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智能电网面临新挑战：电动汽车充电负荷管理
摘要
由于能源短缺、空气污染和温室气体过量排放，插电式电动汽车可被看作当前化石燃料车的替代方案。但PHEV充电给电力系统安全运行带来严重问题。智能电网以其灵活的操作方式很可能解决这个问题。本文讨论了智能电网和PHEV充电负载之间的关系。然后根据不同的运行模式介绍PHEV对电力系统的影响。第三部分介绍了协调式收费时间表模型，最后一部分讨论了构建通信网络的核心技术。
copy;2011 Elsevier Ltd出版.根据CC BY - NC - ND许可开放访问。
电子科技大学（UESTC）负责选择和/或同行评审。
关键词：充电负荷；插电式混合动力电动汽车（PHEV）；智能电网；无线个域网
1 介绍
能源短缺、空气污染和温室气体过量排放是当今世界面临的三大严重问题[1]。作为当前流行的化石燃料车辆，插电式混合动力电动车辆（PHEV）和纯电池电动车辆（EV）的替代方案（为了简化，这两种类型的目标车辆在本文的下一部分统称为PHEV）被看作是解决这些问题的有效方法。但是，由于这些PHEV或EV充电电池需要大量的电力消耗，电网运行安全性及其当前的管理方法面临着巨大的挑战。
到目前为止，一些研究侧重于电池充电对电网的影响，然后是优化充电时间表[2〜8]。其他论文将研究重点放在有关技术的实现上，如通信方式或收费控制策略[9,10]。因此，在这些研究的基础上，本文尝试开发新型结构来描述插电式混合电动汽车与电网之间的相互作用。从这个描述性模型中，我们可以很容易地理解，只有智能电网才有能力管理PHEV充电过程。
2 智能电网和PHEVs充电问题
在讨论PHEV充电对电网的挑战之前，有必要分析这两种不同系统之间的相互作用。我们知道，插电式混合动力车总是在公路上行驶并停在停车位，这些车辆通过插入电源插座或通过车载发电来充电。因此，对于PHEVs充电问题，电力能源从电网流入电池的耗电场所与地理空间有很强的亲和力。换句话说，车辆在一个区域内的通量，停车位以及运输管理方法将影响PHEV充电电力消费场所。所有这些因素构成了所谓的交通网络。另一方面，电能仅通过配电网传输，这限制了传输线中流动的能量。与道路改造相比，建设城市输电线路不费成本或施工便利。但为了满足PHEV充电要求，大规模重建配电网仍然很困难。因此，从电力能源流动的角度来看，PHEV充电过程可以考虑从电网流向电池的时间和地理空间电池的电能。另一个问题是无论道路车辆通量还是电力线路中流动的电力能量都一直在变化。这增加了插电式混合电动汽车充电管理的难度。很显然，我们不可能加强强大的动力系统来满足PHEV的充电负荷。因此，具有灵活控制角色的智能电网有可能成功管理PHEV充电负载。因此，无论是什么类型的通信网络，作为交通网络与电网之间的信息交换桥梁，都是不可或缺的。因此，未来配电网大容量PHEV充电负荷的机理可以看作是三个网络之间的相互作用：交通网、电网和通讯网。这可以在图2中示出。
图1 这三个网络之间的相互作用
这三种网具有不同的数学模型，具有不同的侧重点。电网更加重视其运行的安全和经济。运输网关心车辆的流动更流畅。而通信网络则关注通信系统的鲁棒性低成本运行。因此，PHEVs充电管理是一个非常复杂的问题。
3 充电负荷对电网的影响
从上面的讨论中，很明显，电动汽车的充电负荷对电网的运行有着巨大的影响。基于电能流动方向，我们可以将PHEVs操作模型分为充电模型和生成模型。第一个模型是能量从电网流向PHEV的电池。第二个模型的意思是，能量以相反的方向流动，并且将储存在电池中的能量注入到电网中。因此，不同的PHEVs操作模型对电网有不同的影响。
