V2G模式下电动汽车充放电控制策略研究.pdf
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1、Pure Mathematics 理论数学理论数学,2023,13(10),2764-2774 Published Online October 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/pm https:/doi.org/10.12677/pm.2023.1310284 文章引用文章引用:刘广才,刘晓波,李志明,刘旭民.V2G 模式下电动汽车充放电控制策略研究J.理论数学,2023,13(10):2764-2774.DOI:10.12677/pm.2023.1310284 V2G模式下电动汽车充放电控制策略研究模式下电动汽车充放电控制策略研究 刘
2、广才,刘晓波刘广才,刘晓波,李志明李志明,刘旭民刘旭民 贵州大学电气工程学院,贵州 贵阳 收稿日期:2023年9月1日;录用日期:2023年10月1日;发布日期:2023年10月9日 摘摘 要要 随着电动汽车的日益增加,大量电动汽车入网将会对电力系统产生深刻影响。对电动汽车的有序充放电随着电动汽车的日益增加,大量电动汽车入网将会对电力系统产生深刻影响。对电动汽车的有序充放电策略进行研究可以缓解电动汽车规模化入网造成的负面影响。本文首先对策略进行研究可以缓解电动汽车规模化入网造成的负面影响。本文首先对V2G(Vehicle-to-Grid)进行阐进行阐述,介绍其概念、工作原理、主要功能及其关键技
3、术。其次通过对电动汽车入网进行无序充电和有序充述,介绍其概念、工作原理、主要功能及其关键技术。其次通过对电动汽车入网进行无序充电和有序充电的介绍,论述了对电的介绍,论述了对V2G模式下电动汽车有序充放电控制策略研究的必要性。然后介绍了电动汽车的充模式下电动汽车有序充放电控制策略研究的必要性。然后介绍了电动汽车的充电需求模型、充放电控制策略及其模型求解方法。最后对国内外有关电需求模型、充放电控制策略及其模型求解方法。最后对国内外有关V2G的示范应用进行了介绍,并对的示范应用进行了介绍,并对V2G技术在国内外的研究现状进行了总结和展望技术在国内外的研究现状进行了总结和展望。关键词关键词 电动汽车,
4、电动汽车,V2G(Vehicle-to-Grid),有序充放电,控制策略,有序充放电,控制策略 Research on Charge and Discharge Control Strategy of Electric Vehicles in V2G Mode Guangcai Liu,Xiaobo Liu,Zhiming Li,Xumin Liu School of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang Guizhou Received:Sep.1st,2023;accepted:Oct.1st,2023;published:Oc
5、t.9th,2023 Abstract With the increasing number of electric vehicles,a large number of electric vehicles will have a profound impact on the power system.The research on the orderly charging and discharging strategy of electric vehicle(EV)can alleviate the negative impact of large-scale EV network.In
6、this paper,V2G(Vehicle-to-Grid)is introduced firstly,including its concept,working principle,main functions and key technologies.Secondly,through the introduction of electric vehicle(EV)random charging and sequential charging,this paper discusses the necessity of research on the control strategy of
