規模化電動汽車有序充電的系統架構和場景分析

李建克 張然

摘 要：目前我國電動汽車市場規模快速增長，在經濟發達城市的部分小區已經形成了規模化充電需求。規模化電動汽車無序充電會對電網安全、經濟、可靠運行帶來巨大挑戰，并會導致電動汽車充電需求無法及時滿足。因此通過有序充電控制，實現電動汽車充電負荷與配電網供電能力相匹配，可保障電動汽車電能供給和電網運行安全，提升電網設備利用率，促進清潔能源消納。

關鍵詞：電動汽車;有序充電;充電策略

隨著近幾年國家對電動汽車產業的大力扶持，充電設施行業也同步得到了快速發展，大量充電樁被安裝到商場、寫字樓、居民區等停車場。充電設備接入電網后對配電網負荷和電能質量的影響以及如何減少其負面影響，已成為本行業關注的熱點問題，而有序充電的概念隨之產生。

1 有序充電系統定位和建設目標

從電網角度講，有序充電指在滿足電動汽車充電需求的前提下，運用實際有效地經濟或技術措施引導、控制電動汽車進行充電，對電網負荷曲線進行削峰填谷，使負荷曲線方差較小，減少配網容量建設，保證電動汽車與電網的協調互動發展。實現電動汽車的有序充電，首先是電動汽車充電設備接入，并支持對充電設備的運行監控、運行控制和運營管理，在此基礎上通過平臺下發有序策略實現充電樁有序充電控制。有序充電系統的建設目的，是防止無序充電導致配電系統過載，同時讓用戶盡可能低谷充電，便宜充電;對電網公司來講，是支持削峰填谷，減少配網投資，提升負荷柔性;對公共社會來講，可以助推電動汽車產業發展，消納清潔能源，減少充電設施占地。

2 有序充電系統功能及架構

2.1 硬件架構

有序充電系統依托有序控制終端，實現對客戶側充換電設施、儲能等設備的統一信息采集與遠方調控，建成客戶側能源互聯網的數據中心、管理中樞和業務創新平臺，為各類客戶端應用服務商提供運行環境，為節能與能效、數據價值挖掘等業務提供數據支撐，是有序充電系統的重要組成部分。

有序控制終端設計為具備信息數據采集、存儲、通信、策略執行、臺區策略制定等功能的新型集中器。作為有序充電策略緩存或策略生成的主要設備，除具備原有集中器功能外，新增有序充電策略生成、有序充電策略轉發、臺區信息采集及臺區識別等功能。可接收平臺的有序充電策略，經判斷后下發給有序執行終端，實現有序充電控制，同時亦可接收云平臺制定的臺區日前充電負荷規劃，并根據當前臺區信息和臺區下各充電樁充電情況形成臺區當地的充電策略，管理充電樁有序充電資源分配。在超過配變安全運行閾值時調整或中斷部分充電負荷。

有序充電樁內應同步配備有序執行終端，具備有序充電本地操作及控制、預約充電申請、充電保護等功能。作為有序充電策略的執行設備，接收并存儲來自控制終端或有序充電管理平臺的充電計劃，通過給充電樁下達指令實現對電動汽車充電的實時功率調節或控制，從而實現電動汽車有序充電。

2.2 通訊架構

有序充電系統通信網絡分成有序控制終端與平臺信息交互網絡、本地設備通信網絡、有序執行終端與平臺信息交互網絡三層網絡和執行終端充電控制通信、APP人機交互通信兩種通信通道。其中有序控制終端與有序充電服務平臺通信方式采用4G/5G無線專網方式;有序控制終端與有序執行終端通信方式采用載波、無線或雙模通信方式組網，以適應不同應用區域和應用環境;有序執行終端與用能設備通信方式采用CAN或485模式;用戶手機APP與有序充電服務平臺通信方式采用4G/5G無線互聯網方式，與有序執行終端間采用藍牙本地通訊方式;充電樁與電動汽車之間通信方式采用PWM跟隨通信方式。

3 有序充電業務場景

當用戶進行電動汽車充電時，系統應獲取用戶當前SOC、目標SOC、用車時間等信息，并根據獲取的需求信息進行相關控制策略分析，根據分析結果進行控制調度安排。調度方式可分為計劃調度和實時調度，計劃調度的場景包括盡量優先安排谷段充電，預測容量充足，則滿功率調度安排，預測容量不足，則保證用戶充電需求前提下，則減載調度安排;預測谷段不能滿足充電需求（含容量、用車時間），峰段盡早補充空缺;跟蹤一段周期內，占滿谷段，拉平峰段，仍不滿足臺區內充電需求，建議評估擴容。實時調度場景包括監測容量不足時，充電功率等比分攤，可減至最小功率，監測容量充足時，提升到額定功率充電;監測容量嚴重不足，最小功率充電，若仍不能保證電網安全運行，依序切除后來充電負荷，監測容量充裕時，恢復先來充電負荷。

正常狀態下有序充電場景：（1）充電臺區現場的有序控制終端實時采集各充電樁運行狀態和變壓器運行功率（10～15秒），并向云端有序充電服務平臺周期上傳;（2）云端有序充電服務基于臺區配變和充電狀態，進行周期滾動優化調度（5～15分鐘），并將充電計劃下發給控制終端;（3）有序控制終端接受到充電計劃后，通過向執行終端下發充電功率設定值，最終通過PWM控制車輛充電功率。

配變運行越限時有序充電場景：（1）有序控制終端在感知到配變越限狀態后，立即在既有充電計劃基礎上進行越限緊急控制;（2）云端有序充電服務平臺在其周期滾動計劃制定過程中，考慮配變越限因素，向有序控制終端更新充電計劃。

4 結語

本文著重分析了電動汽車有序充電系統的軟硬件構架和業務場景。發展研究有序充電，是目前國內電動汽車充電行業的重點發展方向。隨著電動汽車越來越普及，規模化有序充電的問題亟待解決。通過發展建設有序充電系統，可將電動汽車充電負荷合理地引導到非電網負荷高峰時段充電，降低用戶的充電成本，有效提高電網接入充電設施的能力，滿足更多的電動汽車充電需求，保障電動汽車產業快速發展。

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作者簡介：李建克（1984-），男，漢族，江蘇南京人，工學學士，本科，工程師，從事電動汽車充電設施技術研究;張然（1984-），男，漢族，江蘇南京人，工學學士，本科，工程師，從事電動汽車充放電技術研究。