电动汽车接入电网的调度与控制研究

杨　桦，王清亮，赵　军

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050051）

电动汽车接入电网的调度与控制研究

杨桦1，王清亮2，赵军1

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050051）

针对大规模电动汽车接入电网的问题，从电网负荷平衡预测、安全稳定水平及集中调控难度等方面分析对电网的影响，提出电动汽车调度控制应以行车成本、电网运行成本和环境成本三者总体最低为控制目标，采用分层分区的优化控制策略，并分析该控制策略的可行性，结果表明该控制策略可以使电动汽车实现合理充放电，保障电网安全运行，实现用户和电网利益最大化。

电动汽车；充放电；电网调度；控制策略；优化

0　引言

电动汽车被认为是汽车工业一个新的发展契机和国家经济发展的重要增长点。就国家和社会而言，电动汽车可以显著减少石油等化石资源的消耗和依赖，保障能源安全，同时电动汽车还可以明显减少城市空气污染源，提高城市空气质量。对于消费者，电动汽车将显著降低出行成本，具有很高的经济效益。国外有关研究表明，电动汽车每千米的耗电成本仅为燃油汽车耗油成本的1/3。截至目前，国家电网公司已建设电动汽车充电桩2.4万个，形成京沪、京港澳（北京-咸宁）、青银高速的“两纵一横”充电电网络，电动汽车在我国驶入了快速发展的轨道。

电动汽车作为一种流动性、大功率负荷，其普及和接入将对电网负荷特性产生显著的影响，如显著增大电网负荷，加大负荷峰谷差，降低电网抗干扰能力等，由此给电力系统运行与控制带来了不确定性，深刻影响着电力系统的安全稳定运行［1-2］。另一方面，电动汽车电池是一个大容量储能设备，如果能控制其充放电行为，就可以平衡电网的发电与供电，方便消纳间歇性的新能源发电。在调度领域优化电动汽车、间歇式分布式电源、传统电源与负荷之间的匹配与平衡关系，降低电网运行风险和运行成本，将是未来一段时期内重要的研究方向之一。以下主要阐述了电动汽车对电力系统调控运行方面的影响，在此基础上，针对电动汽车充放电的行为特点，给出了分层分区域的电动汽车优化充放电策略，能够较好的实现能源在电源、电网和电动汽车之间的有序流动，实现综合成本最低的优化控制目标，是解决大规模电动汽车并网的有效措施。

1　电动汽车接入对电网调控的影响

1.1负荷平衡与预测难度增大

电动汽车的大量接入和无序充电会加大电网负荷预测和负荷控制的难度。一方面，电动汽车充电功率普遍较大，通常家用小轿车慢充功率为8～20 k W，快速充电功率为50 kW以上；而电动公交等大型电动交通工具的快速充电功率最大可达数百kW。在电动汽车穿透率较大的区域，大量电动汽车同时接入电网充电将产生新的负荷高峰，甚至超出现有设备的负载能力。研究表明，以目前的电动汽车技术，当电动汽车穿透率达到20%时，典型电力系统将无法容纳全部电动汽车入网［3］。另一方面，作为一种流动性的大功率负荷，电动汽车的充电行为与人类生产生活密切相关，具有时空随机性、间歇性和社会性的特点。电动汽车接入后，电网负荷中心、负荷大小以及负荷峰谷时间的不确定性显著增加，使得负荷预测工作尤为困难。为应对随时可能出现的负荷高峰，调度部门需要不断调整发电厂的出力曲线并加大发电机组旋转备用容量，电网设备利用效率及运行经济性随之降低。此外，伴随着电动汽车的聚集与分散，可能导致电网局部过负荷或三相不平衡，电网局部供需平衡被打破，此时为满足对用户的可靠供电同时确保设备不因过负荷而损坏，调度部门不得不通过方式倒供来应对，引起调控操作工作量显著增加。

1.2电网安全稳定水平降低

电动汽车充电机采用了大量电力电子器件，其接入不可避免的对电网产生影响，包括：降低电网可靠性，引起配网低电压，增大电网谐波和三相不平衡等。文献［4］研究表明：在深夜时段，电动汽车成为电压畸变的主要设备，充电产生的谐波能缩短变压器和电缆设备寿命、降低继电保护装置动作正确率等。与此同时，由于电力电子器件过载能力差，并需要电网大量的无功支撑，因而对电网电压波动更加敏感。在电网大规模接入电动汽车时，一旦发生故障或异常情况将会产生连锁反应，电力电子器件出于自保护的特性，会将电动汽车从电网中解网，使得功率平衡进一步被打破，电网的抗干扰能力大大降低。

