基于电网负荷信息的电动汽车充放电控制装置研制

青志明，张宏艳，刘化龙，胡军毅，傅 望，周士围，周 飞

(1.国网重庆市电力公司技能培训中心， 重庆 400053；2.国网重庆市电力公司南岸供电分公司， 重庆 401336；3.国网重庆市电力公司营销部， 重庆 400010)



基于电网负荷信息的电动汽车充放电控制装置研制

青志明1，张宏艳1，刘化龙2，胡军毅3，傅 望1，周士围1，周 飞1

(1.国网重庆市电力公司技能培训中心， 重庆 400053；2.国网重庆市电力公司南岸供电分公司， 重庆 401336；3.国网重庆市电力公司营销部， 重庆 400010)

针对居民自有充电桩建设困难及电动汽车无序充电加剧电网峰谷差这2个问题，研制了一种家用电动汽车充放电控制装置。通过控制中心对用电信息采集系统中获取的的用户负荷信息、用户所在台区负荷信息以及电动汽车电池状态信息进行分析，实现有序用电逻辑控制。通过有线或无线公网给该装置下达控制命令，使得电动汽车能在用电低谷时进行充电，而在用电高峰时尽量不充电，或者逆变输出家庭负荷用电。Matlab仿真及实际应用证明:该装置能够有效调节配网用电负荷峰谷差。

电动汽车；控制策略；充放电装置；有序用电；移峰填谷

随着全球能源危机和环境问题的不断突出与恶化，各国都在大力推动电动汽车产业的发展。电动汽车作为新能源汽车的代表，相比于石化燃料作为动力的传统汽车，在环保、节能等方面占据明显优势。为此，我国也制定了一系列政策来大力推动电动汽车产业的发展。近年来我国电动汽车行业发展迅速，据数据预测，到2020年电动汽车累计产销量将超过500万辆[1]。

我国《节能与新能源汽车产业规划( 2011—2020 )》强调大力发展节能与新能源汽车，从而实现我国汽车工业跨越式发展。插入式混合动力电动汽车(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)和纯电动汽车(battery electric vehicle，BEV)是新能源汽车发展的重要方向。

然而，电动汽车的推广与大规模的接入电网充电将带来一系列的问题。其中，充电桩建设不足与无序充电为两大主要问题。

目前，电动车充电不便与居民自有充电桩建设困难等问题很突出。在一些居民小区，由于供电容量有限，无多余的容量供电动汽车充电，这成为了制约居民自有充电桩建设的主要因素。这一问题如果不能及时解决，必将严重影响到电动汽车的推广与应用。

电动汽车大规模接入电网进行无序充电，将加剧电网负荷的峰谷差[2-3]，可能造成电网的电能质量下降，并给电网的安全、稳定与经济运行带来极大的挑战[4-7]。

针对上述问题，国内外学者进行了一系列研究。文献[8]采用网格选取法，在保证变压器不过载运行的同时，灵活规划电动汽车的充电时段，但是该方法没有考虑到居民的充电需求。文献[9]提出一种在不增加小区已有配电容量的前提下，考虑私家电动汽车出行规律和普通居民小区生活用电规律的充电策略，基于峰谷分时电价，最大限度利用谷时段进行充电。文献[10]综合考虑用户响应和新能源发电协同两个方面，通过制定合理的谷时段电价来引导用户的充电行为。但这两个方法的调控效果有限。文献[11-12]在综合考虑用户的充电需求和电网负荷水平的基础上，以削峰填谷为目标，并考虑峰谷分时电价，由用户自主响应，控制电动汽车有序充电。

为解决充电桩建设不足与无序充电两大主要问题，本文研制了一种家用电动汽车充放电控制装置。该装置基于用电信息采集系统及对电池状态数据的分析，对电动汽车电池进行有序充电，并在用电高峰时可以离网逆变输出电能供家庭负荷使用，以降低电网负担。该装置可解决供电容量不足、居民自有充电桩建设困难的问题。同时，基于用电负荷信息的有序充放电控制能有效降低电网负荷的峰谷差，确保电网的安全、稳定与经济运行。

