主动配电网中电动汽车充电站智能管理控制系统设计

主动配电网中电动汽车充电站智能管理控制系统设计

熊家帮

（杭州快电新能源科技有限公司杭州310052）

摘要：近年来，能源与环境问题越来越严重，电动汽车以电代油，减少了尾气排放的同时节约了能源。伴随着电动汽车的发展和普及，充电站得到广泛建设。然而现有电动汽车充电站存在地理位置分散、数量有限及缺乏统一调度等问题，严重影响了电动汽车充电的便捷性，同时造成了大量充电站资源的闲置浪费。主动配电网（ActiveDistributionNetwork，ADN）是未来智能配电网的一个发展趋势，也是配电网发展到高级阶段的产物。在主动配电网的规划、控制、管理方面，应充分考虑电动汽车作为电力负荷和分布式能源的双重属性，尤其是应加强对大规模集中式直流充电站的主动管控，努力实现配电网能量的最优分配。基于此，本文主要对主动配电网中电动汽车充电站智能管理控制系统设计进行分析探讨。

关键词：主动配电网；电动汽车充电站；智能管理；控制系统设计

1、前言

主动配电网理念的核心就是转变对分布式能源（包括各类分布式发电、储能系统、电动汽车及可控负荷）发电量的处理模式，变被动消纳为主动利用、主动管理和主动控制，从而有效解决分布式能源接入配电网时出现的电能质量下降，接入点电压升高及系统双向潮流等问题，同时也为进一步增加分布式能源接入容量，提升配电网资产利用率提供了途径。

2、电动汽车充电站的主动控制与管理

主动配电网融入了风力发电、光伏发电、微型燃气轮机等分布式电源及其他可控资源（无功补偿、柔性负荷等），同时，为提高配电网的供电可靠性及允许的分布式电源渗透率配置了合适容量的储能系统，目前主动配电网的控制方式，分别为集中式、分散式及混合分层式，其中，混合分层式是较为实用的一种配电网管理方式。混合分层控制系统为三层结构。最顶层为能量优化层，通过收集各测量点的遥信遥测数据，对配电网进行监控、操作及管理。中间层依据能量优化层的指令，计算并优化参数，发布给底层控制器。底层根据中间层提供的参数控制配电网中的具体设备。本文在主动配电网混合分层控制结构的基础上，提出了大型电动汽车充电站在主动配电网中的智能控制系统结构，充电站智能管理控制系统由用户智能终端、车载电池管理系统（BMS）、智能双向充电桩控制系统以及充电站级控制系统四部分构成。充电站级控制系统最终接入顶层主动配电网协调控制系统中，与分布式电源区域控制系统、无功及储能区域控制系统及其他配电网管理系统一起接受顶层系统的协调与控制。

1）顶层——主动配电网协调控制系统

顶层协调控制系统是主动配电网的核心，能够对配电网进行能量优化和全局管控。顶层协调控制系统根据底层本地控制系统上传的电压、电流、功率等数据信息，依据设定的主动控制策略进行分析计算和校验，将指令发布给中间层充电站级控制系统。例如，在电网负荷高峰时段，为保证配电网的安全可靠运行，必须限制整个充电站的负荷及电流范围。

2）中间层——充电站级控制系统

充电站级控制系统在接收到顶层系统的指令后，根据设定的控制策略进一步分析计算。充电站级系统对底层系统的控制可以采用集中协调法，即根据底层系统上传的各辆电动汽车的充电参数及电池信息智能判断，统一协调每辆电动汽车的充电电流和时间，使充电站内负荷总和满足顶层系统指令的限制要求。

充电站级系统对底层系统的控制模式可根据电网负荷高峰造成的供电紧张程度分为强制指令和协议指令。强制指令是指在供电能力出现严重缺额的情况下，不经过用户层的响应，按照事先制定的策略，直接控制和调节各台充电机的充电状态和电流大小。协议指令是指在电网负荷过载情况尚未十分严重的情况下，充电站级系统可以向用户层发出协议指令，等待用户反馈。例如某台电动汽车电池荷电状态（SOC）已达到80%，向用户发出协议，令该台充电机停止充电工作或减小实时充电功率，对于用户电量未充满或者多付出的充电时间给予一定的补偿。若用户同意协议，则下发指令给本地控制系统；若用户不同意，则对此台充电机设备不进行操作。

