一种电动汽车集群的充电时间优化方法与流程

1.本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及一种电动汽车集群的充电时间优化方法。


背景技术：

2.电网需要保证实时的供需平衡，从而维持系统频率的稳定。由于居民用电集中在白天，夜间用电较少，导致电网的峰谷差不断增加。因此，为维持电网的实时供需平衡，夜间需要降低甚至关闭部分发电机组，使得发电效率降低，发电成本增加。
3.对于拥有私人充电桩的家用电动汽车，大部分用户会选择在归家后开始充电，加剧晚高峰的用电紧张状况。电动汽车的使用时间通常为第二天早晨，但是充电会较早结束，使得早高峰时段用电骤升。家用电动汽车是可以充分利用的需求侧负荷，可以通过优化电动汽车的充电开始时刻，在满足其出行的前提下，协助电网进行削峰填谷。商业充电桩也具备类似的调节潜力。


技术实现要素：

4.本发明针对电动汽集群车充电时间具有改进空间的不足，提供一种电动汽车集群的充电时间优化方法，根据电网的运行特性调整电动汽车的充电时间段，在不影响用户充电需求的情况下，降低峰谷差。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电动汽车集群的充电时间优化方法，所述电动汽车集群的充电时间优化方法包括：
6.步骤s1、根据电动汽车的参数，对电动汽车的充电过程进行建模；
7.步骤s2、建立电动汽车等效充电模型，使用平均充电功率、充电开始时刻、充电结束时刻和充电持续时间来描述电动汽车的充电过程特征；
8.步骤s3、确定优化调度时段，根据优化调度时段的电网功率变化情况，计算电动汽车充电优化后的目标充电功率；
9.步骤s4、根据电动汽车的充电开始时刻、充电持续时间和最晚充电结束时间，筛选出具有优化潜力的电动汽车；
10.步骤s5、根据步骤s3得到的电动汽车目标充电功率，优化步骤s4中筛选出的具有优化潜力的电动汽车的充电时间，协助电网削峰填谷。
11.本发明的电动汽车集群的充电时间优化方法，建立电动汽车等效充电模型，确定优化调度时段，计算电动汽车充电优化后的目标充电功率，筛选出具有优化潜力的电动汽车，最终优化各具有优化潜力的电动汽车的充电起止时间，有助于电网维持实时的供需平衡，减小电网的峰谷差，提高电网发电机组的发电效率，同时不影响用户的正常使用。
12.作为改进，步骤s1中，设m表示所有电动汽车的集合，针对第i辆电动汽车，建立其电池的充电模型：
[0013][0014]
其中，s
soc,i
(t)和s
soc,i
(t-1)分别表示第i辆电动汽车的电池在当前时刻t和上一时刻t-1的电量百分比，ei(t-1)表示第i辆电动汽车从上一时刻t-1至当前时刻t的充电量，ci表示第i辆电动汽车的电池的容量；
[0015]
电动汽车的充电过程中，其最大的充电功率受到电池和充电桩的约束，不能超过相应的允许值：
[0016][0017]
其中，pi(t)表示第i辆电动汽车的实时充电功率，第i辆电动汽车的电池允许的最大充电功率，表示第i辆电动汽车的充电桩允许的最大充电功率，即电动汽车的实时充电功率不能超过电池允许的最大充电功率和充电桩允许的最大充电功率中的较小值；
[0018]