1 电动汽车充电设备与充放电特性

1.1 设备类型及特性

电动汽车的充电设备是维持电动汽车正常运转的重要条件，也是电动汽车产业链中重要的基础设施。电动汽车充电设备包括充电站及其附属设施，如充电机、充电监护系统、配电室以及安全防护设施等。

根据各变换环节的不同，现阶段电动汽车充电机可分为：① 不控整流+斩波器；② 不控整流+DC/DC变换器；③ PWM整流+DC/DC变换器。 不控整流+斩波器属早期产品，具有直流侧电压纹波小、动态性能好、 工作隔离等优点， 但体积大、谐波电流严重、效率低，不适用于公共电网。不控整流+DC/DC变换器具有直流侧电压纹波小、 动态性能好、高频隔离、体积小等优点，但电网侧电流谐波大， 变换效率低。PWM 整流+DC/DC变换器型充电机可将谐波电流限制在很低的水平，而不需加装滤波装置，功率因数高，变换效率高，对公共电网电能质量几乎不构成威胁，但却受限于制造成本、容量等很难推广。

1.2 充放电特性

1.2.1 充电特性

电动汽车充电特性包含充电电流、电压降落及充电时间等方面。电动汽车电池充电模式有常规充电、快速充电和机械充电3种。常规充电为交流充电，利用电力低谷时段进行充电，包括恒流充电、恒压充电和阶段充电3种.常规充电效率较高，但充电时间过长。快速充电充电时间短，可以大容量充电， 满足电动汽车紧急充电的需求，但充电效率较低，充电电流较大，充电时会对配电网产生一定的冲击，同时大电流充电对电池寿命有影响。机械充电为直接更换电动汽车的电池组，对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电。

1.2.2 放电特性

电动汽车在满足行驶需求的前提下将多余电能回馈给电网。放电特性随电池类型的不同而不同。无论是大电流放电还是小电流放电都会对铅酸蓄电池造成损害。大电流放电易造成正活性物质脱落，而小电流放电容易造成蓄电池的放电终止电压过高，从而造成过放电， 因此应控制蓄电池的放电电流在一定的范围内。镍氢电池具有较高的放电效率， 在放电起始阶段其端电压下降缓慢，在电池电量接近放尽时端电压才开始大幅度地下降，在放电过程中温度对电池的影响不大。锂离子动力电池的工作电压变化与放电深度存在着密切关系，其在恒流放电时，在放电初始阶段电池工作电压下降迅速，进入线形下降区，在放电接近终止时，电池工作电压开始急剧下降。

2 充放电控制装置有序用电的控制原理

家用电动汽车充放电控制装置的控制系统主要分为3层：控制中心、通讯层及现场终端，其控制架构如图1所示。

图1 电动汽车充放电控制架构

控制中心MCU的主要功能是接受来自于通讯层的电网信息和电池状态信息，并且通过逻辑判断输出控制命令，再通过通讯层将控制命令下发至终端。

通讯层由通讯通道构成，主要有2个通道：一是国家电网公司用电信息采集系统所使用的内部网络，该部分数据的获取是单向的，只可以从用电信息采集系统获取用户用电负荷信息及用户所在台区用电负荷信息；二是外部互联网，远程用Internet光纤网，本地用Wi-Fi无线网络。通讯通道通道用于采集电动汽车电池状态信息，并下发控制命令，该通道是双向通讯。