1.3电网集中调控难以实现

为了降低调度难度，并充分发挥电动汽车储能特性进行削峰填谷，消纳新能源发电，提高电网运行经济性，电动汽车有序并网成为研究的热点。目前的研究主要包括电动汽车有序充电和电动汽车与电网双向互动供电（vehicle to grid，V2G），其中V2G模式备受关注。V2G模式即电动汽车接受调度命令，有序充电，并作为调频备用发电设备运行。该模式实现了汽车与电网的双向互动，是最先进的电动汽车充电技术。当车载电池需要充电时，可以根据充电需求和电网情况进行有序充电；当电动汽车不使用时，连接电网的设备也可以根据调度指令将车载电池电量销售给电网，作为电网的调峰容量和旋转备用容量，起到削峰填谷，消纳新能源发电，减少常规机组起停次数的作用，电动汽车所有者也因峰谷电价的价格差而获得相应的收益，实现电网与电动汽车用户的双赢［5］。电动汽车在这种模式下具有电能使用和备用电源的双重身份。V2G模式将对电网储能和电源备用产生显著影响，潜力巨大。文献［6］研究表明，若美国10%的汽车更换为电动汽车，并且通过V2G模式联网，则美国电动汽车备用功率将达到286.5 GW，约占美国总负荷水平的2/3，而在英国、德国、意大利等国家，电动汽车备用功率将超过全国总负荷水平。

V2G功能的实现要求在一个供需相对稳定的较大区域内（如省级电网）统一调控，即调控中心与区域内每一辆电动汽车建立通信通道，实时采集汽车电池电量情况并发送调度指令。考虑到未来系统中电动汽车的数量将非常巨大，同时对通信信道的可靠性及实时性要求很高，集中调控难度很大，需要建立一套行之有效的电动汽车充放电控制策略。

2　分层分区的电动汽车优化调控

调控中心与区域内每辆电动汽车建立通道并实时控制将会产生维数灾，大量的数据会造成通信通道的拥堵，对调度控制系统的信息搜集和提取速度提出很高的要求。更重要的是，电动汽车充放电的优化控制需要满足的边界条件较多，是一个非线性、非凸的最优控制问题，其计算难度较大，电动汽车所有量大到一定程度后，最优解的计算时间将达到难以接受的程度，产生所谓的N-P难题，即无法在有限的时间内取得最优解，造成控制失败。为解决上述问题，实现电动汽车与电网之间有效的双向互动，提出分层分区的电动汽车调度控制方法，可有效解决大规模电动汽车并网控制问题。

2.1调度控制目标

目前关于电动汽车控制策略的研究主要集中在两个方面：一是以电动汽车为核心，研究电网电价政策的特点，通过选择在电价比较低的负荷低谷时充电，在电价较高的用电高峰时放电并向调度提供调频备用，以实现电动汽车运营总成本最低［7］。二是以电网为核心，研究电动汽车充放电行为的概率问题，提炼电动汽车充放电行为、机组运行及新能源发电的规律，优化系统运行成本，减少碳排放水平，降低对环境的影响［8-9］。

综合上述分析，电动汽车的调度控制目标设定为：统筹电网运行成本、电动汽车运行成本和环境成本三者关系，通过三者之间利益的合理分配，实现总体运行成本最低。其中，电网运行成本包括安全性成本、平均电价成本、火电机组运行经济性、电网无功电压控制成本及电网网损等；电动汽车运行成本包括充电成本、电池反送电收益、电池折旧成本及用户的时间成本等；环境成本包括碳排放成本（发电碳排放和行车碳排放）以及新能源利用率等。

2.2调度控制策略

排除政策因素，电动汽车控制策略在调度层面需要解决在未来一个电动汽车充电周期（数小时至数天）内，调控范围内每辆电动汽车的最优充放电方案。该方案在满足电动汽车车主行车需求的前提下，通过优化算法协调调度范围内电动汽车的充放电行为，从而最大程度的降低充电成本和电网网损，最大程度的利用新能源发电，平抑新能源间歇性，削峰填谷，实现总体运行成本最优，对环境影响最小。

因为优化算法的非线性和非凸性，随电动汽车数量的增加，最优解计算难度呈几何级数增加，当电动汽车数量达到一定数量后，算法将难以得出最优解，无法实现有效控制。研究认为分层分区调度控制模式将是解决大量电动汽车并网的有效途径。电动汽车的分层分区调控控制模式如下图所示。即将调控范围内分为2～3层，每层分为若干互不交叉重叠的区域，每个区域对内满足电动汽车个体充电需求，对外满足电网对区域的控制要求，即作为一个整体，向电网提供本区域充放电信息。

图1　分层分区的电动汽车调度控制示意

其中，每个区域的中心控制系统，将所辖范围内的每辆电动汽车的电量情况、车主行车习惯，充放电需求等信息进行统计分析，通过优化算法得出区域内每辆电动汽车充放电的最优控制方案，并据此协调区域内每辆电动汽车的充放电行为。因为进行了分区处理，每个分区内的电动汽车数量将大幅减小，引起计算难度呈几何级数降低，计算速度和精度都得到了保证。

