòng)汽車在t時(shí)間段末電池的荷電狀態(tài),SOCt-i為第i輛電動(dòng)汽車在(t-1)時(shí)間段末電池的荷電狀態(tài)。
(5)線路熱負(fù)荷約束
式(11)中:LMCLMCMAX祝嗅分別為線路的熱負(fù)荷、較大熱負(fù)荷。
3.4有序充電控制算法
本文結(jié)合Monte-Carlo模擬,采用改進(jìn)粒子群算法(improved particle swarmoptimization, IPS0)求解問(wèn)題,并引入動(dòng)態(tài)慣性因子w。
式(12) 中:Wmax、Wmin為慣性因子的較大、較小值,一般Wmax=0.9,Wmin =0.4,t、Tmax分別為當(dāng)前迭代次數(shù)與設(shè)置的較大迭代次數(shù)。 使用IPSO進(jìn)行優(yōu)化求解時(shí),將第i輛電動(dòng)汽車在t時(shí)段的充電功率變量xit作為粒子的位置坐標(biāo),粒子維數(shù)為NxT。
圖2有序充電方式算法流程圖
本文研究24小時(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化,采用Madab仿真求解,其算法流程圖如圖2所示。
4仿真算例
4.1 住宅小區(qū)配電網(wǎng)
以山東省某市住宅小區(qū)為例,其設(shè)備參數(shù):一臺(tái)配電變壓器容量為800kVA,額定功率因數(shù)0.95,較大允許負(fù)載率0.9,變比10/0.4kV,三相線路2.8km,單相電纜1.2km,480家住宅用戶,低壓配電網(wǎng)電壓在額定電壓220/380V允許的+10%-10%范圍內(nèi)波動(dòng)。經(jīng)調(diào)査了解,住宅小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車保有量48輛,有長(zhǎng)城C30EV、比亞迪e5、北汽EX360等電動(dòng)汽車品牌,電池容量大致在25kWh~80kWh,計(jì)劃近期購(gòu)買或更換電動(dòng)汽車有72戶。如果要對(duì)該住宅小區(qū)統(tǒng)一安裝充電樁,計(jì)劃安裝60臺(tái)功率7kW交流充電樁,車樁比約2 :1。
4.2 電動(dòng)汽車無(wú)序充電方式
電動(dòng)汽車無(wú)序充電,電動(dòng)汽車用戶不受充電價(jià)格影響,隨機(jī)接入充電樁啟動(dòng)充電,16 : 00-20 : 00時(shí)間段充電負(fù)荷出現(xiàn)高峰期。住宅用戶由于下班回家,電視、廚房等用電設(shè)備開(kāi)啟,在18 : 00-22 : 00時(shí)間段,普通電力負(fù)荷出現(xiàn)負(fù)荷高峰期。計(jì)入住宅小區(qū)電動(dòng)汽車用戶充電負(fù)荷,總負(fù)荷曲線在18 : 00-20 : 00時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)“峰峰疊加"現(xiàn)象,較高負(fù)荷達(dá)到866kW,超出較大允許負(fù)荷684kW約27%( 圖3)。
圖3無(wú)序充電方式下的負(fù)荷變化曲線
在考慮接入48輛電動(dòng)汽車的前提下,引入懲罰因子對(duì)超出小區(qū)配變?nèi)萘肯拗朴枰约邮召M(fèi)用,利用IPSO求解目標(biāo)函數(shù),用戶充電費(fèi)用10931元。住宅小區(qū)配電變壓器已超載,無(wú)法滿足小區(qū)繼續(xù)新增電動(dòng)汽車充電需求。在該時(shí)間段內(nèi)變壓器出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象,線路過(guò)熱,可能影響變壓器等設(shè)備過(guò)載、線路跳閘,嚴(yán)重影響整個(gè)住宅小區(qū)正常用電。由此可見(jiàn),無(wú)序充電方式既不安全,又不經(jīng)濟(jì)。
4.3 分時(shí)電價(jià)響應(yīng)的有序充電方式
有90%電動(dòng)汽車用戶響應(yīng)分時(shí)電價(jià)下的有序充電方式,其中30%電動(dòng)汽車用戶選擇在下班后平時(shí)段(21 : 00-23 : 00)接入充電樁充電,60%電動(dòng)汽車用戶選擇在下班后谷時(shí)段(23 : 00-7 : 00)接入充電樁充電,剩余10%電動(dòng)汽車仍選擇在下班后隨機(jī)接入充電樁充電(表1)。
表1分時(shí)段充電價(jià)格表
在21 : 00之后充電負(fù)荷開(kāi)始增加,23 : 00之后再次出現(xiàn)陡增趨勢(shì);22 : 00總負(fù)荷出現(xiàn)較大峰值605kW,在小區(qū)配電變壓器安全運(yùn)行容量范圍內(nèi)(圖4)。求解目標(biāo)函數(shù),用戶充電費(fèi)用2217元,與無(wú)序充電方式相比較,充電費(fèi)用節(jié)省80%。
圖4分時(shí)電價(jià)響應(yīng)的有序充電方式負(fù)荷變化曲線
隨機(jī)抽取第3輛電動(dòng)汽車用戶為例,分析計(jì)算該用戶充電費(fèi)用。該用戶電動(dòng)汽車品牌是北汽EX360,電池容量48kWh,充電起始荷電狀態(tài)SOC為28%, 用戶需求是充滿電,SOC達(dá)到100%根據(jù)用戶需求,按照恒功率7kW交流充電樁充電,北汽EX360充滿電需5小時(shí)(表2)。
表2不同充電方式下的充電費(fèi)用明細(xì)
在無(wú)序充電方式下,該用戶17 : 30下班到住宅小區(qū)接入充電樁充電,在峰時(shí)段(17 : 30-21 : 00)充電3.5h,在平時(shí)段(21 : 00-22 : 30)充電1.5h0北汽EX360單次充滿電,需花費(fèi)用戶44.83元。 用戶響應(yīng)分時(shí)電價(jià)下的有序充電方式,分別為響應(yīng)平時(shí)段有序充電和響應(yīng)谷時(shí)段有序充電。響應(yīng)平時(shí)段有序充電,用戶下班后沒(méi)有接入充電樁充電而是在21 : 00接入充電。在平時(shí)段(21 : 00-23 : 00)充電2h,在谷時(shí)段(23 : 00-次日2 : 00)充電3h。同理計(jì)算,北汽EX360單次充滿電,需花費(fèi)用戶41.71元,充電費(fèi)用節(jié)省7%。響應(yīng)谷時(shí)段有序充電,用戶下班后沒(méi)有接入充電樁充電,而是在23 : 00接入充電。在谷時(shí)段(23 : 00-次日4 : 00)充電5h。同理計(jì)算,北汽EX360單次充滿電,需花費(fèi)用戶37.54元,充電費(fèi)用節(jié)省16%。