在充电模型中，PHEVs的电池可以看作是电网的负荷。但不同于其他常见负荷，PHEVs充电负荷有其特点，例如大功率需求和充电过程可控。众所周知，PHEV电池的最大存储容量在11kWh左右，而通常家用充电器的最大输出功率为4kW[4]。随着PHEVs技术的成熟，PHEVs的数量在未来几年将会跟随指数曲线。一些研究指出，在2030年，世界上大多数城市的PHEVs的最大渗透度将达到30%左右。这意味着2030年将有30%的车辆将使用PHEVs。在这里，我们可以用北京城市的预测数据来说明这个场景。根据北京市政府的估计，到2030年北京机动车数量将达到1000万辆。这意味着大约300万辆汽车是PHEV，他们需要每天充电。如果我们假设每个PHEV的充电负荷为8kWh，那么所有这些PHEV的总能耗将高达每天2400万kWh。这可能会导致在电力消耗中出现额外大而不受欢迎的峰值。当然，不同位置的PHEVs充电负荷的变化也会影响系统的损耗和电压的偏差。因此，PHEVs充电负荷对电力系统有很大的影响。
充电模式的另一个特点是充电过程的可控。这意味着充电器可以减少电池充电电流，甚至可以暂时停止对电网安全的充电。这将减少对电池寿命的危害。正是充电过程的可控性为实现优化充电调度提供了方便。
PHEVs可以在生成模型中运行。这意味着可以将储存在PHEVs电池中的电能注入到电网中。因此，PHEVs可以看作是分布产生的植物或储能设备。特别地，我们可以设想，当电网在谷点运行时，PHEVs在充电模式下运行，并储存电能，当电网在峰值点运行时，PHEVs释放出电力。如果有成百上千的PHEVs将它们的能量注入到电网中，总功率可能会超过中等规模的发电机组。依靠PHEVs储存的能量和释放的能量，电网可以以峰值剃须和山谷填充的方式运行。这将增加电力系统的安全性和经济性。当然，这显然增加了电力系统操作的复杂性。
4 优化PHEVs充电计划
优化充电计划或协调充电管理是该领域的研究热点之一。一般来说，当车辆在充电时或在固定的启动时延后立即充电以一种不协调的充电方式，将导致严重的电网事故，如输电线路过载或某些公共汽车的电压严重下降。因此研究协调充电计划是必要的。
基于优化技术建立了熟悉的数学模型[3]。通常，该对象是最小化系统功率损耗，可以被描述为:
该模型的约束条件可分为两类:电力系统安全约束和电池充电需求。第一个约束可以写为:
其中N为公共汽车总数；Pi和Qi是注入到公共汽车i的净有功功率和无功功率；theta;ij= theta;iminus; theta;j 为i，j的电压之间的相位差；Gij jBij 是系统导纳矩阵中的对应元素。Ng是发电机的总数量；Vj,min,Vj,max 是公共汽车j电压等级下限和上限；PGimin,PGimax, 是发电机i的有功功率下限和上限；QGimin,QGimax,是无功功率下限和发电机i的上限；
电池充电需求约束为:
n是PHEVs的充电器号码，而Pn,t是t时刻的充电电量；Pmax是充电器的最大输出功率；Cn,max是与充电器n连接的电池最大容量。最后一个约束意味着在循环结束时，电池必须充满电，所以流向电池的能量必须等于电池容量。
这一非线性优化模型，序列二次优化，动态规划，或一些进化算法可以用来解决它。但难点在于，在充电控制过程中，一些总线上的电力负荷来自于预测数据。而真实的数据，无论是普通的电力负荷还是车辆的充电负荷，都随时间的变化而变化，因此，上述的数学模型将会动态更新。
5 通信网络的关键技术
上述部分提出了如何获得系统参数的新问题，如发电机的状态、某些公共汽车上的负荷消耗、或者一些公园的充电车辆数量等，必须及时得到。这意味着我们应该建立一个通信网络来监控整个电力系统，并在电力系统和充电车辆之间交换数据。
一般来说，这个通信网络可以分为两部分。至于电力系统，通信网络的功能可以通过所谓的先进计量基础设施(AMI)实现，它可以详细地提供电力系统运行信息。但交通网络的对应，如车辆GPS定位设备，或十字路口的交通流量监测装置，不足以提供足够的数据来分析充电负荷的需求与控制车辆的充电过程。因此，有必要加强车辆通信网络与AMI系统的数据交换。