对上一层级，每个区域作为独立个体，提供本区域电力供需要求，接受上级调控。每个区域通过计算得出2个关键曲线：区域分时电力需求曲线和区域分时可调出容量曲线。区域分时电力需求曲线是指区域内电动汽车在未来一段时间内，充电功率需求总和与时间的关系曲线，是区域对电网的供电要求。区域分时可调出容量曲线是指区域内所有并网电动汽车的电池蓄电量减去车主行车需求电量后的富余容量，该容量可以反送电网，表明了区域对电网的支持能力。每个区域将这两条曲线上报上一层调度机构，由此，顶层调度控制不再关注每辆电动车的具体充放电策略，而是将一个区域当做一个对象，完成对每个区域的控制，从而大大减少计算量，提高控制的可行性。

2.3优化控制算法

当采用分层分区的调度控制策略时，用以确定电动汽车充电方案的最优算法也相应分为2个不同的层级。

对于顶层，只涉及每个分区的需求曲线和可调出力曲线，同时需考虑电网电源供电及新能源发电负荷预测曲线，其计算方法与目前新能源调度控制策略相仿，即通过调整传统能源发电曲线和电动汽车充放电行为来满足负荷需求。因为电动汽车可以随时对电网提供备用容量，调控难度反而较现阶段间歇性新能源穿透率较高的电网调度更为简单。

对于单个分区，虽然电动汽车的数量相对于整个电网而言大大减少，但绝对数量仍然很大，一般为数千到数万辆水平。此时，充电优化控制算法需要考虑每个车主的行车需求和电动汽车的流动性等不确定性问题，并建立大数据来统计每位车主的行车习惯。分区内电动汽车的充放电优化问题具有非线性、非凸的特点，高效快速得出分区内电动汽车的最优控方案具有相当的难度。因为约束条件和优化目标具有非线性，非凸的特点，传统的优化求解方法难以求得最优解。目前较多考虑智能算法来解决最优化问题，如粒子群算法、微分进化算法等。

3　可行性分析

目前，电动汽车调度控制策略研究大部分均采用调度机构直接控制方式。该方式在调控机构与每辆电动汽车之间都建立通信通道，以采集每辆电动汽车的电池容量、当前电量、充电周期内行车需求、电池可调用容量等信息，并将这些数据作为边界条件，与电网负荷曲线、发电系统发电功率预测、新能源发电功率预测等相结合，通过优化算法，得出最优的发电、用电和每辆电动汽车的充放电曲线，实现调度范围内的最优调度方案，即全面最优解。但是，随电动汽车的保有量不断加大，在具有频率控制能力的省域电网范围内，电动汽车数量将达到数十万至上百万辆，上述直接调控模式会产生维数灾，同时对控制系统的计算能力和传输存储能力也提出了很高的要求。因此，当电动汽车保有量超过某个数量后，直接控制模式在实际应用中是难以实现的。

提出分层分区的电动汽车调度控制方法可有效解决大规模电动汽车并网控制问题。该算法通过层级和区域划分，使电动汽车集中控制问题分解为整体调控和区域优化策略，避免了大数据量的非线性优化算法的N-P难题，有效的解决了大量电动汽车并网的优化控制问题。总之，通过对电动汽车充放电的优化调控，可以平抑新能源发电的随机性和波动性，提高能源利用率及电网接入新能源的穿透功率，减少新能源接入需要的旋转备用配置，不但能够降低电网运行成本，更能降低能源利用总成本。

4　结论

电动汽车的大规模应用对电力系统将产生革命性的影响，电动汽车显著增加了电网的负荷，其储能特性使电网能源出现了双向流动，并对新能源的间歇性起到了平抑和缓冲作用。分层分区域调度控制策略通过优化各区域内电动汽车的充放电行为，能够最大程度的降低充电成本和电网网损，最大程度的利用新能源发电，平抑新能源间歇性，削峰填谷，实现总体运行成本最低，对环境影响最小的调控目标。

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本文责任编辑：罗晓晓

Scheduling and Control Research on Electric Vehicles Connected to Power Grid

Yang Hua1，Wang Qingliang2，Zhao Jun1
（1.State Grid Hebei Electric Power Corporation Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021，China；2.State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Electric Supply Branch，Shijiazhuang 050071，China）

Aiming at the problems of power grid electric vehicles connected to grid，this paper analyzes the impacts on the power system，such as the power load forecasting，the security and stability of the power grid，centralized control difficulty，proposes that electric vehicles schedule control should take the minimum driven cost，electric power network operation cost，environment cost as the control target，adopts the optimization control strategy of layering and partition，and analyzes the feasibility of control strategy，the result indicates that the control strategy can make electric vehicles realize discharge reasonable，to ensure electric power grid safety and stabilization，maximizing the benefits of users and the power grid.

electric vehicles；charge-discharge；grid scheduling；control strategy；optimization

TM715

A

1001-9898（2016）02-0007-04

2016-01-15

杨 桦（1986-），女，工程师，主要从事电气设备检测与状态评价、新能源技术研究等工作。