一种基于光伏发电系统的电动汽车充电站充电优化方法

摘要

本发明公开了一种基于光伏发电系统的电动汽车充电站充电优化方法，该方法步骤包括分别对当日的光伏发电特性曲线、电动汽车充电负荷和电动汽车数量进行预测；建立电动汽车用户价格响应模型和充电服务价格优化模型；以光伏发电舍弃量最小为目标建立目标函数并求解，并根据求得的当日充电服务价格结果，进行充电站当日运营；结束当日充电运营，根据当日实际情况修正下一日的充电负荷预测和电动汽车用户充电服务价格相应模型的拐点值；根据修正的参数值，重复上述步骤，优化第二日的充电站运营。本发明可有效克服电动汽车充电对电网的影响，同时提高光伏利用率，减少电动汽车用户的充电成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种充电优化方法，特别是涉及一种基于光伏发电系统的适用 于公共区域电动汽车充电站充电优化方法。

背景技术

纯电动汽车具有零排放的特性，成为解决大中型城市环境和大气污染的重 要手段。国内主要城市已经开始了纯电动乘用车的推广应用，主要集中在出租 车、政府公务用车方面，并逐渐向私人使用领域扩展。由于大中型城市私家车 停车位少、私人使用纯电动汽车的维护和保养体系缺失的现状，具有私人使用 特征的集团客户模式具备了良好的推广前景。集团客户模式下的电动汽车用户 主要为企事业单位、高校员工，电动汽车充电基础设施主要建设在单位内部集 中式停车场内，属于公共区域电动汽车充电站。大规模的充电基础设施的接入 会对发电侧、输电网和配电网造成影响，目前国内外对此类充电站的研究主要 集中在对充电负荷功率控制方法上，以减小最大峰值功率、移峰填谷等作为主 要的控制目标，主要以强制控制充电功率、改变充电时间为手段，电动汽车用 户只能被动地接受调控，不能主动选择充电时间，未建立纯电动汽车用户对分 时电价的响应模型，未考虑电动汽车用户的主观意愿和充电费用支出。在现有 电动车辆用户、充电站运营商、供电企业参与的商业模式中，应更多关注基于 用户响应的双向优化充电控制策略以及光伏等新能源的接入，同时满足减小充 电负荷对配电网的影响和降低充电费用，使充电站运营商和电动车辆用户同时 获利，使整个商业模式持续发展，提高充电基础设施建设的适应性。

因此，需要提供一种适用于公共区域电动汽车充电站的充电优化方法，以 减少电动汽车充电对电网的影响、提高光伏利用率并减少电动汽车用户的充电 成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光伏发电系统的适用于公共区 域电动汽车充电站充电优化方法，以克服电动汽车充电对电网的影响，同时提 高光伏利用率，减少电动汽车用户的充电成本。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案；

一种基于光伏发电系统的适用于公共区域电动汽车充电站充电优化方法， 该方法包括

S1、根据当日天气情况和电动汽车驾驶行为分别对当日的光伏发电特性 曲线、电动汽车充电负荷和电动汽车数量进行预测；

S2、根据步骤S1中预测的光伏发电特性曲线和电动汽车充电负荷，建立 电动汽车用户价格响应模型和充电服务价格优化模型；

S3、以光伏发电舍弃量最小为目标建立目标函数并求解，并根据求得的 当日充电服务价格结果，进行充电站当日运营；

S4、结束当日充电运营，根据当日实际情况修正下一日的充电负荷预测 和电动汽车用户充电服务价格相应模型的拐点值；

S5、根据修正的参数值，重复步骤S1至S3，优化第二日的充电站运营。

优选的，所述步骤1包括

S11、根据当日的天气情况预测当日光伏发电特性；

S12、根据电动汽车驾驶行为预测电动汽车充电负荷，并基于不同电动汽 车每次充电时长和充电功率为定值的假设，确定各时段起始充电的电动汽车数 量，其中，各时段是将24小时分为24个时段，一个小时为一个时段。

优选的，所述步骤2包括

S21、获取电动汽车用户响应参数，按照分段线性函数的形式，分别建立 峰-谷时段、峰-平时段、平-谷时段电动汽车用户价格响应模型；

S22、分别定义峰平谷时段的标志向量以及峰谷、峰平、平谷时段的价格 差变量，作为目标函数的优化变量，并根据电动汽车用户价格响应模型和各时 段起始充电的电动汽车数量，按照各时段均匀分配转移的方法得到拟合充电负 荷表达式；

S23、根据当日光伏发电特性曲线和你和拟合得到的充电负荷表达式，得 到峰谷充电服务价格实施前、后的光伏舍弃量表达式；

S24、建立以充电服务价格谷值为变量的等式，从而确定充电服务价格基 准值。

优选的，所述充电服务价格谷值为变量的等式要以减少光伏发电的舍弃 量作为目标优化，减少运营商电网购电的费用，同时，运营商将减少的费用 按照一定比率与电动汽车用户总体进行分成，从而减少电动汽车集团用户总 体充电费用。