为了避免电池出现过度充电的现象，电池电量需要满足：
[0019][0020]
其中，表示电池允许的最高电量；
[0021]
电池在充电过程中的充电量可以通过下式计算得到：
[0022][0023]
其中，e
c,i
表示第i辆电动汽车的充电量，s
soc,i
表示第i辆电动汽车的充电前的初始电量百分比，ci表示第i辆电动汽车的电池容量，ηi表示第i辆电动汽车的充电效率，t
s,i
表示第i辆电动汽车的开始充电的时刻，t
d,i
表示第i辆电动汽车的充电时长，pi(t)表示第i辆电动汽车的充电桩实时充电功率；
[0024]
第i辆电动汽车的等效充电过程表示如下：
[0025][0026][0027]
t
e,i
＝t
s,i
t
d,i
[0028]
p
i,avg
表示第i辆电动汽车的平均充电功率，t
s,i
表示第i辆电动汽车的充电开始时刻，t
d,i
表示第i辆电动汽车的充电时长，t
e,i
表示电动汽车的充电结束时刻，e
c,i
表示第i辆电动汽车的总充电量，其中，充电时长由用户根据电动汽车的状态评估后提供。
[0029]
作为改进，步骤s3中，根据电动汽车的充电特性，将全天的时间划分为优化调度时段和非优化调度时段，优化调度时段即为电动汽车进行充电的主要时段。
[0030]
作为改进，电网在优化调度时段的平均功率，表示为优化调度时段电网功率的积分除以优化调度时段的时长，如下式所示：
[0031][0032]
其中，p
sys,avg
表示电网在优化调度时段的平均功率，p
sys
(t)表示电网在优化调度时段的实时功率，t
sys,s
表示优化调度时段的起始时刻，t
sys,e
表示优化调度时段的结束时刻。
[0033]
作为改进，根据电网在优化调度时段的平均功率和瞬间功率确定电动汽车优化后的目标充电功率，即在电网用电功率较高时，降低电动汽车的充电功率，在电网用电功率较低时，提高电动汽车的充电功率，如下式所示：
[0034][0035][0036]
p
tar
(t)表示优化后的电动汽车的目标充电功率，p(t)表示所有电动汽车的充电功率之和，从式中可以看出，当电网的实时功率比平均功率比实时功率大时，增加电动汽车的充电功率；当电网的实时功率比平均功率比实时功率小时，减少电动汽车的充电功率。
[0037]
作为改进，步骤s4中，筛选过程如下：
[0038]
首先，电动汽车的充电开始时段需要在筛选时段之内，如下式所示：
[0039][0040]
ts表示筛选时段的开始时刻，te表示筛选时段的结束时刻；
[0041]
筛选时段的开始时刻不迟于优化调度时段的开始时刻，筛选时段的结束时刻不超过优化调度时段的结束时刻：
[0042]
ts≤t
sys,e
≤te≤t
sys,s
[0043]
电动汽车的充电时间需要满足一定的时长：
[0044][0045]
其中，t
d,i
表示第i辆电动汽车的充电时长，t
d,min
表示用于筛选的最短充电时长；
[0046]
电动汽车的最晚充电结束时间需要满足：
[0047][0048]
其中，t
e,i
表示第i辆电动汽车的最晚充电结束时间，t
e,min
表示用于筛选的最早充电结束时间，即只有使用需求在t
e,min
之后的电动汽车具备优化潜力。.