客户终端为硬件部分。通过客户终端将电网、负荷、电动汽车电池这3个部分连接起来，通过该终端来实现电动汽车电池的充电、放电、停止工作3种状态。

3 控制中心

控制中心主要是数据管理、分析与命令下发的软件部分，有3个方面的功能：

1) 电网负荷与电池状态信息数据的获取。通过通讯层获取来自用电信息采集系统的负荷信息和电动汽车的电池状态信息。

2) 有序用电逻辑控制。通过对采集的用电信息采集系统数据进行分析，判断其处于尖、峰、平谷的哪个时段，结合电动汽车电池状态信息，判断电动汽车电池此时该充电、放电或者停止工作。

3) 控制命令下发。通过有序用电逻辑进行分析后，将得到的控制命令通过Wi-Fi下发给现场终端，以实现电动汽车电池充电、放电或者停止工作的状态。

3.1 控制逻辑分析

3.1.1 台区严重缺电(负荷尖时段)

1) 找到该台区“正在充电”电池，检查其电量，如果电量大于80%，对其发指令：建议关闭充电并切换至为家庭负荷供电。每15 min检测一次，直到电网负荷由尖峰转降时发出指令：建议停止供给家庭负荷。

2) 找到该台区“正在充电”电池，检查其电量，如果电量小于80%，对其发指令：建议关闭充电。

3.1.2 台区轻微缺电(负荷峰时段)

1) 找到该台区“正在充电”电池，检查其电量，如果电量大于80%，对其发指令：建议关闭充电。

2) 30 min以后，若电网负荷继续增加，找到该台区“正在充电”的电量大于50%的电池，对其发指令：建议关闭充电。

3.1.3 台区用电量少(负荷平时段)：

1) 找到该台区“正在用电”电池，对其发指令：建议停止供给家庭负荷。

2) 10 min后，找到该台区“停用”电池，检查其电量，如果电量小于50%，对其发指令：建议充电。

3.1.4 台区电量大量富裕(负荷谷时段)：

找到该台区“全部”电池，检查其电量，如果电量小于100%，对其发指令：建议充电。

台区内所有电池的充放电顺序是按电量的多少来进行时间排序的。

3.2 控制逻辑数据编码

通过对控制中心的控制逻辑分析进行数据的逻辑编码，如表1所示,其中b为电池电量。

表1 终端控制逻辑编码

电网负荷状态的尖、峰、平、谷时段信息是通过用电信息采集系统动态获取的，也可手动输入。user1_gird_state表示用户1所在区域的电网负荷状态信息，其他的以此类推。电池电量信息以百分比的形式表示，分为5个区间，每个区间通过与电网负荷状态信息进行比较，得出终端控制逻辑.终端控制逻辑代码解释如下：

电池充电代号：1 In_OFF：0-电池充电关，In_ON：1-电池充电开。

电池放电代号：2 Out_OFF：0-电池放电关，Out_ON：1-电池充电开。

电网供电代号：3 Gird_OFF：0-电网供电关，Gird_ON：1-电网供电开。

供电时序按照前后排列，其中第1个数字是用户代号，后面每2位表示1个开关的状态，共有3个开关。如1301021代码解释如下：用户代号为1；第2、3位的30表示电网供电关；第4、5位的10代表电池充电关；第6、7位的21代表电池放电开。

4 通讯层

通讯层用于接收电网和电池状态信息，并下发控制命令，分别有内网和外网2个渠道，其通讯通道构建如图2所示。该部分主要有两个功能：

1) 接收来自两个通道的3类数据并上传至控制中心MCU：① 通过国网内部通道用电信息采集数据库获取单个用户用电负荷信息、用户所在整个台区用电负荷信息；② 通过互联网(Internet+Wi-Fi)获取电动汽车电池状态信息。

2) 将控制中心MCU处理后的控制命令下发至终端，控制充电、逆变输出和电网直接供电开关的开合状态。

图2 通讯通道构建

4.1 用电信息采集系统：内网数据采集

通过用户电能表获取用户用电负荷信息、台区关口表获取台区用电负荷信息，上传至用电信息采集系统数据库，再通过数据库将这些数据上传至控制中心。这些数据传输是通过国家电网公司内部网络完成，并且数据传输是单向的。表2为用电信息采集系统所得到的数据的分析结果。