7、EV orderly charging and discharging in V2G mode.Then the charge demand model,刘广才 等 DOI:10.12677/pm.2023.1310284 2765 理论数学 charge and discharge control strategy and model solving method of electric vehicle are introduced.Finally,it introduces the demonstration application of V2G at home and abroad,an
8、d summarizes and looks forward to the research status of V2G technology at home and abroad.Keywords Electric Vehicles,V2G(Vehicle to Grid),Orderly Charging and Discharging,Control Strategy Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution
9、 International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着现代社会的不断发展,家用汽车大量进入寻常人家,使人们的出行更为便捷。但是,燃油汽车增加了对化石能源的消耗,其过度消耗将导致能源危机。同时,大量汽车尾气排放对环境造成了严重影响,如酸雨、温室效应等,更是严重影响了人们的身体健康。针对严峻的能源与环境问题,人们开始寻求方法解决能源危机和空气污染,实现低碳经济以及绿色可持续发展。以电能为动力的电动汽车在此背景下逐渐兴起,成为解决上述问题的重要举措。近年来,我国提出了“双碳”目标和节能
10、减排战略,电动汽车迅速发展。根据公安部数据,到 2022 年 9 月底,我国的新能源汽车保有量已经超过了 1149 万辆,其中纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)的数量高达 926 万辆,占比 80.56%1。然而,由于电动汽车的规模化入网,会给我们的电力系统造成严重的威胁,从而给电网的稳定性带来巨大挑战,如电网峰谷差不断增大2、电压质量下降3、电力系统网络损耗增加4等不利影响。此外,电动汽车配套充电设施在充电的过程中存在大量的 AC/DC 转换,将产生大量的谐波给电网带来谐波污染。用户出行习惯的不确定性将会导致电动汽车充电负荷在时间和空间上具有较大的随机性,使得电网运行调控越
11、来越困难。综上,电动汽车的规模化入网会对电网造成诸多不利影响,如不对其采取相应的控制措施,将会给电网运行带来极大的压力。V2G 技术具有实际应用前景,是建设智能电网的必然要求,因此有必要对其进行深入研究。2.V2G 2.1.V2G 的概念的概念 在 1995 年,Amory Lovins 首次提出 V2G 的概念,随后特拉华大学教授 William Kempton 对 V2G 进行了进一步的发展。V2G(Vehicle-to-Grid)是一种将汽车与电网相连接的技术,它的核心思想是可以实现车辆与电网的互动。将电动汽车的车载动力电池作为分布式储能单元,能够使电网和电动汽车之间的能量相互流动,从而
12、可以对电动汽车用户的充电行为进行管理,引导用户进行有序充电,在一定程度上降低电网受到电动汽车负荷的冲击5。要实现对电动汽车用户每日的充放电行为进行控制,可将 V2G 技术考虑进去;在每日的负荷低谷阶段,因用电需求的降低,电网可以利用电动汽车的动力电池将发出的过多电量进行存储,采用降低电动汽车充电价格的措施用来引导电动汽车在这个阶段进行充电;在用电高峰阶段,电网可以提高电动汽车充电的价格,可以规避电动汽车在负荷高峰阶段集中充电,从而减小峰谷差、降低电动汽车充电成本与系统的网络损耗6 7。在 V2G 模式下,对大规模电动汽车进行智能调度,在满足电动汽车用户日常出行需求的前提下,能够给用户侧带来经济
13、收益,同时有利于电网的稳定,Open AccessOpen Access刘广才 等 DOI:10.12677/pm.2023.1310284 2766 理论数学 实现了双赢,对电动汽车的大力发展有着重要影响8。2.2.V2G 的工作原理的工作原理 电动汽车与电网互动技术是一项较为前沿的新型科学技术,其结构框架有车辆层、智能充放电装置层、本地监控层和电网层,其结构示意图如图 1 所示。工作原理大致如下所述。当电动汽车与智能充放电装置连接后,车辆层将电动汽车的荷电状态、动力电池额定容量、充放电上下限以及预计在网的充电时间等相关信息反馈给智能充放电装置层。智能充放电装置层获取车辆层上报的相关信息后,