[0049]
作为改进，步骤s4中，基于前述筛选标准，所有电动汽车被划分为具有优化潜力的部分和不具有优化潜力的部分，表示为：
[0050]
m＝p q
[0051]
p(t)＝p
p
(t) pq(t)
[0052][0053][0054]
其中，p表示具有优化潜力的电动汽车的集合，q表示不具有优化潜力的电动汽车
的集合，p(t)表示所有电动汽车的充电功率之和，p
p
(t)表示具有优化潜力的电动汽车的实时充电功率之和，pq(t)表示不具有优化潜力的电动汽车的实时充电功率之和。
[0055]
作为改进，步骤s5中，对于具有优化潜力的电动汽车集合p，其优化后的目标功率如下式所示：
[0056][0057]
其中，表示具有优化潜力的电动汽车优化后的目标优化功率之和，p
tar
(t)表示优化后的电动汽车的目标充电功率之和，p(t)表示所有电动汽车的充电功率之和，p
p
(t)表示具有优化潜力的电动汽车的实时充电功率之和。
[0058]
作为改进，步骤s5中，优化目标是使得优化后的具有优化潜力的电动汽车功率之和与目标优化功率之和的差的平方的积分值最小，如下式所示：
[0059][0060]
其中，表示优化后的具有优化潜力的电动汽车功率之和，表示具有优化潜力的电动汽车优化后的目标优化功率之和。
[0061]
作为改进，步骤s5中，对于具有优化潜力的第i辆电动汽车，其初始的充电开始时刻是t
s,i
，收到延时充电的指令t
w,i
后，其最终的充电开始时刻为t
s,i
t
w,i
，因此，优化后的电动汽车的充电功率可以表示为：
[0062][0063]
其中，表示具有优化潜力的第i辆电动汽车的充电功率，p
avg,i
表示具有优化潜力的第i辆电动汽车的平均充电功率；
[0064]
因此，所有具有优化潜力的电动汽车的充电功率之和为：
[0065][0066]
表示第i辆电动汽车优化后的充电功率；
[0067]
优化后的电动汽车充电时刻不可能早于其到达充电桩的时刻，其充电完成时间也需要早于最晚电动汽车充电结束时间，需要满足：
[0068][0069]
本发明的电动汽车集群的充电时间优化方法的有益效果是：通过优化电动汽车的充电时间，将电网用电高峰时期的充电负荷转移到电网用电低谷时期，提高了电动汽车与电网供需互动之间的效率，充分利用了电动汽车的削峰填谷能力，有效降低了电网晚高峰时期的功率，同时提升了凌晨低谷时段的功率，利用电动汽车协助电网削峰填谷，缓解电网实时的调控压力。
附图说明
[0070]
图1是本发明实施例的电动汽车集群的充电时间优化方法的电动汽车等效充电过程示意图。
[0071]
图2是本发明实施例的电动汽车集群的充电时间优化方法的充电时间优化前后的对比示意图。
[0072]
图3是本发明实施例的电动汽车集群的充电时间优化方法的优化前后的对比效果图。
具体实施方式
[0073]
下面结合本发明创造实施例的附图，对本发明创造实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明创造的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明创造的保护范围。
[0074]
参见图1至图3，本发明的一种电动汽车集群的充电时间优化方法，所述电动汽车集群的充电时间优化方法包括：
[0075]
步骤s1、根据电动汽车的参数，对电动汽车的充电过程进行建模；
[0076]
步骤s2、建立电动汽车等效充电模型，使用平均充电功率、充电开始时刻、充电结束时刻和充电持续时间来描述电动汽车的充电过程特征；
[0077]
步骤s3、确定优化调度时段，根据优化调度时段的电网功率变化情况，计算电动汽车充电优化后的目标充电功率；
[0078]
步骤s4、根据电动汽车的充电开始时刻、充电持续时间和最晚充电结束时间，筛选出具有优化潜力的电动汽车；
[0079]
步骤s5、根据步骤s3得到的电动汽车目标充电功率，优化步骤s4中筛选出的具有优化潜力的电动汽车的充电时间，协助电网削峰填谷。
[0080]
电池是电动汽车和电网进行供需互动的主要设备，电动汽车通过充电桩从电网获取电能对电池进行充电，其充电过程和充电需求取决于电池的容量、实时电量、最大充电功率。不同电动汽车的参数不同，实时电量也不同。
[0081]
