基于低压电力线载波通信的电动汽车居民小区充电方法

摘要

本发明属于电动汽车充电控制技术领域，尤其涉及一种基于低压电力线载波通信的电动汽车居民小区充电方法，该方法充分利用了私家电动汽车的出行及行驶规律，在小区配变0.4kV出线总开关处安装功率测量和载波通信模块，在各充电桩安装载波通信模块，实时接收系统总功率；充电桩根据电动汽车充电需求和当前系统总功率，确定电动汽车开始充电时间。本发明在不影响用户用车需求的前提下，将用户的充电需求转移到谷时段，最大限度地满足更多电动汽车的充电需求。避免了无序充电和谷时段过度集中充电带来的用电负荷高峰，不需要建设复杂的充电管理主站系统，不依赖于智能优化算法，能显著减小配网扩容费用和最小化电动汽车的充电费用。

说明书

技术领域

本发明属于电动汽车充电控制技术领域，尤其涉及一种基于低压电力线载波通信的电动汽车居民小区充电方法。

背景技术

利用电能替代传统的石油燃料，可减少温室气体排放及对石油的依赖。目前，国际上各大汽车公司已开始电动汽车EV(ElectricVehicle)产业化的进程，而大规模电动汽车接入电网后的无序充电将会对电力系统安全、经济运行带来严重的负面影响。

发明内容

为了解决电动汽车无序充电对电网造成危害，本发明提出了一种基于低压电力线载波通信的电动汽车居民小区充电方法，包括：

步骤1、根据私家电动汽车的用车习惯，统计得出的私家电动汽车谷时段有序充电假设条件；

步骤2、在配电变压器0.4kV出线总开关处安装功率测量与载波通信发送模块，并将最大功率限定值设定为最大功率允许值的某一百分比α；

步骤3、在各充电桩安装载波通信接收模块；

步骤4、功率测量与载波通信发送模块以一定的时间间隔对0.4kV母线功率进行测量，并将测量值和最大功率限定值利用载波通信发送出去；

步骤5、载波通信的信息被安装在充电桩上的载波通信接收模块接收；

步骤6、当充电桩有电动汽车接入时，充电桩上的控制器读取电动汽车电池状态数据，计算充电所需时长，用户可根据需求设定用车时间；

步骤7、控制器判断充电所需时长是否小于停车时长，如果否，则开始充电，如果是，则执行步骤8；

步骤8、控制器判断是否具有谷时段充电条件，如果否，则开始充电，如果是，则执行步骤9；

步骤9、控制器判断当前配电系统总功率是否大于最大功率允许值，如果否，则开始充电，如果是，则执行步骤10；

步骤10、控制器判断剩余停车时长是否大于充电所需时长，如果否，则开始充电，如果是，则延时几分钟后重复执行步骤9。

所述百分比α的取值根据电动汽车的接入数量进行仿真计算得到。

所述载波通信采用定时载波广播通信方式发送出去。

本发明公开了属于节能减排的充电技术领域的一种家用电动汽车居民小区有序充电方法。该方法充分利用了私家电动汽车的出行及行驶规律，在峰谷电价政策激励下的一种有序充电方法。在小区配变0.4kV出线总开关处安装功率测量和载波通信模块，在各充电桩安装载波通信模块，实时接收系统总功率；当充电桩有电动汽车接入时，充电桩根据电动汽车充电需求和当前系统总功率，确定电动汽车开始充电时间；满足充电条件的电动汽车以慢速充电方式充电。本发明在不影响用户用车需求的前提下，将用户的充电需求转移到谷时段，在不对小区配网扩容的情况下，最大限度地满足更多电动汽车的充电需求。避免了常规无序充电和谷时段过度集中充电带来的用电负荷高峰。该方法不需要建设复杂的充电管理主站系统，不依赖于智能优化算法进行充电策略优化，能显著减小配网扩容费用和最小化电动汽车的充电费用。

附图说明

图1为小区10kV/0.4kV配电系统接线图。

图2为基于低压电力线载波通信的家用电动汽车居民小区有序充电控制方法流程图。

图3为私家车辆最后行程返回时刻概率分布图。

图4为私家车辆日行驶里程概率分布图。

图5为恒流–恒压的2阶段慢速充电时序图。

图6为某750住户小区接入不同数量电动汽车无序充电时的日负荷曲线。

图7某750住户小区接入不同数量电动汽车谷时段正序充电时的日负荷曲线。

图8某750住户小区接入不同数量电动汽车谷时段倒序充电时的日负荷曲线。

图9某750住户小区接入不同数量电动汽车谷时段双序充电时的日负荷曲线。

图10某750住户小区接入不同数量电动汽车谷时段电力线载波通信有序充电时的日负荷曲线。

图11某750住户小区接入不同数量电动汽车谷时段电力线载波通信有序充电时的日负荷曲线。

图12某750住户小区接入不同数量电动汽车谷时段电力线载波通信有序充电时的日负荷曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