14、将其反馈给本地监控层的管理系统。本地监控层将智能充放电装置层获取的信息整合,将其上报给电网层的安全监控和数据采集系统。电网层是系统的最上层,在接收到本地监控层上报的电动汽车相关数据、分时电价等信息后,根据这些信息制定系统的调度计划,并将工作计划下发送给本地监控层,然后本地监控层根据电网层下发的工作计划向智能充放电装置层发出工作指令,智能充放电装置层执行本地监控层下达的充放电功率指令,对连接车辆进行充放电操作。Figure 1.A schematic of the structure of V2G 图图 1.V2G 的结构示意图 2.3.V2G 的主要功能的主要功能 1)削峰填谷 随着电动汽车的
15、大量普及,电动汽车的数量不断增长,然而对于大部分电动汽车,其停车时间远远大于用车时间,因此可以将电动汽车动力电池所储存的电能加以合理的利用。文献9在电动汽车接入电网、电动汽车与电网功率交换方面进行了研究,指出在一天中的负荷高峰期,电动汽车将自身多余的有功功率输送给电网,在一天中的负荷低谷期,电动汽车从电网中吸收有功功率,从而实现负荷曲线的削峰填谷,降低电网的峰谷差,提高负荷率和设备使用率,在保证供电可靠性的同时,减少、减缓电力系统规划建设投资。2)调频和调压 电压和频率的调节是电网日常运行管理的一个重要方面,而电网在这方面采取的措施是利用电能储刘广才 等 DOI:10.12677/pm.202
16、3.1310284 2767 理论数学 蓄,可以有效规避功率不平衡的问题。电力系统有功功率的供需平衡是由电网根据负荷的需求对频率进行调节来实现。大型发电机组的有功出力是目前主要的调频方式,但其缺点是使用和维护的成本很高,且响应速度慢。电动汽车动力电池的电能来自电网,而电动汽车也可以将自身动力电池储蓄的电能反馈给电网,因而电力系统中能量的不平衡可以利用电动汽车的充放电来加以平衡,以维持电网频率的稳定。当电动汽车参与电力系统的频率调节时,电动汽车通过电力电子接口接入电网参与 V2G 调频,具有比传统机组更快的响应速度10。文献11通过对电力系统的调频过程在电动汽车的参与下进行了分析,验证其在参与调
17、节电力系统频率方面的优越性及其可行性。3)提供旋转备用 旋转备用,指发电机的转速运行正常,维持在一个额定的转速,能够实现随时并入电网,或者已经并入电网但是基本不带负荷,因而能够随时加大出力达到发电机组的额定容量。成本高、耗时长是传统旋转备用的缺点,随着可再生能源的入网,以风电为代表的可再生能源发电迅速发展,但由于风电出力的不稳定性,大规模的风电接入电网将会給电网的稳定运行带来巨大的挑战。对于当下的情况,传统的旋转备用预留方式难以满足,而且只依靠火电机组来提供旋转备用也变得不太科学,而利用电动汽车的动力电池来代替备用发电机不仅可以节约成本还更加灵活。文献12针对需求侧的旋转备用优化问题,提出了将
18、电动汽车作为旋转备用调度的研究策略,通过算例分析得出其显著提高了系统运行的可靠性。2.4.V2G 的关键技术的关键技术 电网对电动汽车储能源的规划与调度,通过在电网与电动汽车群之间建立一个中间系统,负责将一定区域内的电动汽车组织成一个整体服从电网调度。随着电动汽车数量的大量增加,由总调度中心统一完成调度难度急剧上升。文献13针对大量的电动汽车接入电网不仅会导致用电负荷急剧增加,而且还会使电网的集中调度模式存在多维度的处理难题进行了研究,提出将不同时间尺度加以考虑的电动汽车充电负荷模型,能够预测未来电动汽车多时间尺度充电负荷。文献14将不同层次、不同区域各自调度的思想与电动汽车的调度相结合,构建
19、了不同层次、不同区域的电动汽车优化调度充电模型。文献15提出了一种基于电动汽车与电网互动的电动汽车调度策略,能够实现电动汽车的充电与放电的双层优化。要使电动汽车内部充放电系统能够实现电网与电动汽车之间的电能进行双向流动,电网与电动汽车之间需要一个连接双方的充电器,并且这个充电器是一个能够使电网与电动汽车之间能量相互流动的智能充电器,即该智能充电器既能够为电动汽车充电,也能够根据调节向电网回馈能量。双向充电器由三相 PWM 整流器、双向 DC-DC 变流器、双向 AC-DC 变流器以及滤波电路组成16。当电动汽车用户在进行充电的时候,智能充电器启动充电模式。智能充电器在接入交流电时会产生不需要的