本实施例中，步骤s1中，设m表示所有电动汽车的集合，针对第i辆电动汽车，建立其电池的充电模型：
[0082][0083]
其中，s
soc,i
(t)和s
soc,i
(t-1)分别表示第i辆电动汽车的电池在当前时刻t和上一时刻t-1的电量百分比，ei(t-1)表示第i辆电动汽车从上一时刻t-1至当前时刻t的充电量，ci表示第i辆电动汽车的电池的容量；
[0084]
电动汽车的充电过程中，其最大的充电功率受到电池和充电桩的约束，不能超过相应的允许值：
[0085][0086]
其中，pi(t)表示第i辆电动汽车的实时充电功率，第i辆电动汽车的电池允许
的最大充电功率，表示第i辆电动汽车的充电桩允许的最大充电功率，即电动汽车的实时充电功率不能超过电池允许的最大充电功率和充电桩允许的最大充电功率中的较小值；
[0087]
为了避免电池出现过度充电的现象，电池电量需要满足：
[0088][0089]
其中，表示电池允许的最高电量；
[0090]
电池在充电过程中的充电量可以通过下式计算得到：
[0091][0092]
其中，e
c,i
表示第i辆电动汽车的理论充电量，s
soc,i
表示第i辆电动汽车的充电前的初始电量百分比，ci表示第i辆电动汽车的电池容量，ηi表示第i辆电动汽车的充电效率，t
s,i
表示第i辆电动汽车的开始充电的时刻，t
d,i
表示第i辆电动汽车的充电时长，pi(t)表示第i辆电动汽车的充电桩实时充电功率；电动汽车的理论充电量等于充电桩功率，但是，充电桩功率与电动汽车实际充电量间的关系通过充电效率表示，即充电桩功率*充电效率即为电动汽车实际充电量，充电效率可以认为是一常数，通过充电桩功率和充电效率得到电动汽车实际充电量；
[0093]
第i辆电动汽车的等效充电过程表示如下：
[0094][0095][0096]
t
e,i
＝t
s,i
t
d,i
[0097]
p
i,avg
表示第i辆电动汽车的平均充电功率，t
s,i
表示第i辆电动汽车的充电开始时刻，t
d,i
表示第i辆电动汽车的充电时长，t
e,i
表示电动汽车的充电结束时刻，e
c,i
表示第i辆电动汽车的总充电量，其中，充电时长由用户根据电动汽车的状态评估后提供，也可由软件根据历史数据计算得到。
[0098]
本实施例中，步骤s3中，根据电动汽车的充电特性，将全天的时间划分为优化调度时段和非优化调度时段，优化调度时段即为电动汽车进行充电的主要时段。
[0099]
本实施例中，电网在优化调度时段的平均功率，表示为优化调度时段电网功率的积分除以优化调度时段的时长，如下式所示：
[0100][0101]
其中，p
sys,avg
表示电网在优化调度时段的平均功率，p
sys
(t)表示电网在优化调度时段的实时功率，t
sys,s
表示优化调度时段的起始时刻，t
sys,e
表示优化调度时段的结束时刻。
[0102]
本实施例中，根据电网在优化调度时段的平均功率和瞬间功率确定电动汽车优化后的目标充电功率，即在电网用电功率较高时，降低电动汽车的充电功率，在电网用电功率
较低时，提高电动汽车的充电功率，如下式所示：
[0103][0104][0105]
p
tar
(t)表示优化后的电动汽车的目标充电功率，p(t)表示所有电动汽车的充电功率之和，从式中可以看出，当电网的实时功率比平均功率比实时功率大时，增加电动汽车的充电功率；当电网的实时功率比平均功率比实时功率小时，减少电动汽车的充电功率。
[0106]
本实施例中，步骤s4中，筛选过程如下：
[0107]
首先，电动汽车的充电开始时段需要在筛选时段之内，如下式所示：
[0108][0109]
ts表示筛选时段的开始时刻，te表示筛选时段的结束时刻；
[0110]
筛选时段的开始时刻不迟于优化调度时段的开始时刻，筛选时段的结束时刻不超过优化调度时段的结束时刻：
[0111]
ts≤t
sys,e
≤te≤t
sys,s
[0112]
电动汽车的充电时间需要满足一定的时长：
[0113][0114]
其中，t
d,i
表示第i辆电动汽车的充电时长，t
d,min
表示用于筛选的最短充电时长；
[0115]
电动汽车的最晚充电结束时间需要满足：
[0116][0117]
其中，t
e,i
表示第i辆电动汽车的最晚充电结束时间，t
e,min
表示用于筛选的最早充电结束时间，即只有使用需求在t
e,min
之后的电动汽车具备优化潜力。.