表2 用户所在台区用电负荷信息

4.2 电池状态信息：外网数据采集

电动汽车电池状态信息的采集一般是通过Internet完成的。由于目前的Wi-Fi普及率极高，且不用重新布线即可完成连接，因此本地采用了Wi-Fi进行通讯。充放电装置有自动对接控制中心和手动对接控制中心2种模式。当处于手动对接时，可根据用户需求进行充放电控制；当处于自动对接模式时，充放电装置需要与控制中心对接成功后才可控制电池充放电。表3为对接成功后控制中心通过互联网(Internet)读取的数据。

表3 电动汽车电池状态信息采集

5 客户终端

客户终端主要由终端、电动汽车电池、电网及负荷组成，其具体连接如图3所示，其原理如图4所示。终端通过接收控制中心下发的控制命令来控制电网储能整流开关、逆变输出开关以及直接供电输出开关的开合。

图3 客户终端连接

图4 客户终端控制原理框图

客户终端连接电网、电动汽车电池及家用负荷。其通过Wi-Fi接收来自控制中心的命令控制3个开关的开合状态(3个开关的开合相互闭锁)，工作过程如下：

1) 当K1闭合时(K2、K3断开)，即电网给电动汽车电池充电的开关闭合，此时电网通过AC-in输入，通过客户终端的整流模块给电动汽车充电，此时电动汽车电池处于充电状态；当K1、K3闭合时(K2断开)，此时电网通过AC-in输入，通过客户终端的整流模块给电动汽车充电。同时，K3闭合，给小负荷供电；否则K1断开，电动汽车不充电。

2) 当K2闭合时(K1、K3断开)，即电动汽车电池逆变输出开关闭合，此时电动汽车电池通过客户终端逆变模块，由AC-out输出工频交流电，此时电动汽车处于逆变输出状态，可以供家庭负荷使用，也可以供其他需要充电的电动汽车电池充电；否则，K2断开，电动汽车电池不逆变输出。

3) 当K3闭合时(K1、K2断开)，即电网直接输出开关闭合，此时家庭负荷由电网供电，不从电动汽车电池取电，处于正常用电状态。当K1、K3闭合时(K2断开)，此时电网通过AC-in输入，通过客户终端的整流模块给电动汽车充电。同时，K3闭合，给小负荷供电；否则，K3断开，电网不直接给负荷供电，应由电动汽车电池供电。

6 算例分析

本文所研制的家用电动汽车充放控制电装置已试制完成，图5为实物。以下采用仿真分析及实际应用2个角度分析其效果。

图5 家用电动汽车充放控制电装置实物

6.1 仿真分析

在Matlab中搭建家用电动汽车充放控制电装置的模型，采用重庆市杨家坪某小区某日的实际负荷曲线进行仿真，配置电动汽车渗透率为20%。仿真结果如图6与图7所示。

从图6可以看出：当采用本文所提出的控制逻辑时，电动汽车负荷能够在用电高峰时不充电甚至放电，而在用电低谷时进行充电。图7是该小区的负荷曲线，通过叠加这20%的电动汽车电池负荷后，有序用电能有效削峰填谷，提高电能利用率。

图6 电动汽车负荷曲线

图7 小区负荷曲线

6.2 实际应用分析

实际上该小区的电动汽车渗透率仅为8.7%，给每个电动汽车用户配置该充放电装置，实际对比天气、温度等环境相似的相邻2天的该小区负荷曲线，其中一天中用户使用了该装置，对比曲线如图8所示。

图8 有序和无序用电情况小区用电负荷曲线

从图8可以看出：使用该家用电动汽车充放控制电装置后，实现了小区电动汽车电池负荷的有序用电，能够实现小区负荷削峰填谷、平抑负荷曲线波动的作用，有效避免了电动汽车电池无序用电时与小区常规负荷的峰段相互叠加。

