基于V2G技术的电动汽车有序充放电研究

1.研究背景

        众所周知，能源问题、环境问题和碳中和问题一直是全球的热点问题。要想解决这些问题带给人类的困扰，就必须在各个领域提出与之相应的发展规划。早在很多年前，在能源领域就开始大力发展新能源发电，意图构建新的能源结构体系，可在发电侧减少对化石能源的依赖、从一定程度上解决环境问题。在交通领域，通过发展电动汽车来减少需求侧的化石能源依赖。这两大领域的改革性发展从供需两个不同但具有一定联系性的方面对解决能源、环境、碳中和问题做出了巨大贡献。

        随着这两个领域的发展，新能源发电（风光发电为主）接入大电网的比例越来越大，电动汽车的数量也越来越多。但是这就会导致一些很严重的问题，首先，越来越多的新能源发电接入大电网会使得大电网的鲁棒性变低，因为风光发电具有随机性、波动性；其次，电动汽车的集群充电（也就是说在某一时间会有很多的电动汽车同时充电）会增加电网的负担（从电网负荷曲线来看就是使得电网负荷曲线上移、出现“峰上加峰”等情况）、影响电网的电能质量（也就是电压、频率等产生偏差），严重的情况甚至会使得整个电网系统崩溃。

        基于以上不好的问题，有研究学者就做了一些研究来解决这个问题。在众多研究中，现在最成熟的就是基于分时电价的有序充电（该技术已经在很多地方应用了，也就是根据电网发电情况制定不同的电价，引导电动汽车用户在电价低的时候（也就是发电充裕的时候）进行充电）。还有一些处于发展阶段的研究，比如基于V2G技术的有序充放电、电动汽车动力电池在电网中的阶梯利用。当然，对于不同的应用场景、研究目标的多样性（比如电动汽车是换电还是充电）等，总是会组合出各式各样的研究，但是这些研究都本质都是大同小异的。

        为了让大家能够更清楚的了解这个研究领域，首先讲一下V2G技术的概念，因为它是后面研究的基础。

2.V2G技术的概念

        该技术首次是由美国特立华大学的研究者Willet Kemoton在1997年提出的（有些文献是说的1995年，但是能够查到的文献是在1997年才发表的，也许是在1995年就开始自己研究了，但是1997年才发表改论文，但是这已经不重要了，这里说这个是想说明一下，万一看到不同是怎么回事），但是至今都没有一个标准的概念，当然我认为这并不是很重要，理解大概意思就是了。

        我通过大量的论文整理，总结了一个较为全面的概念：

        把电网、电动汽车、智能充放电装置和一些负荷（居民楼、家用电器等）当成一个系统，V2G技术就是将双向充放电技术、双向通信技术、安全监测技术、数据采集技术、智能控制技术以及智能电网基础设施等高度集成，且服务于该系统的技术。V2G技术是指电动汽车处于可调度状态下，电网和电动汽车可以实现能量和信息的双向流动，强调的是电动汽车与电网之间的友好互动和深度融合，使得整个电力系统的用电效率和用电质量达到最优，对智能电网的发展具有积极意义，其概念图如图1所示。

图1 V2G概念图 

        电动汽车与电网之间的友好互动（V2G）具体体现在以下三个方面：①电网在低负荷时间段向电动汽车输送电能，电动汽车在满足自身需求的情况下给处于高负荷时间段的电网反向输送电能；②电动汽车与电网的实时信息通过双向通信装置双向传输；③根据电网和电动汽车的状态信息，有效地控制电动汽车群进行有序充放电。

