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              淺談關(guān)于居民小區電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究

              更新時(shí)間: 2024-06-12   點(diǎn)擊次數: 204次

              摘 要:針對電動(dòng)汽車(chē)在居民小區無(wú)序充電對電網(wǎng)系統產(chǎn)生嚴重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(cháng)問(wèn)題,提出一種采用延遲充 電的電動(dòng)汽車(chē)有序充電控制策略,并在分析國內外電動(dòng)汽車(chē)有序充電的研究現狀后,設計了居民小區電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略的總體框架。該策略采用延遲充電對電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序充電控制,通過(guò)計算電動(dòng)汽車(chē)的充電優(yōu)先級來(lái) 確定用戶(hù)開(kāi)始充電的時(shí)間以保證離開(kāi)時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的荷電狀態(tài),很大程度達到用戶(hù)期望荷電狀態(tài)。通過(guò)算例仿真分析,證明提出的延遲充電策略可在滿(mǎn)足用戶(hù)對電動(dòng)汽車(chē)充電量期望的同時(shí)達到削峰填谷的作用。

              關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車(chē);有序充電;延遲充電;削峰填谷;儲能

              1 引言

              隨著(zhù)世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人類(lèi)對能源需求的不斷增長(cháng),能源被大量消耗,產(chǎn)生大量的環(huán)境污染。機動(dòng)車(chē)輛已經(jīng)成為生產(chǎn)生活中的一部分,使用燃油車(chē)無(wú)疑會(huì )增加CO2的排放。雖然新能源發(fā)電被越來(lái)越多地引入電網(wǎng),如光伏發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電等,但由于二者的功率輸出是隨機波動(dòng)的,會(huì )對電力系統造成影響,產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題。因此,減少燃油車(chē)的使用,從燃油動(dòng)力汽車(chē)轉向電動(dòng)汽車(chē)是解決汽車(chē)造成的環(huán)境污染的有效手段。當前電網(wǎng)系統的有基金項目:北京市教委科研計劃項目序充電對智能電網(wǎng)的發(fā)展起著(zhù)越來(lái)越大的作用。隨著(zhù)EV的大規模使用,有序充電對電網(wǎng)及分布式能源的重要性日益增強,需要解決EV充電問(wèn)題。目前針對EV充電的研究?jì)热葜饕婕俺潆娯摵深A測、V2G、EV參與輔助服務(wù)、配電網(wǎng)規劃、充電站規劃等,也有一些學(xué)者對EV充電分層分區調度策略進(jìn)行了研究。

              居民小區具有用車(chē)規律性強、可控性強、方便調研等優(yōu)勢,因此將居民小區作為研究對象,針對EV在居民小區充電過(guò)程中隨機停放且無(wú)序充電對電網(wǎng)系統產(chǎn)生的嚴重隱患及充電間時(shí)過(guò)長(cháng)的問(wèn)題,提出一種采用延遲充電的EV有序充電控制策略。

              1.1EV有序充電策略

              1.1.1EV有序充電控制架構

              EV充電將成為居民區電力需求的重要組成部分,需要從配電網(wǎng)規劃原則和負荷分布的影響等方面展開(kāi)研究。結合概率收費模型和電力消費數據,在標準中定義的不同充電功率下,隨機模擬不受控制、限制和價(jià)格優(yōu)化的EV充電產(chǎn)生的影響。將大量EV推遲至用電谷時(shí)段進(jìn)行充電以減小EV充電對小區變壓器的沖擊,并且考慮到分時(shí)電價(jià)可減少用戶(hù)充電費用,提高經(jīng)濟性,保證EV與電網(wǎng)的協(xié)調互動(dòng)發(fā)展。EV有序充電控制架構如圖1所示。

              圖1 EV有序充電控制框架

              1.2延遲充電的充電變量定義

              EV返回后駐車(chē)時(shí)長(cháng)的計算方法為T(mén)S = tout - tback ,(1)式中:TS為用戶(hù)駐車(chē)時(shí)長(cháng),h;tout為用戶(hù)外出時(shí)刻;tbac 為用戶(hù)返回時(shí)刻。EV 結束充電時(shí)刻tover的表達式為tover = tstart+ Tcha ,(2)式中:tstart 為充電開(kāi)始時(shí)刻;Tcha 為充電時(shí)長(cháng),h。設t時(shí)刻共有m輛EV進(jìn)行充電,則EV充電總功率 Pt,EV和功率Pa.t的表達式為Pt,EV =EV,(3)

