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一种基于电动汽车智能综合站的新型调度控制策略
摘要：为了提供一种经济有效的解决方案，以适应数量日益增长的电动汽车，最大限度地发挥其对电网的效益，充分利用退役电池，本文提出了一种新型的电动汽车智能综合站。它首先通过描述智能电网的组成部分，介绍了智能电网的框架和特点：包括调度中心、多用途换流器、电荷交换系统和梯队电池系统。及时监控智能电网的电网状态、电池交换请求和能量容量，为其最佳运行提供输入。因此引入了广义功率的概念，以便系统地理解国际太阳能电池和电动汽车之间以及国际太阳能电池和电网之间的能量/功率流动。然后，提出了一种新的电动汽车充放电控制策略。与现有方法相比，所提出的控制策略能够在满足电动汽车电池充电/交换要求时提供峰值负载转移。实验结果证明了该控制策略在电网调峰方面的有效性和优越性。这种综合站的概念可以最大限度地发挥电动汽车的优势，并使报废电池更加灵活有效。
关键词：电动汽车、广义功率、智能综合站、最优充电、智能电网。
一 .导言
随着环境和气候的恶化，在能源安全和化石能源储备方面，电动汽车因其高效率和低污染排放而受到越来越多的关注。中国正通过向买方和卖方提供大量补贴，大力发展插电式电动汽车[1]。它的目标是到2015年累计销售50万辆PEV，到2020年累计销售500万辆。
由于电动汽车依赖于电网运行，如果充电和放电管理不当，它们可能会对发电、输电和配电产生严重的不利影响[2]，[3]。电动汽车对配电网的影响可以根据以下因素来确定：行驶模式、充电特性、充电时间和车辆渗透率等[4]-[6]。Hadley和Tsvetkova [2]认为：电动汽车的接入可能会给电网带来巨大变化，影响需求高峰，降低储备利润率，并提高电价。电动汽车插电/断电时间的分布特征对总负荷有更显著的影响[7]，[8]。[9]的实验结果表明，电动汽车10%的渗透率将导致日峰值增加17.9%，而电动汽车20%的渗透率将导致峰值负荷增加35.8%。[10]的模拟结果表明，当插入式混合动力电动汽车(PHEVs)的、渗透在某种程度上受到关注时，将产生新的负载峰值，在某些情况下，这可能超过本地配电变压器的容量。
电动汽车对电网的影响也进行了调查，以找到消除它们的最佳解决方案[11]，[12]。考虑到单个充电开始时间和电池充电状态(SoC)的随机性，Staats等人[13]提出了一种预测大量电动汽车电池充电器产生的净谐波电流的方法。Sue和Chow[14]提出了一种优化管理城市停车站大量电动汽车充电的算法，并使用分配算法的估计来智能地分配电能给电动汽车。 Clement等人[15]和Lopes等人[16]使用集中控制策略来优化电动汽车管理中的各种目标，包括最小化功率损耗和负载变化，最大化电网负载系数，以及最大化可支持的电动汽车渗透率。
相反，许多研究已经研究了车辆到电网(V2G)技术。Wang和Wang [17]提出了一种电网削峰填谷的策略，利用V2G系统在非高峰时段储存能量，在高峰时段将能量注入电网。此外，V2G技术已经引起了人们的极大兴趣来使可再生能源的自然间歇性更加平滑，以确保电网频率的稳定性[18]，[19]。[20]电动汽车充电站和[21]可再生能源辅助服务的最佳规模和规划已经开展了深入的工作。
考虑到能源供应设施在电动汽车行业中的重要性，充电站对电动汽车电动汽车产业发展以及电网规划和运行[22]，[23] 有着同样重要的影响。大多数现有的充电站侧重于最大限度地减少司机的等待时间或避免在关键高峰期充电。Shao等人[24]研究了高峰时段高电价对电动汽车负荷转移的影响，但没有提供定价策略。[25]提出并开发了一种实时智能负载管理策略，用于协调PEV充电，以将发电总成本降至最低。
在中国，大多数城市没有支持电动汽车的公共充电基础设施，这是由于诸如厂区成本昂贵和限制电网集成标准等因素造成的。基础设施的缺乏是大规模家庭采用电动汽车的主要障碍之一。更糟糕的是，当电动汽车电池的容量降至初始值的80%以下时，不建议将其用于电动汽车。这些电池被称为退役电池。
为了适应大规模集成电动汽车，仍然存在以下三大挑战：
1)虽然研究人员已经分析了电动汽车电池对电网的积极影响，但由大量充电电动汽车组成的虚拟发电厂或充电站的运行仍然需要调查。