一种基于低压电力线载波通信的电动汽车居民小区充电方法，包括：

步骤1、根据私家电动汽车的用车习惯，统计得出的私家电动汽车谷时段有序充电假设条件；

步骤2、如图1所示，在配电变压器0.4kV出线总开关处安装功率测量与载波通信发送模块，并将最大功率限定值设定为最大功率允许值的某一百分比α；

步骤3、在在各充电桩安装载波通信接收模块；

步骤4、功率测量与载波通信发送模块以一定的时间间隔对0.4kV母线功率进行测量，并将测量值和最大功率限定值利用载波通信发送出去；

步骤5、载波通信的信息被安装在充电桩上的载波通信接收模块接收；

步骤6、如图2所示，当充电桩有电动汽车接入时，充电桩上的控制器读取电动汽车电池状态数据，计算充电所需时长，用户可根据需求设定用车时间；

步骤7、控制器判断充电所需时长是否小于停车时长，如果否，则开始充电，如果是，则执行步骤8；

步骤8、控制器判断是否具有谷时段充电条件，如果否，则开始充电，如果是，则执行步骤9；

步骤9、控制器判断当前配电系统总功率是否大于最大功率允许值，如果否，则开始充电，如果是，则执行步骤10；

步骤9、控制器判断剩余停车时长是否大于充电所需时长，如果否，则开始充电，如果是，则延时几分钟后重复执行步骤9。

所述百分比α的取值根据电动汽车的接入数量进行仿真计算得到。

所述载波通信采用定时载波广播通信方式发送出去。

该方法充分利用了私家电动汽车的出行及行驶规律，在峰谷电价政策激励下的一种有序充电方法。

根据私家电动汽车的用车习惯，统计得出的私家电动汽车谷时段有序充电假设条件如下：

(1)电动汽车具备的开始充电时刻为最后一次出行返回时刻，开始充电时刻满足如图3所示的正态分布，其概率密度函数为:

式中，μ_S＝17.6；σ_S＝3.4。

(2)日行驶里程满足如图4所示的对数正态分布，其概率密度函数为：

式中，μ_D＝3.20；σ_D＝0.88。

(3)家用电动汽车动力电池容量通常在20-30kWh范围内呈均匀分布。目前电动汽车动力电池以锂电池为主，在小区内一般采用三段式慢速小电流充电方式，三段式充电阶段分别是预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段，如图5所示。私家电动汽车小区充电使用的是车载充电机，采用慢速充电时只需要停车位提供要一个额定电流为16A(或更大)交流220V的电源的充电桩。本发明停车位的充电桩实际上是一个具有载波通信和可控开闭功能的220V电源插座。由于预充电阶段和恒压充电阶段占整个充电时间的比例非常小，实例分析过程中假设充电过程为恒功率充电。各电动汽车的充电功率P_C在2-3kW(即0.1C，C为电池容量，单位kWh)范围内呈均匀分布，充电功率表达式如下式所示：

P_C(x_V)＝2+rand()(3)

其中，x_V为任一电动汽车；rand()为[0,1]区间上的随机数。

为了保证最不利条件下的电动汽车充电需求(比如某小区或地区人们普遍喜欢大容量电池电车汽车)，实例分析中取P_C＝3kW。

(4)电动汽车充电时间计算公式如下：

式中，T_C为充电时间长度，单位(h)；L为日行驶里程，单位(km)；W₁₀₀为百km耗电量，单位(kWh)；P_C为充电功率,单位(kW)。

实例中的居民生活用电峰谷平电价信息如表1所示。

表1目前我国某地实施的居民生活用电峰谷平电价信息

某居民小区(750套住房，平均每套住房100m²)典型日最大负荷曲线如图6(小区原有负荷曲线)所示，中午12点左右和晚上18:30点左右有两个明显的用电高峰。

根据用户用车习惯，实例分析中假设15:00-24:00返回车辆的95％为无特殊用车需求用户,下次用车时间在次日6点以后；其他时段返回车辆的95％为无特殊用车需求用户，下次用车时间为8小时以后。无特殊用车需求用户，若具有谷时段充电条件(利用谷时段充电，且不影响下次用车需求)的均利用谷时段进行充电。