3）底层——本地控制系统

本地控制系统由电动汽车车载BMS和智能双向充电桩控制系统组成，本地控制系统受到中间层充电站级系统的管理和控制。本地控制系统接收到充电站级控制系统的指令后，通过对智能双向充电桩中电力电子元件的控制，实现对充电电流和功率的调节，并将实时充电信息及时告知用户层。未来，随着需求侧响应技术的不断发展及实时电价体系在智能电网中的实施，本地控制系统也可直接受用户层控制，根据用户的需求实现对充电状态的调控。

4）用户层——信息接收响应系统

用户智能终端是用户与电网进行互动的窗口，也是将电动汽车从传统负荷转变为可控可协调负荷的关键。用户智能终端与电动汽车车载BMS互联，可以实时读取车载电池SOC、当前可行使的里程数、已充电时间、剩余充电时间等信息。用户终端与智能双向充电桩控制系统的互联，则可以实现读取实时充电功率、当前电费价格、充电服务费及停车费等用户关心的信息。

用户通过智能终端还可以实现对电动汽车充电状态的管理和控制，进一步提升智能化水平。例如，在电网负荷高峰，实时电价较高的时段，用户可以通过终端进行遥控，选择退出充电模式，向电网反向送电以获得收益；或者选择降低实时充电功率，在满足行驶计划的前提下，尽量减少损失。根据自身需要，结合实际电价，选择用电方式，电动汽车用户的需求侧响应行为，可以实现主动配电网与负荷的“互动”，能够有效地削峰填谷，缓解配电网的供电压力，提高供电可靠性，延缓配电网的升级建设。

3、电动汽车在主动配电网中的新技术

3.1电动汽车二次回收电池储能站

大容量储能系统（ESS）拥有分布式电源和可控负荷的双重属性，能够为电网提供有功及无功支撑，提高分布式电源供电的稳定性，在电网故障或检修时，能够作为备用电源，同时还能够改善配电网的电能质量，在主动配电网中是不可或缺的环节，但目前其建设成本依然较高，技术也不尽成熟。将退役的电池组件回收利用，进行筛选和成组后，用于建设大规模的储能电站是当前一种较新的理念，这将大大降低储能电站的建设成本，但目前相关技术仍处于起步阶段。一是目前电动汽车的电池标准并不统一，容量规格参数的差异给电池成组成串增加了很大难度。二是退役电池的性能由于使用条件不同，存在较大差异，筛选标准有待明确。再者，针对退役电池特性的电力电子双向变换器也亟待研究。

3.2电动汽车参与电网调度的虚拟发电技术

虚拟发电是一种新兴的理念，对于分布式电源并网问题，虚拟发电利用“聚合”的思想，采用先进的信息通信及软件技术，将配电网中各类资源，如分布式电源、受控负荷、储能系统等聚合成一个虚拟的电厂实体参与电网调度。虚拟发电强调各类资源对外呈现的整体功能和效果，其运行特性和效益可以用常规电厂的数据进行类比和测算。电动汽车快速普及，大量的电动汽车蓄电池可以作为虚拟电厂中一类宝贵的储能资源，参与电网电源的协调管理及电力市场竞价。利用虚拟发电技术，合理调控电动汽车的充放电行为，能够进一步完善和优化主动配电网。

4、结语

本文在主动配电网混合分层控制结构的基础上，进一步提出了电动汽车充电站在主动配电网中的智能管理控制系统。该系统整合了蓄电池组、电动汽车、充电桩、充电站、用户等多种资源，由中间层（充电站级控制系统）、底层（本地控制系统）、用户层（信息接收响应系统）组成，并最终接入主动配电网顶层协调控制系统，介绍了该系统的控制策略和未来的应用前景。

参考文献：

[1]葛文捷，黄梅，张维戈．电动汽车充电站经济运行分析［J］．电工技术学报，2013，28（2）：15．

[2]李建坡，姜雪，隋吉生．电动汽车充电站ＲFID智能信息管理系统［J］．自动化仪表，2013，34（11）：62－65．