[0118]
本实施例中，步骤s4中，基于前述筛选标准，所有电动汽车被划分为具有优化潜力的部分和不具有优化潜力的部分，表示为：
[0119]
m＝p q
[0120]
p(t)＝p
p
(t) pq(t)
[0121][0122][0123]
其中，p表示具有优化潜力的电动汽车的集合，q表示不具有优化潜力的电动汽车的集合，p(t)表示所有电动汽车的充电功率之和，p
p
(t)表示具有优化潜力的电动汽车的实时充电功率之和，pq(t)表示不具有优化潜力的电动汽车的实时充电功率之和。
[0124]
本实施例中，步骤s5中，对于具有优化潜力的电动汽车集合p，其优化后的目标功率如下式所示：
[0125][0126]
其中，表示具有优化潜力的电动汽车优化后的目标优化功率之和，p
tar
(t)表示优化后的电动汽车的目标充电功率之和，p(t)表示所有电动汽车的充电功率之和，p
p
(t)表示具有优化潜力的电动汽车的实时充电功率之和。
[0127]
本实施例中，步骤s5中，由于电动汽车优化过程优化过程中功率不可调节，充电过程不可打断，最终优化后的电动汽车功率和目标功率之间必然存在偏差，因此，优化目标是使得优化后的具有优化潜力的电动汽车功率之和与目标优化功率之和的差的平方的积分值最小，如下式所示：
[0128][0129]
其中，表示优化后的具有优化潜力的电动汽车功率之和，表示具有优化潜力的电动汽车优化后的目标优化功率之和。
[0130]
本实施例中，步骤s5中，由于电动汽车的充电功率不可调节，充电过程不可打断，只能改变其充电开始的时刻。利用现有电动汽车的充电预约功能，用户可以先将电动汽车连接上充电桩，然后设置电动汽车的延迟充电时间。对于具有优化潜力的第i辆电动汽车，其初始的充电开始时刻是t
s,i
，收到延时充电的指令t
w,i
后，其最终的充电开始时刻为t
s,i
t
w,i
，因此，优化后的电动汽车的充电功率可以表示为：
[0131][0132]
其中，表示具有优化潜力的第i辆电动汽车的充电功率，p
avg,i
表示具有优化潜力的第i辆电动汽车的平均充电功率；
[0133]
因此，所有具有优化潜力的电动汽车的充电功率之和为：
[0134][0135]
表示第i辆电动汽车优化后的充电功率；
[0136]
优化后的电动汽车充电时刻不可能早于其到达充电桩的时刻，其充电完成时间也需要早于最晚电动汽车充电结束时间，需要满足：
[0137][0138]
从图2可以看出，在优化前，电动汽车充电的时刻大都在晚上时刻开始并迅速达到顶峰，到接近早晨时达到最低，充电曲线呈现右偏分布。优化后。将部分电动汽车的充电时间延后，充电曲线接近无偏分布。
[0139]
从图3可以看出，在优化前，电动汽车充电功率从下午18时迅速上升，在24时达到顶峰，并以较快速度降低，在早上8时基本为0。优化后，电动汽车充电功率从下午十八时以更缓慢的速度上升，在下午23时才以较快速度上升，并在凌晨2时到达顶峰，到达顶峰后的下降的速度也小于优化前，并且，在早上8时后仍未减少至0。
[0140]
本发明实施例的电动汽车集群的充电时间优化方法的有益效果是：根据用户事先提供的电动汽车参数和充电需求，筛选出具有优化潜力的电动汽车，通过优化电动汽车的充电时间段，增加电动汽车在电网用电低谷时期的充电负荷，减少电动汽车在电网用电高
峰时期的充电负荷，从而协助电网削峰填谷，维持电网的安全稳定运行。
[0141]
以上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明创造包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明创造的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。