              式中:PEV 為EV荷電功率。Pa.t = Pmax - Pload - Pt,EV,(4)式中:Pmax為功率限值,kW;Pload為除EV充電之外的日常負荷,kW。EVi進(jìn)行有序充電的優(yōu)先級計算方法為,(5)式中:γ為EV充電優(yōu)先級。

              在設計EV的充電優(yōu)先級時(shí),設置當γ= 1時(shí)的優(yōu)先級高,EV優(yōu)先進(jìn)行充電;當γ=0時(shí)的優(yōu)先級低,EV最后進(jìn)行充電。為了讓EV在車(chē)主離開(kāi)小區時(shí)處于滿(mǎn)電狀態(tài),需要設置車(chē)主的優(yōu)先級γ= 1,確保EV電池狀態(tài)達到滿(mǎn)電狀態(tài)。

              1.3有序充電策略具體執行方式

              EV有序充電設計重要的部分是對延遲充電條件的設置,通過(guò)對滿(mǎn)足條件的EV延遲充電且不影響用戶(hù)的期望充電量為基礎,完成對居民小區EV有序充電的控制。當用戶(hù)把EVi連接到充電樁時(shí),可通過(guò)充電樁的人機交互界面對EV的期望荷電狀態(tài)、用戶(hù)預計離開(kāi)時(shí)刻進(jìn)行設定。充電樁通過(guò)充電控制系統獲得EVi的電池信息,并將EV的充電負荷信息上傳至有序充電控制器,有序充電控制器獲得各個(gè)EV的充電負荷信息后對EV的充電進(jìn)行控制,其實(shí)施流程如圖2所示,具體如下。

              圖2 采用延遲充電的EV有序充電流程

              (1)在t時(shí)刻將已經(jīng)充電完成的EV從計算充電序列中剔除。

              (2)檢測有無(wú)EV接入,若有則判斷是否符合延遲充電條件,若無(wú)EV接入則轉入步驟(4)。

              (3)延遲充電條件:EV離開(kāi)時(shí)刻在谷時(shí)段開(kāi)始之后,且用戶(hù)返回時(shí)刻到遲充電完成時(shí)刻的時(shí)長(cháng)大于EV充電所需時(shí)間。若上述延遲充電條件均滿(mǎn)足則EV進(jìn)入有序充電控制器的充電等待序列中,否則立即對EV充電以保證充電結束時(shí)的電池電量很大程度接近用戶(hù)期待荷電。

              (4)有序充電控制中臺采集t時(shí)刻該小區實(shí)時(shí) 負荷信息,尋找充電等待序列優(yōu)先級高的EV。

              (5)若EV充電優(yōu)先級γ= 1,則有序充電控制器對充電樁下達命令使其對EV進(jìn)行充電,若充電先級γ≠1,則采用當日制定的功率限制值計算t時(shí)刻功率裕度判斷功率裕度是否大于EV充電功率。

              (6)若功率裕度大于EV充電功率則對EV進(jìn)行充電,記錄開(kāi)始時(shí)間,計算結束時(shí)間。并更新功率裕度,繼續尋找本時(shí)刻高優(yōu)先級的EV,判斷是否可以進(jìn)行充電,直到充電優(yōu)先級γ≠1且功率裕度小于EV充電功率(判定先級γ= 1的邏輯為:當EV在t時(shí)刻到完成充電時(shí)刻等于充電所需時(shí)長(cháng)時(shí)開(kāi)始充電、當停留時(shí)長(cháng)等于充電時(shí)長(cháng)時(shí)開(kāi)始充電 。其他充電優(yōu)先級γ≠1的車(chē)輛均根據功率裕度判斷是否進(jìn)行充電)。

              (7)判斷t時(shí)刻是否晚于谷時(shí)段開(kāi)始時(shí)刻,是則結束循環(huán),控制結束,否則重新執行步驟(1)。為更加直觀(guān)地展現上述過(guò)程,通過(guò)問(wèn)卷收集了15條居民小區EV充電數據,見(jiàn)表1。