2)尽管快速充电站提供了减少客户等待时间的解决方案，但由于电动汽车的大部分负荷与正常的住宅负荷峰值相一致，因此很难实施集中充电控制。
3)通常情况下，大多数退役电池会被丢弃在大多数充电站，这对电动汽车客户来说是一个巨大的损失。
降低初始电池成本的一个选择是在退役后重新使用它们，以利用剩余价值 [26]。关于电池再利用的研究主要集中在技术和经济可行性上，并研究对初始成本的影响[27]，[28]。然而，仍然存在一些障碍，例如对二次使用中不确定降解率的敏感性，以及电池翻新和整合的高成本[26]。消除电动汽车充电对电网不利影响的一个有希望的模式是建立电池交换站。到目前为止，关于电池交换站的研究主要集中在：1)电池交换请求的投资[29]；2)服务能力[30]；3)设施位置[31]；和4)成本效益分析[32]。然而，他们只考虑电动汽车充电/放电、电池交换站或报废电池再利用的某些方面。它们不经济，而且由于它们的不可靠性，这些建筑可以覆盖很大的面积。因此，为了经济和有效的目的，有必要研究一个涵盖上述功能的综合系统。
本文提出了一种新的智能综合站的概念，将所有这些离散的元素结合在一起，而不是以一种孤立的方式处理电动汽车充电/放电、电池更换、报废电池的再利用等各个部分。作为科技部2011年批准的“电动汽车智能充换储综合站及工程示范”项目的一部分，本文提出了智能电网系统的框架，并提出了潮流调度控制策略。这类车站最突出特点是电动汽车电池可以被充电电池代替，以减少司机的等待时间。此外，电站充分利用退役电池作为储能装置，提高电网的效率、稳定性和可靠性等性能。提出了广义功率的概念，综合考虑了潮流积分和电动汽车电池更换引起的能量阶跃变化，系统而全面地研究了站内外的能量/潮流。能量分为三部分：1)电荷交换系统中的能量；2)电池系统中的能量；和3)电动汽车车载电池中的能量。根据负载水平和电动汽车电池充/换电要求，提出了一种新的控制策略来优化智能电网中电池的充/放电。所提出的控制策略能够在满足电动汽车电池充电/交换要求时，有效地提供峰值负载转移和谷值填充。电池充电经过优化，可将充电成本降至最低，并实现最佳功率平衡。该控制策略的有效性在中国上海的一个服务于15辆电动汽车的真实智能仪表系统上得到了验证。
除了潮流的调度控制外，智能电网系统还为电网提供无功电压控制、有功功率频率控制、谐波抑制等辅助服务。本文的主要贡献如下：
1)提出了一种新型电动汽车综合站，为电动汽车电池充电和交换提供便利，最大限度地减少司机的等待时间，并在高峰时段转移电动汽车负载。
2)利用广义功率研究内部和外部的能量分布，精确估计各部件的能量容量。
3)EBS可以作为能量存储系统来支持电网，例如峰值负荷转移。
4)考虑到不同的负载曲线，电动汽车辆更换的放电电池可以以不同的充电速率充电。
本文的其余部分组织如下：第二节介绍了国际空间信息系统的框架。第三节讨论了信息系统中的能量/功率流，并分析了信息系统中的广义功率。第四节讨论了智能电网充放电的调度控制策略。第五节介绍了在IIS中充放电的实验结果。结论见第六节。
二.智能综合站的结构
电动汽车充电站现有的大多数运行模式都是分散的。在此，提出了新型电动汽车充换储智能系统的概念。综合信息系统是一个电力系统集群，由消费电子产品系统、电子商务系统、多用途转换设备和调度中心组成。IIS中的功率流和信息流如图1所示，其中实线表示功率流，短虚线表示信息流。而长虚线表示电动汽车电池更换过程中的能量阶跃变化。考虑到电网的负荷情况，智能电网有望带来许多显著的优势
图1 IIS中的功率流和信息流
就退役电池的再利用、与电网的协调以及能源的最佳配置而言。智能电网的控制算法包括两部分：1)调度控制，旨在满足电动汽车电池的充/换，优化智能电网的充/放电，实现调峰填谷；以及2)辅助控制，其目的是向电网提供辅助服务，例如无功功率和电压控制、有功功率和频率控制以及谐波抑制。本文主要研究IIS的调度控制。
A.调度中心
调度中心有两个功能：1)监控电池SoC、电网运行状态和IIS中的转换器；以及2)操作多用途转换器设备和电池充电/交换。调度中心能够收集和处理来自电动汽车、IIS和电网的信息。基于上述信息，调度中心能够通过控制多用途换流器装置来调节电网和国际电力系统之间的电力交换。
B.多用途转换器装置