基于以上假设分别对以几种充电模式进行了仿真分析：

(1)无序充电模式，随到随充。

(2)谷时段正序充电模式，基于上述假设条件，具有谷时段充电条件的车，在谷时段开始时开始充电。

(3)谷时段倒序充电模式，基于上述假设条件，具有谷时段充电条件的车，以谷时段结束条件为充电结束时刻，根据所需充电时长，倒推出其开始充电时间。

(4)采用双序谷时段充电模式，基于上述假设条件，具有谷时段充电条件的车，一部分采用谷时段正序充电模式，一部分采用谷时段倒序充电模式。

采用常规无序充电模式，进行时序仿真得到的小区日负荷曲线如图6所示。

由仿真曲线可以看出，采用随机充电模式若不对小区配电系统进行扩容，小区电动汽车保有量为200时，系统的过负荷水平就达到了8％左右。

采用谷时段正序充电模式，进行时序仿真得到的小区日负荷曲线如图7所示。

由仿真曲线可以看出，该种模式会在谷时段开始时有一个很大的负荷峰值，在不对小区配电系统进行扩容的情况，小区电动汽车保有量为100时未出现过负荷，当小区电动汽车保有量为200时就出现了过负荷情况。

采用谷时段倒序充电模式，进行时序仿真得到的小区日负荷曲线如图8所示。

由仿真曲线可以看出，该种模式会在谷时段结束时有一个较大的负荷峰值，在不对小区配电系统进行扩容的情况，小区电动汽车保有量为400时未出现过负荷，当小区电动汽车保有量为500时就出现了过负荷情况，该模式已经大大提高了小区电动汽车接纳能力。

在采用双序谷时段充电模式，具有谷时段充电条件的车，一部分采用谷时段正序充电模式，一部分采用谷时段倒序充电模式。谷时段正序充电和谷时段倒序充电车辆数目的比例确定过程如下：

设定初始正序充电和倒序充电车辆数目的比例λ＝λ₁:λ₂＝0:1(λ₁+λ₂＝1)，以0.1为步长逐步增加λ₁的值减小λ₂的值，找到峰值最小时的λ值。最优谷时段正序充电和谷时段倒序充电车辆数目的比例为0.25：0.75。采用双序谷时段充电模式，进行时序仿真得到的小区日负荷曲线如图9所示。

由仿真曲线可以看出，该种模式会在谷时段开始和结束时会有一个较大的负荷峰值，在不对小区配电系统进行扩容的情况，小区电动汽车保有量为500时未出现过负荷，当小区电动汽车保有量为600时就出现了过负荷情况，在不进行小区配电扩容的情况下，可以满足小区750住户中500用户拥有一辆电动汽车，满足66.7％的家庭拥有一辆电动汽车，该模式已经大大提高了小区电动汽车接纳能力。

从仿真结果看出，基于本发明的方法和假设条件，采用本发明提出的基于低压电力线载波通信的家用电动汽车居民小区有序充电控制方法，进行时序仿真得到的小区日负荷曲线如图10所示，α＝100％。可以看出在不进行小区配电扩容的情况下，可以满足小区750住户拥有800辆电动汽车，满足100％的家庭拥有一辆电动汽车。

最大功率限定值设与允许最大功率比值α的设定。在保证谷时段电动汽车充电需求的情况下，减小谷时段充电时最大负荷可提高配网运行的安全性。取α＝95％，进行时序仿真得到的小区日负荷曲线如图11所示。

由图11可以看出，α＝95％仍能满足所有具有谷时段充电条件的电动汽车进行谷时段有序充电。而且谷时段负荷峰值比图9有明显下降，提高了配网运行安全水平。

在保证谷时段电动汽车充电需求的情况下，继续减小谷时段充电时最大负荷，取α＝90％，进行时序仿真得到的小区日负荷曲线如图12所示。

由图12可以看出，α＝90％只能满足小区拥有600电动汽车的充电需求。因此本算例中，α取95％。

不同充电模式下电动汽车充电数据及对小区电网的影响和经济性分析。

表2不同充电模式下电动汽车充电数据及对小区电网的影响

注：总负荷表示小区原有用电负荷和电动汽车负荷的累加值；原始负荷表示小区原有用电负荷，不考虑电动汽车接入；配网过载率＝(总峰负荷-原始峰负荷)/原始峰负荷×100％。

由图6-图12和表2的数据可以看出：

(1)采用无序充电、谷时段正序充电、谷时段倒序充电模式，在电网不扩容的情况下，均不能满足500辆电动汽车的充电需求；

(2)采用双序谷时段充电模式时，在电网不扩容的情况下，最大能满足500辆电动汽车的充电需求；

(3)采用本发明所提的基于载波通信的谷时段有序充电方法，在电网不扩容的情况下，能够满足800辆电动汽车的充电需求。

(4)再用谷时段有序充电的方法不仅能够满足较多电动汽车充电需求，还能显著降低充电成本。如500辆电动汽车采用谷时段双序充电模式，比采用随机充电模式可节约充电成本728元。如800辆电动汽车采用基于载波通信的谷时段有序充电方法，比采用随机充电模式可节约充电成本1140元。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。