4.4 動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)的有序充電方式
考慮48輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷響應(yīng)有序充電,在充電電價(jià)分時(shí)段的基礎(chǔ)上,90%用戶響應(yīng)充電服務(wù)價(jià)有序充電方式。住宅小區(qū)電動(dòng)汽車用戶結(jié)合自身出行需求,由充電管理系統(tǒng)控制充電樁電流大小,盡量選擇在充電價(jià)格較低時(shí)間段充電。充電負(fù)荷主要集中在充電電價(jià)谷時(shí)段(23 : 00-6 : 00)、充電服務(wù)價(jià)低時(shí)段(13 : 00-15 : 30)充電(圖1)。夜間,普通電力負(fù)荷雖然在22:00之后急劇下降,但充電價(jià)格也同時(shí)下降,吸引電動(dòng)汽車用戶積極參與充電服務(wù)價(jià)下的有序充電方式。白天,充電電價(jià)在平時(shí)間段(11 : 30-16 : 00)較低,充電服務(wù)價(jià)在13 : 00-15 : 30時(shí)間段較低,相互疊加,共同作用,影響充電價(jià)格在13 : 00-15 : 30時(shí)間段較低,電動(dòng)汽車充電負(fù)荷增加約100kWo與此同時(shí),普通電力負(fù)荷在10 : 00-13 : 00時(shí)間段迎來(lái)負(fù)荷“小高峰",再次疊加,形成總負(fù)荷在時(shí)間段11 : 30-13 : 00時(shí)間段形成“小高峰",較大負(fù)荷400kW,仍在小區(qū)配電變壓器安全運(yùn)行容量范圍內(nèi)。求解目標(biāo)函數(shù),用戶充電費(fèi)用1334元,與無(wú)序充電方式相比較,充電費(fèi)用節(jié)省 88%(圖 5)。
圖5小區(qū)內(nèi)48輛電動(dòng)汽車響應(yīng)動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)有序充電方式的負(fù)荷變化曲線
計(jì)入小區(qū)用戶計(jì)劃的72輛電動(dòng)汽車后,仿真模擬120輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷響應(yīng)充電服務(wù)價(jià)下的有序充電,總負(fù)荷曲線更趨于平緩(圖6)。
圖6小區(qū)內(nèi)120輛電動(dòng)汽車響應(yīng)動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)有序充電方式的負(fù)荷變化曲線
48輛電動(dòng)汽車、120輛電動(dòng)汽車充電負(fù)荷分別響應(yīng)充電服務(wù)價(jià)下的有序充電與無(wú)序充電方式相比較負(fù)荷波動(dòng)性(表3)。
與分時(shí)電價(jià)下的有序充電方式相比,動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)的有序充電方式更能為用戶有效節(jié)省充電費(fèi)用。 而且從小區(qū)配電變壓器負(fù)荷波動(dòng)性角度看,通過(guò)響應(yīng)普通電力負(fù)荷曲線制定的動(dòng)態(tài)充電服務(wù)價(jià),對(duì)電動(dòng)汽車用戶參與有序充電更具有吸引性。在同一小區(qū)配電變壓器,更多的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷接入,不僅不超變壓器負(fù)載,而且總負(fù)荷曲線波動(dòng)性趨于平緩,“移峰填谷"作用更為明顯。
5有序充電方式應(yīng)用
在本文描述的基于分時(shí)電價(jià)、動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)的兩種有序充電方式基礎(chǔ)上,提出住宅小區(qū)停車位安裝充電樁響應(yīng)有序充電建設(shè)方案,用于指導(dǎo)實(shí)際商業(yè)應(yīng)用。
5.1 住宅小區(qū)公共停車位充電樁建設(shè)方案
對(duì)于老舊小區(qū),可能不存在物業(yè)公司等管理部門(mén),公共停車位歸業(yè)委會(huì)或居委會(huì)所有;對(duì)于新建小區(qū),一般公共停車位由物業(yè)公司負(fù)責(zé)管理。無(wú)論老舊小區(qū)還是新建小區(qū),均可以由第三方建設(shè)運(yùn)營(yíng)企業(yè)建設(shè)有序充電樁,響應(yīng)動(dòng)態(tài)分時(shí)充電價(jià)格激勵(lì),停車位經(jīng)營(yíng)管理單位(業(yè)委會(huì)或居委會(huì)、物業(yè)公司)參與收益分配,增加積極性。
5.2 住宅小區(qū)個(gè)人停車位充電樁建設(shè)方案
住宅小區(qū)業(yè)主在個(gè)人停車位安裝隨車配建的充電樁,可以通過(guò)程序升級(jí)等技術(shù)改造,申請(qǐng)加入動(dòng)態(tài)分時(shí)充電價(jià)格響應(yīng)有序充電,利用業(yè)主一般白天上班、停車位閑置時(shí)間,將個(gè)人停車位及停車位上的充電樁共享,為其他電動(dòng)汽車提供停車服務(wù)和充電服務(wù),通過(guò)個(gè)人停車位共享獲得收益o個(gè)人通過(guò)停車位共享能夠滿足其他車輛停放、 充電,獲得收益或抵扣個(gè)人充電費(fèi);停車場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理單位通過(guò)合作能從充電客戶獲取停車費(fèi)、從第三方建設(shè)運(yùn)營(yíng)企業(yè)獲取充電設(shè)施固定租金收入或服務(wù)費(fèi)分成收益。住宅小區(qū)不僅解決了充電難問(wèn)題,還解決了停車難問(wèn)題,停車場(chǎng)經(jīng)營(yíng)管理單位獲取了“停車費(fèi)+固定租金(或服務(wù)費(fèi)分成)"收入,電動(dòng)汽車用戶能用低成本充滿電,第三方建設(shè)運(yùn)營(yíng)企業(yè)提高了充電設(shè)施使用率,實(shí)現(xiàn)了多方合作、互利共贏局面。
AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控,實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理,交易結(jié)算,資要管理、電能管理,明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓,欠壓,絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警;充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng),用戶通過(guò)微信、支付寶,云閃付掃碼充電。
6.2應(yīng)用場(chǎng)所
適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。
6.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
6.3.1系統(tǒng)分為四層:
1)即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。
2)數(shù)據(jù)采集層:包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù),并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。
3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層:通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。
4)數(shù)據(jù)中心層:包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器,應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站,數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。
5)應(yīng)客戶端層:系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。
小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能,同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP,充電用戶提供充電小程序。
6.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能
6.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況,對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示,同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁,查看設(shè)備使用率,合理分配資源。
6.4.2.實(shí)時(shí)監(jiān)控
實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況,主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓/電流,充電樁告警信息等。
6.4.3交易管理
平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶,對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作,可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。
6.4.4故障管理
設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息,平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理,同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送,運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。
6.4.5統(tǒng)計(jì)分析
通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái),從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度,查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。
6.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理
在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶,運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施,維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng),同時(shí)可管理在線卡用戶充值、 凍結(jié)和解綁。
6.4.7運(yùn)維APP
面向運(yùn)維人員使用,可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況,進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置,同時(shí)可接收故障推送
6.4.8充電小程序
面向充電用戶使用,可查看附近空閑設(shè)備,主要包含掃碼充電、賬戶充值,充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。
6.5系統(tǒng)硬件配置
類型 | 型號(hào) | 圖片 | 功能 |
安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái) | AcrelCloud-9000 | 安科瑞響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保、綠色出行的號(hào)召,為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁,包含智能7kW交流充電樁,30kW壁掛式直流充電樁,智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來(lái)滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營(yíng)管理的市場(chǎng)需求,提供電動(dòng)汽車充電軟件解決方案,可以隨時(shí)隨地享受便捷高效安全的充電服務(wù),微信掃一掃、微信公眾號(hào)、支付寶掃一掃、支付寶服務(wù)窗,充電方式多樣化,為車主用戶提供便捷、高效、安全的充電服務(wù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池快速、高效、安全、合理的電量補(bǔ)給,能計(jì)時(shí),計(jì)電度、計(jì)金額作為市民購(gòu)電終端,同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性。 | |
互聯(lián)網(wǎng)版智能交流樁 | AEV-AC007D | 額定功率7kW,單相三線制,防護(hù)等級(jí)IP65,具備防雷 保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、遠(yuǎn)程升級(jí),支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方:4G/wifi/藍(lán)牙支持刷卡,掃碼、免費(fèi)充電可選配顯示屏 | |
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 | AEV-DC030D |
| 額定功率30kW,三相五線制,防護(hù)等級(jí)IP54,具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、恒流恒壓、電池保護(hù)、遠(yuǎn) 程升級(jí),支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式:4G/以太網(wǎng) 支持刷卡,掃碼、免費(fèi)充電 |
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 | AEV-DC060S | 額定功率60kW,三相五線制,防護(hù)等級(jí)IP54,具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、恒流恒壓、電池保護(hù)、遠(yuǎn)程升級(jí),支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式:4G/以太網(wǎng) 支持刷卡,掃碼、免費(fèi)充電 | |
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 | AEV-DC120S |
| 額定功率120kW,三相五線制,防護(hù)等級(jí)IP54,具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、智能監(jiān)測(cè)、智能計(jì)量、恒流恒壓、電池保護(hù)、遠(yuǎn)程升級(jí),支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式:4G/以太網(wǎng) 支持刷卡,掃碼、免費(fèi)充電 |
10路電瓶車智能充電樁 | ACX10A系列 | 10路承載電流25A,單路輸出電流3A,單回路功率1000W,總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別、獨(dú)立計(jì)量、告警上報(bào)。 ACX10A-TYHN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持投幣、刷卡,掃碼、免費(fèi)充電 ACX10A-TYN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持投幣、刷卡,免費(fèi)充電 ACX10A-YHW:防護(hù)等級(jí)IP65,支持刷卡,掃碼,免費(fèi)充電 ACX10A-YHN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持刷卡,掃碼,免費(fèi)充電 ACX10A-YW:防護(hù)等級(jí)IP65,支持刷卡、免費(fèi)充電 ACX10A-MW:防護(hù)等級(jí)IP65,僅支持免費(fèi)充電 | |
2路智能插座 | ACX2A系列 | 2路承載電流20A,單路輸出電流10A,單回路功率2200W,總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別,報(bào)警上報(bào)。 ACX2A-YHN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持掃碼充電 ACX2A-YN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持刷卡充電 | |
20路電瓶車智能充電樁 | ACX20A系列 | 20路承載電流50A,單路輸出電流3A,單回路功率1000W,總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別,報(bào)警上報(bào)。 ACX20A-YHN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持刷卡,掃碼,免費(fèi)充電 ACX20A-YN:防護(hù)等級(jí)IP21,支持刷卡,免費(fèi)充電 | |