7 结束语

本文介绍了一种家用电动汽车充放控制电装置，通过该装置的使用，可以实现电动汽车电池的有序充放电，达到用电负荷削峰填谷的作用。

该装置可以实现在用电高峰时电动汽车电池负荷不充电甚至逆变输出供负荷使用，而在用电低谷时给电动汽车电池充电，从而实现电动汽车电池有序用电，达到居民小区负荷移峰填谷的作用。

该装置解决了居民自有充电桩建设困难的问题。该装置简单易实施，不需要重新布线建设充电桩。它可以通过Wi-Fi形式进行通讯，并且充当了充电桩的角色，是一种能与电网进行友好互动的新型充电桩。

未来随着电动汽车的普及，其用电特性及充电桩建设问题必给居民小区的供电带来压力。采用该装置后，既可以解决居民自有充电桩建设问题，也可以解决其有序用电问题，实现居民小区用电负荷移峰填谷，保证电网安全、稳定及经济运行。

[1] 中华人民共和国国务院.节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2022)[EB/OL].[2014-06-28].http://www.gov.cn/zwgk/2012-07/09/content_2179032.html.

[2] 王建,吴奎华,刘志珍,等.电动汽车充电对配电网负荷的影响及有序控制研究[J].电力自动化设备,2013,33(8):47-52.

[3] 王锡凡,邵成成,王秀丽,等.电动汽车充电负荷与调度控制策略综述[J].中国电机工程学报,2013,33(1):1-10.

[4] 陈友媛，刘畅，杨雪,等.电动汽车充放电对电力系统的影响综述[J].电力信息与通信技术，2016，14(5):55-59.

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(责任编辑 刘 舸)

Researches on the Charging and Discharging Controlling Device of Electric Vehicles Based on the Grid Load Information

QING Zhi-ming1, ZHANG Hong-yan1, LIU Hua-long2, HU Jun-yi3, FU Wang1, ZHOU Shi-wei1, ZHOU Fei1

(1.Training Center of Skills, Chongqing Electric Power Company, State Grid of China, Jiulongpo District, Chongqing 400053, China; 2. Nan’an District Power Supply Branch Company, Chongqing Electric Power Company, State Grid of China, Chongqing 401336, China; 3.Marketing Department, Chongqing Electric Power Company, State Grid of China, Chongqing 400010, China)

In allusion to the construction difficulties of the residents’ own charging pole and the problem of the power grid peak-valley difference intensified by the disorder charging of the electric vehicles, a kind of home electric vehicle charging and discharging controlling device is developed in the paper. The users’ load information acquired by the electricity information collection system, the users’ transformer load information, as well as the battery status information of the electric vehicles are analyzed through the control center of the device, and then the logic control of the order electricity using is done. Controlling orders are transmitted by the Internet or Wi-Fi, thus the electric vehicles can be recharged when the electricity using is trough, and try not to charge or output the electricity for when the electricity using peak through inverting. Matlab simulation and practical application demonstrate that this device can adjust the peak-valley load difference of the distribution network effectively.

electric vehicle; control strategy; charge-discharge device; orderly power utility; peak-valley difference

2016-12-22 基金项目：国家电网科技项目(20KJ040301D2006520160000)

青志明(1961—)，男，硕士，高级双师型教师，主要从事电力负荷研究，E-mail:1397440776@qq.com。

青志明，张宏艳，刘化龙，等.基于电网负荷信息的电动汽车充放电控制装置研制[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(5):14-21.

format：QING Zhi-ming, ZHANG Hong-yan, LIU Hua-long,et al.Researches on the Charging and Discharging Controlling Device of Electric Vehicles Based on the Grid Load Information[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(5):14-21.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.05.003

TM910.6;U469.72

A

1674-8425(2017)05-0014-08