              車(chē)輛編號

              開(kāi)始充電時(shí)間

              充滿(mǎn)電后停留時(shí)長(cháng)/h

              A

              14:00

              0

              B

              14:00

              0

              C

              14:00

              21

              D

              14:00

              0

              E

              16:00

              0

              F

              16:00

              0

              G

              17:00

              16

              H

              18:00

              10

              I

              18:00

              3

              J

              21:00

              8

              K

              22:00

              5

              L

              22:00

              8

              M

              24:00

              0

              N

              24:00

              2

              O

              02:00

              8

              假設該小區的峰谷時(shí)段為21:00 至次日 08:00。在不考慮功率限制、僅滿(mǎn)足優(yōu)先級但不具體根據優(yōu)先級進(jìn)行有序充電的情況下,對上述控制邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬,結果如圖 3 所示,并與即充即走的無(wú)序充電模式進(jìn)行對比 。圖3中藍色為 EV充電時(shí)間,紅色為 EV 可以進(jìn)行充電的時(shí)間 。 由圖3可見(jiàn):C,G, H,I,J,K,L號 EV 均可在峰谷時(shí)進(jìn)行充電 。但由于沒(méi)有有序充電策略的幫助,導致原本可以延遲充電的EV在到達小區時(shí)就立即開(kāi)始充電,導致用電高峰時(shí)有大量EV接入電網(wǎng)進(jìn)行充電,給小區的變壓器帶來(lái)很大的負擔,甚至會(huì )產(chǎn)生安全隱患。

              圖3 即充即走的無(wú)序充電模式

              如果采用有序充電策略,如圖 4 所示,21:00 前用電高峰階段進(jìn)行充電的 EV 數量明顯減少,從9 輛減少為5 輛。 同時(shí),21:00 后用電峰谷時(shí)段的充電EV由3 輛增加至7輛,顯著(zhù)降低用電高峰期變壓器負荷,同時(shí)利用夜晚用電谷時(shí)段進(jìn)行充電,達到了削峰填谷的目的。

              圖4 有序充電模式

              2 EV有序充電算例分析

              對提出的EV有序充電策略進(jìn)行試驗算例分析,并利用仿真結果證明有序充電策略的有效性。

              2.1參數設置

              為進(jìn)行仿真分析,通過(guò)問(wèn)卷調查獲取小區EV回到社區的時(shí)間如圖5所示。所采訪(fǎng)小區的用電負荷高峰出現在20:00,功率峰值約900kW,其次為12:00,功率峰值約600kW。EV返回后電池平均剩余容量為50%。通過(guò)問(wèn)卷獲取EV離開(kāi)社區的時(shí)間和EV充滿(mǎn)電所用時(shí)間分別如圖6及圖7所示。

              圖5 EV返回小區時(shí)間

              圖6 EV離開(kāi)小區時(shí)間

              圖7 EV充電時(shí)長(cháng)

              對用戶(hù)充電行為進(jìn)行如下假設。

              (1)用戶(hù)出行數據取自圖5—7,共計44輛 EV,充電樁的配比為1∶1,可隨時(shí)接入充電樁,等待有序充電控制器的控制。

              (2)所用充電樁為慢速交流充電裝置,充電功率為7kW,谷時(shí)段為22:00—次日08:00。

              (3)EV 每天返回后均進(jìn)行充電,用戶(hù)期望駕車(chē)離開(kāi)時(shí)EV電池電量為100%。

              (4)變壓器的負荷紅線(xiàn)為1100kW。

              2.2仿真結果

              利用提出的EV有序充電策略對案例進(jìn)行仿真分析,可得出有序充電和無(wú)序充電波動(dòng)曲線(xiàn)如圖8所示。從有序充電和無(wú)序充電曲線(xiàn)的波動(dòng)可以看出,不采用有序充電策略,EV充電處于大規模無(wú)序狀態(tài),且EV的充電高峰期出現在一天中的用電高峰期到凌晨。此時(shí)電網(wǎng)系統的用電量即為負荷的達高峰,電網(wǎng)系統的負荷壓力也大。

              而在有序充電模式下,通過(guò)合理地安排EV充電順序,可有效縮短EV充電時(shí)間,并將原本在用電高峰期充電的EV安排到其他時(shí)間段充電,提高電網(wǎng)的安全運行,降低電網(wǎng)系統的負荷壓力。

              圖8 EV有序充電與無(wú)序充電負荷對比

              為了更直觀(guān)地體現有序充電的控制效果,計算44輛 EV 在無(wú)序充電充電模式和有序充電模式下的峰谷差,結果見(jiàn)表2。

              表2無(wú)序充電模式和有序充電模式下的負荷對比

              參數

              有序充電模式

              無(wú)序充電模式

              EV 數量

              44

              44

              基礎負荷峰值/kW

              900

              900

              總負荷峰值/kW

              928

              1161

              是否超過(guò)紅線(xiàn)