多用途转换装置允许电网与消费电子产品系统和电子商务系统交换电力，允许电网在低谷时段充电，在高峰时段放电。多用途转换器装置由两部分组成：1)直流/直流转换器；和2)直流/交流转换器。这两种转换器在能量交换方面具有多种优势，例如高控制精度、宽输出电流范围和低谐波。多用途转换器装置中有电池检测装置。一旦IIS中的电池组连接到转换器，电池检测设备就能够获得电池组的SoC并将其发送到调度中心。
C.收费交换系统
CES可以为电动汽车提供电池更换服务，并管理更换电池的充电。在电动汽车充电调度中，充电效率和服务质量是两个相互矛盾的方面。充电效率通常取决于充电速率，快速充电对电池性能有害，可能会给电网带来挑战。电池交换模式利用了消费电子产品的能量存储，非常有希望提高电动汽车充电的效率和安全性，从而提高客户满意度和公用事业的财务利润。此外，更换的电池被控制在低谷期充电，以避免不期望的峰值负载，降低运行成本。
D.梯队电池系统
电子制动系统为从消费电子产品或电动汽车中回收的电池的再利用提供了一个平台。在正常工作条件下，电池在达到使用寿命之前可以承受一定次数的充电/放电循环。但是能量密度的限制限制了它在电动汽车中的应用。定义为当电池容量降至初始值的80%以下时，电池从消费电子产品系统发送到电子商务系统。此外，当它下降到初始值的40%时，它可以被分解、优化，并且类似于在专门的工厂中被重新使用在EBS中。
三.IIS的广义功率
本文引入广义功率的概念来分析智能电网中的功率/能量流。广义功率(generalized energy)是指电动汽车和电动汽车中各种电能的组合，包括电动汽车的能耗、电动汽车和电网之间的潮流积分以及电动汽车电池更换过程中的能量阶跃变化。它包括三个部分：1)消费电子产品中的能量；2)电子制动系统中的能量；和3)电动汽车辆车载电池中的能量。每个系统中的广义功率有助于获得电动汽车电池的CES、EBS和SoC的准确信息，这对于预测电池交换请求和智能电网的运行状态是非常重要的。
一个周期(24小时)内的能量/功率流分为24个周期，时间间隔为1小时。接下来， 是时间间隔，是时间间隔的初始时间，是时间间隔的结束时间。分别是时间间隔t点CES的广义功率；和；是电动汽车和电动汽车车载电池的广义功率。
A.电荷交换系统的广义功率
CES的广义功率是当前时间点和时间间隔的函数
(1)
时间间隔的初始值等于时间间隔的最终值
(2)
CES的广义能量可以写成
(3)
其中是指在时间间隔内从CES上安装在船上的电池数量，而是指其能量；是指从电动汽车上更换的第k个电池的能量；是指电网和CES之间的转换器数量；是指CES和第l个转换器的电网之间的交换功率，当电流为正时，电网的电荷为正，当电流为负时，向电网放电，此时点电流的广义能量被认为是一天的初始值。为保证CES的连续运行，应保证CES在不同的周期内正常运行，并应满足以下几个方面的要求：
1）即使没有电网的支持，初始广义能量指标也能满足电动汽车的电池交换要求。2）CES能够与电网协调，提供峰荷转移等辅助服务。3）小于CES的最大容量。这三个条件可以是建模如下不等式：
其中，是维持其运行的最小/最大电容。完全放电和充电将对电池产生不利影响，因此不建议使用。在实践中，，是的 90%
(5)
其中，是由IIS操作员和调度命令确定的变量，考虑到电池的健康状态（SOH）、IIS的能量容量、EVs电池充电/交换请求以及前一个周期的电网负载水平。对于CES中的新电池，充电后的初始SoC可为90%-95%。
B.梯队电池系统的广义能量
时间间隔中EBS的广义能量是
（6）
其中是电网和EBS之间的转换器数量，是EBS和第三个转换器的电网之间的功率交换。EBS从电网正向充电，负向电网放电。当为正时，EBS从电网充电，当为负时，向电网放电。
EBS的充放电策略是：1）保持EBS的连续运行；2）为电网提供辅助服务。
EBS在时间点2的广义能量被认为是一天的初始值，艾尼。它应该在不同的周期中相等。根据电网的负荷曲线，提出了EBS中的蓄电池在谷期从电网充电，高峰期从电网放电的策略。的初始值约为的90%
(7)
其中，是由IIS操作员和调度命令确定的变量，考虑到电池的SOH、IIS的能量容量和前一个周期的电网负荷水平。
C.电荷交换系统
(8)
式中，是电池在时间间隔内交换的电池数量，是电池在时间间隔内交换的能量，是电池从电动汽车上替
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