落地式電瓶車智能充電樁 | ACX10B系列 | 10路承載電流25A,單路輸出電流3A,單回路功率1000W,總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、空載保護(hù)、故障回路識(shí)別、遠(yuǎn)程升級(jí)、功率識(shí)別、獨(dú)立計(jì)量、告警上報(bào)。 ACX10B-YHW:戶外使用,落地式安裝,包含1臺(tái)主機(jī)及5根立柱,支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL:戶外使用,落地式安裝,包含1臺(tái)主機(jī)及5根立柱,支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤(pán)本地投放圖片及視頻廣告 | |
智能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān) | ANet-2E4SM |
| 4路RS485 串口,光耦隔離,2路以太網(wǎng)接口,支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP(主、從)、104(主、從)、建筑能耗、SNMP、MQTT;(主模塊)輸入電源:DC 12 V ~36 V 。支持4G擴(kuò)展模塊,485擴(kuò)展模塊。 |
擴(kuò)展模塊ANet-485 | M485模塊:4路光耦隔離RS485 | ||
擴(kuò)展模塊ANet-M4G | M4G模塊:支持4G全網(wǎng)通 | ||
導(dǎo)軌式單相電表 | ADL200 | 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量,輸入電流:10(80)A; 電能精度:1級(jí) 支持Modbus和645協(xié)議 證書(shū):MID /CE認(rèn)證 | |
導(dǎo)軌式電能計(jì)量表 | ADL400 |
| 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量,分相總有功電能,總正反向有功電能統(tǒng)計(jì),總正反向無(wú)功電能統(tǒng)計(jì);紅外通訊;電流規(guī)格:經(jīng)互感器接入3×1(6)A,直接接入3×10(80)A,有功電能精度0.5S級(jí),無(wú)功電能精度2級(jí) 證書(shū):MID /CE認(rèn)證 |
無(wú)線計(jì)量?jī)x表 | ADW300 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測(cè)量,有功電能計(jì)量(正、反向)、四象限無(wú)功電能 、總諧波含量、分次諧波含量(2~31次) ;A、B、C、N四路測(cè)溫;1路剩余電流測(cè)量;支持RS485/LoRa/2G/4G/NB;LCD顯示;有功電能精度:0.5S級(jí)(改造項(xiàng)目推薦) 證書(shū):CPA/CE認(rèn)證 | |
導(dǎo)軌式直流電表 | DJSF1352-RN | 直流電壓、電流、功率測(cè)量,正反向電能計(jì)量,復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì),SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入較大1000V,電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級(jí),1路485通訊,1路直流電能計(jì)量AC/DC85-265V供電 證書(shū):MID/CE認(rèn)證 | |
面板直流電表 | PZ72L-DE | 直流電壓、電流、功率測(cè)量,正反向電能計(jì)量:紅外通訊:電壓輸入較大1000V,電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級(jí) 證書(shū):CE認(rèn)證 | |
電氣防火限流式保護(hù)器 | ASCP200-63D | 導(dǎo)軌式安裝,可實(shí)現(xiàn)短路限流滅弧保護(hù)、過(guò)載限流保護(hù)、內(nèi)部超溫限流保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、線纜溫度監(jiān)測(cè)等功能;1路RS485通訊,1路NB或4G無(wú)線通訊(選配);額定電流為0~63A,額定電流菜單可設(shè)。 |
7結(jié)語(yǔ)
在考慮住宅小區(qū)充電樁難安裝的背景下,本文根據(jù)電動(dòng)汽車用戶出行習(xí)慣、充電特點(diǎn)和住宅小區(qū)配電變壓器容量限制因素,提出利用改進(jìn)粒子群算法建立以用戶充電費(fèi)用較低為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)仿真分析,得到以下結(jié)論:與無(wú)序充電方式相比, 兩種有序充電方式都能節(jié)省充電費(fèi)用,負(fù)荷波動(dòng)性趨于平緩;與分時(shí)電價(jià)響應(yīng)的有序充電方式相比,通過(guò)小區(qū)配網(wǎng)負(fù)荷曲線制定的動(dòng)態(tài)服務(wù)價(jià)響應(yīng)有序充電方式更能夠平抑負(fù)荷曲線,提升小區(qū)配網(wǎng)設(shè)施利
用率與安全性,且對(duì)電動(dòng)汽車用戶吸引度高,能夠積極響應(yīng)。規(guī)?;妱?dòng)汽車應(yīng)用后,響應(yīng)動(dòng)態(tài)分時(shí)電價(jià)的有序充電方式的用戶比例越高,“移峰填谷"作用越明顯。
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作者簡(jiǎn)介
劉細(xì)鳳,女,安科瑞電氣股份有限公司,從事電氣相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)工作