              負荷峰谷差/kW

              392

              703

              從表2無(wú)序充電充電模式和有序充電模式下負荷數據對比可見(jiàn):在EV數量相同的情況下,有序充電模式的負荷總峰值遠小于無(wú)序充電充電模式時(shí)的總峰值,且無(wú)序充電充電模式已經(jīng)超過(guò)負荷的紅線(xiàn)(1100kW),而有序充電模式可以保證負荷的穩定性;從負荷的峰谷差可以看出,有序充電模式的峰谷差僅為無(wú)序充電充電模式峰谷差的1/2 ??梢?jiàn)提出的基于EV 延遲充電的有序充電策略可以有效控制EV充電安全,并達到削峰填谷、錯峰充電的目的,對EV的推廣具有一定的積極意義。

              3 安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺

              3.1概述

              AcrelCloud-9000安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的汽車(chē)充電站、電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控,實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài),進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理,交易結算,資源管理、電能管理、明細查詢(xún)等,同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警;充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng),用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶、云閃付掃碼充電。

              3.2應用場(chǎng)合

              適用于住宅小區等物業(yè)環(huán)境、各類(lèi)企事業(yè)單位、醫院、景區、學(xué)校、園區等公建、公共停車(chē)場(chǎng)、公路充電站、公交樞紐、購物中心、商業(yè)綜合體、商業(yè)廣場(chǎng)、地下停車(chē)場(chǎng)、高速服務(wù)區、公寓寫(xiě)字樓等場(chǎng)合。

              3.3系統結構

              現場(chǎng)設備層:連接于網(wǎng)絡(luò )中的各類(lèi)傳感器,包括多功能電力儀表、汽車(chē)充電樁、電瓶車(chē)充電樁、電能質(zhì)量分析儀表、電氣火災探測器、限流式保護器、煙霧傳感器、測溫裝置、智能插座、攝像頭等。

              網(wǎng)絡(luò )通訊層:包含現場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )交換機等設備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現場(chǎng)設備層設備的數據,并可進(jìn)行規約轉換,數據存儲,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器,智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)將數據存儲在本地,待網(wǎng)絡(luò )恢復時(shí)從中斷的位置繼續上傳數據,保證服務(wù)器端數據不丟失。

              平臺管理層:包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器,完成對現場(chǎng)所有智能設備的數據交換,可在PC端或移動(dòng)端實(shí)現實(shí)時(shí)監測充電站配電系統運行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過(guò)程及人員行為,并完成微信、支付寶在線(xiàn)支付等應用。

              淺談關(guān)于居民小區電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究

              3.4平臺功能描述

              3.4.1充電服務(wù)

              充電設施搜索,充電設施查看,地圖尋址,在線(xiàn)自助支付充電,充電結算,導航等。

              3.4.2首頁(yè)總覽

              總覽當日、當月開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng),累計的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng),以及相應的環(huán)比增長(cháng)和同比增長(cháng)以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

              3.4.3交易結算

              充電價(jià)格策略管理,預收費管理,賬單管理,營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表。

              3.4.4故障管理

              故障管理故障記錄查詢(xún)、故障處理、故障確認、故障分析等管理項,為用戶(hù)管理故障和查詢(xún)提供方便。

              3.4.5統計分析

              統計分析支持運營(yíng)趨勢分析、收益統計,方便用戶(hù)以曲線(xiàn)、能耗分析等分析工具,瀏覽樁的充電運營(yíng)態(tài)勢。

              淺談關(guān)于居民小區電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略研究

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              3.4.6運營(yíng)報告

              按用戶(hù)周期分析汽車(chē)、電瓶車(chē)充電站、樁運行、交易、充值、充電及報警、故障情況,形成分析報告。

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              3.4.7APP、小程序移動(dòng)端支持

              通過(guò)模糊搜索和地圖搜索的功能,可查詢(xún)可用的電樁和電站等詳細信息。掃碼充電,在線(xiàn)支付:掃描充電樁二維碼,完成支付,微信支付完成后,即可進(jìn)行充電。

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              3.4.8資源管理

              充電站檔案管理,充電樁檔案管理,用戶(hù)檔案管理,充電樁運行監測,充電樁異常交易監測。

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