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考虑需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法

2024-11-01 109 上传者：管理员

摘要：新能源电动汽车充电桩受限于电池技术的充电速率，导致充电桩有功功率较高，因此设计一种考虑需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法。在充电桩区域的精心部署中，采用无线传感器技术，实现对充电桩运行状态的实时监测与数据收集。充分考虑需求响应，设置充电桩充放电的约束条件，确保充放电过程既满足用户需求，又符合电网的稳定运行要求。在此基础上，构建充电桩充放电控制模型，实现充放电的高效优化。最终，通过实施这一控制模型，实现了新能源电动汽车充电桩的充放电控制。实验结果表明，考虑需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法，有功功率在不同时间点均呈现出相对平稳的变化趋势，尤其是在负荷高峰时段20:00至24:00，设计方法的有功功率明显低于其他两种方法，这有助于减轻电网的负荷压力。证明设计方法在平衡充电桩充电需求与电网负荷方面表现出色，有助于提升电网运行的稳定性，降低充电桩对电网的冲击。

关键词：
充放电控制
充电桩
新能源
电动汽车
需求响应
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电动汽车充电桩作为新能源汽车的重要配套设施，其充放电控制方法直接关系到电网的稳定运行和能源的合理利用。在电动汽车充电桩充放电控制研究中，文献[1]分析了两电平变流器的工作原理及其在充电桩中的应用优势，包括高效率、低谐波失真和易于实现等优点。针对充电桩在恒流、恒压等不同充电阶段的需求，设计了相应的控制策略，确保充电桩在充电过程中能够保持稳定的输出电压和电流，从而实现对电网负荷的平抑和优化。文献[2]研究了充电桩与电网之间的双向互动技术。通过引入先进的通信技术和控制算法，实现充电桩与电网之间的信息交互和能量优化。然而仍存在诸多问题，影响新能源汽车的使用体验，也制约新能源汽车市场的进一步发展。为了解决上述问题，研究需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法，将需求响应理念引入充电桩充放电控制中，可以根据电网的实时运行状态和用户的充电需求，智能地调整充电桩的充放电策略，实现电网的稳定运行和能源的合理利用。本研究旨在探索一种基于需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法。通过深入分析电网的运行特性和用户的充电需求，构建合理的充放电控制模型，并采用先进的优化算法进行求解。相信通过本研究的开展，能够为新能源电动汽车充电桩的充放电控制提供新的思路和方法，推动新能源汽车产业的健康发展，为构建绿色、低碳的出行方式做出贡献。

1、在充电桩区域部署无线传感器

利用基于能量均衡的无线传感器部署方法，精心部署无线传感器节点，确保每个节点在采集充电桩运行信息时都能保持稳定的能量消耗[3]。这种方法不仅优化了数据传输路径，还降低了节点间的通信干扰，从而提高了信息采集的准确性和效率。

在实际应用中，根据充电桩的分布和通信需求，灵活调整中继节点的数量和位置，实现能量的均衡消耗。同时，考虑节点的传输距离和通信速率，确保在指定时间内，所有节点能够同步完成信息的采集和传输任务，无线传感器节点能量消耗为：

式中，D为节点发送的充电桩运行信息，f为节点采集充电桩运行信息的频率；d为节点传输距离；r为节点接收的充电桩运行信息，λ为修正系数。

按照无线传感器生命周期原理，获取无线传感器网络生命周期为：

式中，Ec为无线传感器节点初始损耗能量。

无线传感器网络效率为：

式中，m为无线传感器数量；n为无线传感器中继节点数量。

当P最大化时，为充电桩区域中最优的无线传感器部署方案，此时采集新能源电动汽车充电桩运行信息，步骤为：

1）根据无线传感器部署方案，启动所有的无线传感器节点和中继节点。

2）无线传感器节点开始实时采集充电桩的电流、电压、充电功率、充电时长等运行信息。每个节点按照预设的采集频率和格式，将这些信息转化为数字信号。

3）采集到的充电桩运行信息通过无线传感器网络进行传输，经过合适的中继节点进行转发，传输到数据中心。

通过以上步骤，可以利用最优的无线传感器部署方案，有效地采集新能源电动汽车充电桩的运行信息，为充电桩的管理和运营提供全面、准确的数据支持。

2、考虑需求响应设置充电桩充放电约束条件

在考虑需求响应设置充电桩充放电约束条件时，需要综合考虑多个因素，包括电网的供电能力、充电桩的充放电能力、电动汽车的充电需求以及用户的需求响应等。这些因素共同决定了充电桩的充放电策略，以确保电网的稳定运行和电动汽车的充电需求得到满足，建立以下充电桩的充放电约束条件。