优选的，所述步骤3包括

S31、以光伏发电舍弃量最小为目标建立目标函数，其中，峰平谷时段标 志向量、充电服务价格基准值和峰谷、峰平、平谷时段的价格差为优化变量；

S32、分别设置充电服务价格上下限、峰平谷时段划分和配电容量的约束 条件；

S33、采用穷举法对目标函数进行求解，得到光伏发电舍弃量最小时的峰 平谷时段标志向量、充电服务价格基准值和峰谷、峰平、平谷时段的价格差， 作为当日的充电服务价格。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案本发明可有效克服电动汽车充电对电网的影响，同时 提高光伏利用率，减少电动汽车用户的充电成本。本发明通过制定充电服务价 格引导电动汽车用户的方法比控制负荷的方法达到良好的充电优化效果；本发 明针对集团客户建立电动汽车用户价格响应模型，能够反应出电动汽车用户对 价格的响应程度；本发明优化时考虑了单辆电动汽车充电时长的连续性，符合 实际运营情况。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明实施例的适用于公共区域电动汽车充电站的充电优化方法 流程图；

图2示出发明实施例的峰-谷时段电动汽车用户的响应特性图；

图3示出发明实施例的公共区域电动汽车充电站运营流程图；

图4示出发明实施例的输入及输出结果曲线。

具体实施方式

下面结合一组实施例及附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种适用于公 共区域电动汽车充电站的充电优化方法。如图1所示，为本发明实施例的适用 于公共区域电动汽车充电站的充电优化方法流程图，根据预测当日电动汽车充 电负荷和光伏发电特性曲线，通过目标函数优化的方法制定当日充电服务价 格，引导集团用户在公共区域充电站充电。以建设在某高校的含光伏发电系统 的充电站为算例，下面结合附图和实例对本发明的具体方法做进一步说明：

第一、充电站当日运营开始前，根据当日天气情况预测当日光伏发电特性 曲线电动汽车每次充电时长T_charg＝2h和充电功率P_charg＝3kW为定 值，并确定这两个参数的值，根据电动汽车驾驶行为预测电动汽车充电负荷 并根据以下公式确定各时段起始充电的电动汽车数量。

$N_{\mathrm{EV},i}=\left(\begin{array}{cc}{\tilde{P}}_{\mathrm{EV},i}/P_{\mathrm{ch}\arg },& i=1\\ {\tilde{P}}_{\mathrm{EV},i}/P_{\mathrm{ch}\arg }-N_{\mathrm{EV},i-1},& i\ne 1\end{array}\right)$

第二、建立电动汽车用户价格响应模型和充电服务价格优化模型。

1、获取电动汽车用户响应特性参数，分别建立峰-谷时段、峰-平时段、平 -谷时段电动汽车用户价格响应模型，如图2所示。以峰-谷时段电动汽车用户 价格响应模型为例叙述其详细步骤，其他两个模型的建立步骤与此相同。通过 调研的方法，获取峰-谷时段电动汽车用户响应特性的参数，包括死区阈值 Δc_pv,1＝0、饱和区阈值Δc_pv,2＝1、转移用户百分比的饱和值α_pv,max＝100％，并得到 线性区斜率k_pv＝α_pv,max/(Δc_pv,2-Δc_pv,1)＝1，由此得到峰-谷时段电动汽车用户响应 特性的表达式为：

$\alpha =\left(\begin{array}{cc}0,& 0\le \mathrm{\Delta c}\le {\mathrm{\Delta c}}_{\mathrm{pv},1}\\ k_{\mathrm{pv}}(\mathrm{\Delta c}-{\mathrm{\Delta c}}_{\mathrm{pv},1}),& {\mathrm{\Delta c}}_{\mathrm{pv},1}\le \mathrm{\Delta c}\le {\mathrm{\Delta c}}_{\mathrm{pv},2}\\ {\alpha }_{\mathrm{pv},\max },& \mathrm{\Delta c}\ge {\mathrm{\Delta c}}_{\mathrm{pv},2}\end{array}\right)$

2、定义峰平谷时段标志向量：lab＝[lab₁,lab₂…lab₂₄]，当lab_i＝3时，表示第i 时段为充电服务价格的峰时段；当lab_i＝2时，表示第i时段为充电服务价格的平 时段；当lab_i＝1时，表示第i时段为充电服务价格的谷时段；当lab_i＝0时，表示 第i时段为夜间时段，无充电服务价格。定义峰谷、峰平、平谷时段的价格差 Δc_pv、Δc_pf、Δc_fv。以上变量为目标函数的优化变量。根据电动汽车用户价格响应 模型的参数，得到在充电服务价格的峰平谷时段划分方式下，起始充电车辆分 布的峰时段之和与平时段之和L_p,all、L_f,all，以及峰、平、谷时段的长度T_p、T_f、T_v， 并根据各时段起始充电的电动汽车数量N_EV,i，代入以下公式得到拟合充电负荷 表达式：

${\tilde{P}}_{\mathrm{EV},i}^{\prime }=\left(\begin{array}{cc}{N}_{\mathrm{EV},i}^{\prime },& i=1\\ P_{\mathrm{ch}\arg }·(N_{\mathrm{EV},i-1}^{\prime }+N_{\mathrm{EV},i}^{\prime }),& i\ne 1\end{array}\right)$