20、谐波分量,这时滤波器会将其虑除掉;电动汽车动力电池充电是直流充电,这时双向 AC-DC 变流器将处于工作模式,将交流电整流为直流电。为了避免直流储能单元的电压与双向变流器 AC-DC 所输出来的电压不匹配,还需要一个用来调整电压使得充电电压保证在合理区间的双向变流器 DC-DC。当电动汽车停放时,可进行放电操作,智能充电器启动充电模式,其放电过程与充电过程正好相反。V2G 的一个核心技术就是双向DC-AC 变流器,其充电过程与放电过程就是依靠此变流器完成,能够实现对电能质量的输入与输出进行合理的控制,进而合理地优化电网运行17。3.EV 无序充电和有序充电无序充电和有序充电 近年来,随着电动汽
21、车数量的大量增加,电动汽车大规模无序充电将对电网运行产生消极影响。文献18 19指出电动汽车充电需求表现出午间降低、晚高峰上涨的变化特征,这将使白天的电力输出无法被充分利用,同时在晚高峰进行充电将带来负荷的新高峰,出现“峰上加峰”的现象;文献20表明配电刘广才 等 DOI:10.12677/pm.2023.1310284 2768 理论数学 网的峰谷差增加,其原因之一就是由于电动汽车进行无序充电导致负荷聚集,而电动汽车的充电负荷在总负荷中的占比又较大,故峰谷差增大不可避免;文献21表明在电网基础负荷高峰时段,电动汽车充电负荷出现了聚集现象,这就导致负荷在各阶段的分布不匀称;文献22指出大量的电
22、动汽车以无序充电为主,导致本地区域的负荷峰谷差增大;此外,电动汽车的数量激增,其充电负荷随之而同步增加,这使得大量电动汽车加入电网导致电网运行压力过大,且带来变压器过载,线路阻塞等问题。引导电动汽车集群由无序充电向有序充电转变可以实现充电负荷的自我调控是一项重要解决措施。有序充电是指在满足电动汽车用户充电需求,不影响用户正常用车的基础上,利用切实可行的技术手段控制用户的充电行为,能够有效地控制和引导其接入电网完成充电。尤其是在负荷高峰时段,该措施能够有效确保电网安全、稳定运行。电价控制和功率控制是有序充电的两种具体充电控制方法23。电价控制是指采用分时电价的激励方式,在负荷较大和负荷高峰阶段提
23、高充电费用,在负荷较小和负荷低谷阶段降低充电费用,引导用户避开负荷高峰阶段而在负荷低谷阶段进行充电24。文献25提出了制定分时电价用来实现有序充电,用户可以根据分时电价进行充电,以实现降低负荷峰谷差的目的。文献26在充分考虑了用户每日的用车习惯以及电动汽车充电站的日常运行状态,提出了一种基于电价机制的有序充电控制策略,减小用户的充电成本。但因为出行的刚性需求,价格机制只能一定程度上缓解电网的调峰压力。文献27同时将电网侧和用户侧的需求纳入考虑范围,将电网侧的负荷波动最小和用户侧参与V2G 调度获得收益最大作为优化目标,求解方法采用粒子群优化算法,结果表明该方法能够有效降低电网负荷峰谷差,提高用
24、户收益。功率控制是指电动汽车进行充电的充电时间和充电功率是由电网或充电站运营商直接控制,以达到减小电网的网络损耗和峰谷差的目的。文献28提出了考虑电动汽车灵活储能的交直流混合微电网功率协调控制策略,通过搭建一个同时考虑交流电与直流的混合微型电网仿真模型,对所提控制策略的有效性进行了验证。文献29为解决电动汽车大规模入网进行无序充电带来的“峰上加峰”,导致变压器过载和系统网络损耗增加等问题,提出了以系统的负荷波动偏差最小为目标的电动汽车有序充电控制策略,并且能够控制电动汽车的实时输出功率使其达到最优。综上可知,目前针对电动汽车大规模入网进行无序充电对电网运行产生影响的相关研究表明,由于电动汽车充
25、电负荷高峰阶段与电网基础负荷高峰阶段出现了重叠,致使配电网的峰谷差率逐渐增加,出现“峰上加峰”的现象,以至于电网运行压力过大,变压器过载,线路阻塞等。而引导电动汽车集群由无序充电向有序充电转变可以有效的解决当前负荷高峰叠加问题,稳定电网运行。但是相关研究所提电动汽车有序充电策略大多针对电动汽车充电调度,只满足了电动汽车用户的充电需求,鲜有将电动汽车的动力电池可以作为电源参与放电的情况进行考虑以及未深入考虑成本等其他需求。此外,电动汽车用户的响应能力和意愿对有序充放电策略的实施的效果影响重大,在实际实施中应加以重视。电动汽车是具备储能的可控负荷,可以通过充放电的方式参与电网的调度。在白天负荷高峰
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