与光纤以太网技术相比，无线传感器网络(WSN)由于其更便宜、更小、更智能，具有很大的潜力成为通信网络的核心部分。ZigBee技术、蓝牙、Wi-fi(802.11)和电力线通信是构建WSN的可能选项。但是从成本和低功耗的角度来评价这些技术，无线个域网非常适合作为理想的通信平台，其数据速率高达250Kbps，超过10到100米的范围[9]。我们可以在充电站、PHEVs等设备上设置这些无线个域网设备，他们可以自动构建一个网络，用于通信相关信息，比如电池的充电状态、充电站充电的可用空间等等。我们还可以设置一个根节点，它充当网络管理，并充当连接互联网的桥梁。所有数据可以通过根节点路由到电能管理系统(EMS)。在这种情况下，可以将PHEVs充电负荷看作是电力系统的可控负荷。
当然，其他新兴技术，如无线射频识别(RFID)或云计算，也有可能成为管理PHEVs充电的关键技术。
6 结论
智能电网面临着大量的PHEVs充电负荷的新挑战。不同的运行模式，PHEVs对电力系统的安全性和经济性有不同的影响。在智能电网环境下协调充电计划是解决这一问题的关键。智能电网和WSN技术的AMI基础设施是使整个系统正常运行的必要条件。由于PHEVs充电管理的复杂性，未来的工作主要集中在协调调度模型、电池技术和PHEVs充电负荷预测和管理上。
参考文献
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- Preetika Kulshrestha, Kaushik Swaminathan, Mo-Yuen Chow, etc.“评价在市政停车场控制PHEVs充电的无线个域网通信平台”.IEEE车辆动力和推进会议，2009. VPPC 09, pp. 1211-1214.
- Sebastian Kabisch, etc.“电动汽车与智能电网的互联互通”.第一届智能电网通信国际会议(智能电网通信公司)，2010, pp. 161-166.
电动汽车充电负荷对节点电压偏差的影响研究
摘要
电动汽车的推广应用将有助于解决能源短缺、环境污染等问题，实现国家经济和能源安全。但是，大规模的车辆对电网系统可能会对配电网运行、电网规划等方面产生不利影响。首先，本文收集了影响电动汽车充电负荷的因素，并采用蒙特卡罗方法建立了电动汽车充电负荷模型。然后，分析了基于IEEE30节点系统的不同渗透率下电动汽车充电负荷对节点电压偏差的影响。最后，本研究得出结论:节点电压偏差与EV渗透率、节点类型和节点位置密切相关。本研究结论将为充电站规划提供实际指导。
关键词：配电网、电动汽车充电负荷(EVCL)、随机负荷、电压偏差
1 影响电动汽车充电负荷的因素
电动汽车充电负荷主要受渗透率、充电特性和用户充电行为的影响[9,10]。渗透率是指所有汽车中电动汽车的比例，充电特性包括电池容量、额定电压、额定功率等，用户的充电行为包括开始充电时间、日行驶里程和充电状态(SOC)。本文以蓄电池电动汽车为研究对象，参考模型为比亚迪E6，其具体参数如表1所示。
表1.比亚迪E6的具体参数
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种类 |
行驶里程/公里 |
电池容量 |
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电池电动汽车 |
400 |
82KWhlt; 全文共6623字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[14704]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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