      电动汽车与电网之间的融合是指电动汽车起移动的独立微电源作用，具体的应用如下：①V2V(Vehicle-to-Vehicle)—让有供电意愿的电动汽车给有充电需求的电动汽车进行充电，这样能够解决突发的和受电力基础设施等限制的充放电问题；②V2H(Vehicle-to-Home)—就是把有供电条件的电动汽车接入家庭用电母线，代替电网出力。此应用一般会配合太阳能发电技术，在家庭住宅旁安装光伏发电板。在光伏发电板发电较多的时候，将多余的电量给电动汽车充电；在发电不足或者不能发电的时候，利用电动汽车存储的电能给家庭负荷供电，也就是让电动汽车的动力电池充当了光伏发电系统中的储能装置。③V2L(Vehicle-to-Loading)—在特殊场合（如野炊等）给有用电需求的负荷供电。当然，这些都是广义的V2G，在具体的车企项目中有所体现，比如特斯拉的Powerwall等，在学术研究中大多是以V2G为主。我最初了解这个课题的时候就是没有搞清楚主次，就希望全部都去了解一下，后来才发现这是无用功，吃力不讨好。所以，只需要知道这个技术可以让电动汽车和电网实现能量和信息的双向流动就可以了，具体的实现就要涉及到电力电子、通信等的专业知识了。

3.研究思路

        3.1 一般要先确定研究对象和应用场景。

        对象不简简单单的是电动汽车和电网，因为电动汽车和电网范围太广了，你要与应用场景结合起来。比如你是研究居民区的电动汽车有序充放电，电动汽车就是私家车，数量也是有限且有据可循的，间接地说明可调度资源也是有限的，而电网就是受到小区的变压器等级限制的。当然这些在后面约束条件中也用能够看到，但是我想说的是，你一步步确定好了，后面很多事情就不攻自破了。如果你先不确定你的应用场景是居民区，你后面约束的时候也是一头懵，不知道别人设定的约束到底怎么回事。但是你要是先就确定了应用场景，那么你只需要去查一下居民区的变压器参数一般是多少就可以搞定，再参考一下别人的论文，你就能够确信这些设定是怎么回事，有底气去质疑别人。

        3.2 电动汽车的充放电特性建模

        电动汽车有那么多状态变量，我们要筛选对我们研究有用的状态变量。一般来说，我们需要关心的状态变量如下：

         3.3 电动汽车行为特性和车主意愿研究

        由于对电动汽车特性建模的时候，我们关心的部分状态变量（初始SOC、充电开始时间）与电动汽车行为特性有关，而目标SOC和充电结束时间与车主设定有关（虽然在具体的编程中，我们是设定的固定值，但是在实际设定中这是根据车主的意愿设定的），所以我们还需要对电动汽车行为特性和车主意愿进行研究。而这部分研究就比复杂，要运用到出行链理论、马尔科夫链、排队论等相关知识，说白了就是拿到历史数据，然后数据拟合，最后得出概率分布特性，这里就不仔细叙述了。大部分论文都是引用别人的结果——电动汽车离家和回家满足正态分布，电动汽车的日行驶里程满足对数正态分布。这个结果是没有绝对正确的，因为拟合指标和具体研究的历史数据是不一样的。

        3.4 确定初始SOC

        一般来说，这个状态变量是通过日行驶里程等计算出来的。在编程的时候，记得设置很好的限定去保证生成的SOC的数据的有效性！！！

        3.5 确定目标SOC和电动汽车离开时间

        这个一般是由车主意愿决定的，在程序中就是默认值。

        3.6 制定充放电策略

        这个就是仁者见仁智者见智了，自己合理就是。但是大原则就是优先考虑车主意愿、优先利用新能源发电，优先利用大电网低价电。这三个都是优先，但是也有优先先后，一般就是上面的出现顺序。

4.总结

        总之呢，就是把控制时间分成区间控制，这点类似于无限分割的积分思想。比如一天太长，把控制的时间精确到小时或者分钟，这个根据具体的编程软件来定，因为时间段越多越真实，但是对求解的要求很高。这会使得空间复杂度和时间复杂度差别很大。

        再把电动汽车的离位在位时间段确定：

         最后通过策略，优化电力负荷曲线，使得负荷曲线变得平滑（这就是最有意义的输出！！！）。

        所谓的策略就是根据功率情况，制定电动汽车电源等的行为，如上图所示，状态变量名就不一一解释了，就是常用的符号，应该能懂。

        最后再强调一点，我们做的所有就是为了让那个电力负荷曲线“更好看”！！！