(1）新能源电动汽车充电桩充放电功率平衡

式中，Pg为电网供电交互功率；d为放电功率；v为电动汽车的充电需求；α为用户的需求响应程度。

这个约束条件确保了充电桩的充放电行为不会对电网造成过载，从而保证了电网的稳定运行。

(2）新能源电动汽车充电桩充放电负荷变化率

为保证充电桩稳定运行，负荷变化应在一定范围内：

式中，φ%为新能源电动汽车充电桩充放电负荷变化率的限值，一般选取0.6。

基于以上约束条件，构建一个优化问题，大规模电动汽车接入充电桩时，充电桩负荷的急剧变化成为一大挑战，容易导致“峰上加峰”现象[4]，对电网稳定构成威胁。为应对这一问题，需运用先进的优化策略来科学安排电动汽车的充电时间与顺序。通过智能调度，不仅能缓解充电桩的负荷压力，还能实现与光伏、储能等新能源系统的协同控制。这样的协同作用能够显著平滑充电桩内的负荷波动，提升能源利用效率，减少能源浪费。因此，以最小化充电桩负荷方差为目标，进行精细化的充电管理，优化目标为：

式中，Pi为第i个新能源电动汽车充电桩充放电功率；M为新能源电动汽车充电桩总数。

在保障用户正常出行的前提下，实现经济效益最大化是充放电策略的重要考量。由于充电桩采用分时电价，用户充电费用受时间影响较大。因此，优化充电时间，选择电价较低的时段进行充电[5]，是降低充电费用的关键。同时，结合电动汽车的行驶需求，合理安排充放电计划，不仅能降低费用，还能提高车辆的使用效率，优化目标为：

式中，Dj为j时刻充电桩内的电价。

通过合理的约束条件和优化目标的应用，可以实现电网、充电桩和电动汽车之间的协同运行，为新能源汽车的普及和发展提供有力支持。

3、构建充电桩充放电控制模型

基于采集的变电站区域充电桩运行数据，结合充放电约束条件，构建了多层次的充放电控制模型。该模型从平台层到业务层，再到应用层，实现了信息的整合、策略的制定和实时控制，确保了充电桩安全、高效运行，如图1所示。

图1 充电桩充放电控制模型结构图

在充电桩充放电控制模型中，广泛部署的电动汽车集群也是应用层的重要服务领域。通过建立基于能源网络的对等协同管理策略，实现充电桩的智能控制。而车载智能EV矩阵控制[6]则是对等协调控制的重要节点，可以独立启动并结束充放电，而无须供应侧干预。在需求极端状态下，区域内主动式EV矩阵能量分发和监控系统可以介入，协同分配资源，在必要时可以通过配电自动化子站或向更高一级的供电自动化主站进行协调。供电监控主站不仅进行协调控制，而且还能在必要时与供电调度监控系统连接，保证充电桩充放电的有效和安全。求解充电桩充放电控制模型为：

式中，w为充电桩充放电控制权重。

实际应用中需要考虑更多的因素，如电动汽车的行驶规律、充电桩的布局和配置、电价波动等。因此，在实际应用中，根据具体情况对模型进行适当的扩展和修改，以满足实际需求。通过构建充电桩充放电控制模型，实现更加智能、高效的充放电管理。

4、实现新能源电动汽车充电桩充放电控制

实现新能源电动汽车充电桩充放电控制是一个复杂而精细的过程，它涉及多个层面的技术操作和策略制定。以下是详细的步骤。

(1）需求分析与目标设定

在开始实施充电桩充放电控制之前，首先要进行需求分析，明确控制的目标和约束条件。包括了解电动汽车的充电需求、电网的供电能力、分时电价政策以及用户的经济效益需求等。基于这些需求，设定合理的控制目标，如降低充电成本、提高电网稳定性等。

(2）硬件设备准备与安装

充电桩充放电控制的实现需要依赖一系列的硬件设备。包括充电桩本体、电能计量设备、通信设备等。在准备阶段，需要选择合适的设备型号和规格，确保它们能够满足控制需求。随后，按照相关标准和规范进行设备的安装和调试，确保设备的正常运行和通信畅通。