3、根据得到的当日光伏发电特性曲线和步骤(2-2)得 到的拟合充电负荷根据以下公式得到峰谷充电服务价格 实施后的光伏舍弃量表达式，若将以下公式中的替换为得到Q_Vlost代表峰谷充电服务价格实施前的光伏舍弃量。

$Q_{\mathrm{Vlost}}^{\prime }=1·\underset{i}{\Sigma }({\tilde{P}}_{V,i}-{\tilde{P}}_{\mathrm{EV},i}^{\prime }),i\in \left\{i\right|({\tilde{P}}_{V,i}-{\tilde{P}}_{\mathrm{EV},i}^{\prime })>0\}$

4、确定充电服务价格基准值，即充电服务价格谷值c_v。根据以下公式确 定充电服务价格基准值，其中N_p、N_f、N_v分别表示在峰、平、谷时段充电的电 动汽车用户人数；c_p、c_f、c_v分别表示充电服务价格的峰、平、谷值，c_p＝c_v+Δc_pv， c_f＝c_v+Δc_fv；N_p、N_f、N_v分别表示在峰、平、谷时段充电的电动汽车用户人数； c₀表示充电服务价格实施前的充电单一价格；t₀表示电网电价；ratio表示电动 汽车用户总体的分成比例。

(c_p·N_p+c_f·N_f+c_v·N_v)·T_charg·P_charg＝c₀·(N_p+N_f+N_v)·T_charg·P_charg-ratio·t₀·(Q_Vlost-Q'_Vlost)

第三、目标函数的建立及求解。

1、以光伏发电舍弃量最小为目标建立目标函数，其中峰、平、谷三个时 段标志向量、充电服务价格基准值和峰谷、峰平、平谷时段的价格差为优化变 量。由于光伏发电只在白天进行，而且实例中充电站的运营时间为7:00～18:00， 因此用矩阵V＝[v₁,v₂...v_m]分别7:00～17：00充电服务价格的峰谷时段划分结果， 其中m＝11表示白天时段的长度，v_i表示白天第i时段的峰平谷属性。

f＝minQ'_Vlost

2、设置约束条件。

a)充电服务价格上下限约束：0＜c_v＜c_f＜c_p＜1；

b)峰平谷时段划分约束，使最后T_charg个时段属性相同：

${\mathrm{lab}}_{24-(T_{\mathrm{ch}\arg }-1)}={\mathrm{lab}}_{24-T_{\mathrm{ch}\arg }}=...={\mathrm{lab}}_{24};$

c)配电容量约束，充电服务价格实施后的电动汽车充电负荷应在充电站的 服务能力之内：$\max {\tilde{P}}_{\mathrm{EV},i}^{\prime }\le 100\mathrm{kW}.$

3、编写程序采用穷举法对目标函数求解，得到光伏发电舍弃量最小时的 峰平谷时段标志向量、充电服务价格基准值和峰谷、峰平、平谷时段的价格差， 作为当日的充电服务价格。优化所得的当日充电服务价格的时段划分方式及拟 合充电负荷曲线如图4所示，峰时段为7:00～10:00，峰价0.71元；平时段为 10:00～12：00，平价0.61元；谷时段为12:00～18:00，谷价0.31元。

第四、充电站当日运营，其流程如图3所示。

1、将得到的当日充电服务价格结果发布到充电预约平台，充电站当日运 营开始，电动汽车用户通过多种模式(如手机短信、手机上网、电脑上网)， 根据不同时段的充电服务价格进行预约充电。

2、用户将电动汽车驶进充电站并在预约时段的起始时刻进行充电，在预 约时段结束时刻结束充电，用户接到短信通知前来充电站缴费并将电动汽车驶 离充电站。

第五、当日结束，充电站运营商根据当天的世纪充电负荷曲线和实际光伏 发电曲线修正下一日的充电负荷预测，并根据电动汽车用户对当日充电服务价 格的实际响应情况修正电动汽车用户充电服务价格响应模型的拐点值。将修正 参数值进行更新，在第二日运营开始前，回到第一步。

第六、如表1所示，当日优化结果对比。本发明实施例下充电服务价格引 导前后的各项对比如下表所示，因此通过充电服务价格引导，能够达到减少光 伏舍弃量目标，同时减少了运营商的电网购电量并且电动汽车充电负荷的峰值 减少，达到了削峰的效果，减少充电负荷对电网的影响。

表1使用本发明所述方法前后数据对比

综上所述，本发明所述技术方案本发明可有效克服电动汽车充电对电网的 影响，同时提高光伏利用率，减少电动汽车用户的充电成本。本发明通过制定 充电服务价格引导电动汽车用户的方法比控制负荷的方法达到良好的充电优 化效果；本发明针对集团客户建立电动汽车用户价格响应模型，能够反应出电 动汽车用户对价格的响应程度；本发明优化时考虑了单辆电动汽车充电时长的 连续性，符合实际运营情况。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施 方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动 仍处于本发明的保护范围之列。