(3）数据监控

为了实现精准的充放电控制，需要实时采集充电桩的运行数据，包括充电功率、充电时间、电量等。这些数据可以通过电能计量设备和通信设备进行采集和传输。同时，还需要建立数据监控平台，对充电桩的运行状态进行实时监控和预警。通过数据分析，可以了解充电桩的使用情况、电网的供电状态以及用户的需求变化，为优化控制策略提供依据。

(4）策略制定与优化

基于采集的数据和实际需求，制定合适的充放电控制策略。包括分时充电策略、需求响应策略、储能系统调度策略等。通过策略的制定，实现充电桩的有序充放电，降低充电成本，提高电网稳定性。同时，还需要根据实际效果对策略进行持续优化和调整，以适应不断变化的需求和环境。

(5）用户服务

用户是充电桩充放电控制的重要参与者。因此，需要建立用户交互平台，提供便捷的充电服务。包括用户注册、充电预约、费用结算等功能。通过优化用户交互体验，提高用户满意度和忠诚度。此外，还需要提供用户支持服务，解答用户在使用过程中遇到的问题，确保充电服务的顺利进行。

综上所述，实现新能源电动汽车充电桩充放电控制是一个复杂而精细的过程，需要综合考虑多个方面的因素。通过上述步骤的实施，可以有效地实现充电桩的充放电控制，为新能源汽车的普及和发展提供有力支持。

5、实验测试分析

5.1实验准备

为了验证需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法的实际应用效果，本文特别选取松原市某变电站区域作为实验场地。该区域充电桩分布广泛，包括4个单相充电桩和28个三相充电桩，接入相各异，为实验提供丰富的应用场景。该充电桩的拓扑结构如图2所示，充电桩参数如表1所示。

图2 充电桩的拓扑结构

表1 充电桩参数

为了深入了解充电桩在工作日的充电需求变化规律，设置5个无线传感器，传输距离为250m，采集该变电站区域充电桩运行信息并绘制充电负荷曲线图，充电桩工作日充电负荷曲线如图3所示。

图3 充电桩工作日充电负荷曲线

根据图3可知，夜晚22:00，充电需求激增，负荷触及当日高点；而凌晨4:00，充电活动减少，负荷滑落至上午时段谷底。以典型日充电桩的充电负荷为例，采用本文设计的考虑需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法，文献[1]基于两电平变流器的多功能充电桩控制方法和文献[2]变电站区域充电桩运行协调自动控制方法进行对比研究，记录充电桩的有功功率如图4所示。

图4 充电桩的有功功率

5.2实验结果分析

根据图4可知，本文方法有功功率在不同时间点均呈现出相对平稳的变化趋势。尤其是在负荷高峰时段20:00至24:00，本文方法的有功功率明显低于其他两种方法，这有助于减轻电网的负荷压力。证明本文设计的考虑需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法在平衡充电桩充电需求与电网负荷方面表现出色，有助于提升电网运行的稳定性，降低充电桩对电网的冲击。同时，通过与其他方法的对比，也验证了本文方法在优化充电桩充放电策略方面的优势。

6、结束语

考虑需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法，不仅提升充电桩的运行效率，更在保障电网稳定运行方面发挥关键作用。同时，该方法还促进新能源的消纳与利用，推动绿色出行的发展。展望未来，随着电动汽车的普及与智能电网的建设，该方法将发挥更大的作用，为构建清洁、高效、智能的能源体系贡献力量。期待更多创新技术的涌现，共同推动新能源汽车与电网的深度融合与可持续发展。

参考文献:

[1]王珂.基于两电平变流器的多功能充电桩控制方法研究[J].机电信息,2023(14):18-20.

[2]胡学忠,颉飞翔,叶明锋,等.变电站区域充电桩运行协调自动控制方法研究[J].电力电子技术,2023,57(12):57-60.

[3]董丽燕,李雪刚,傅博,等.基于模型预测控制的电动汽车直流充电桩功率器件开路故障诊断方法[J].电工技术,2023(15):41-46.

[4]黄建刚,洪祥,李亚飞,等.基于峰谷差检测反馈的电动车智能有序充电控制系统研究[J].自动化与仪器仪表,2023(7):129-133.

[5]史倩芸,吴传申,高山,等.考虑电动汽车需求响应的微电网预测控制研究[J].电力需求侧管理,2022,24(2):1-6,13.

[6]贾静然,段昕,卢锦玲,等.考虑需求侧响应的配电网柔性软开关优化控制方法[J].电源学报,2024,22(1):189-195.

文章来源:张成玉,方帅,朱宇鹏.考虑需求响应的新能源电动汽车充电桩充放电控制方法[J].电器工业,2024,(11):66-70+78.