CN116890688B - 基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电动汽车充电领域,涉及一种基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,包括:1)获取由充电桩***流向支路充电桩的输入电流;2)根据由充电桩***流向支路充电桩的输入电流得到支路充电桩的输入参考电压;3)获取电动汽车在充电过程中参考电压偏移量;4)根据电动汽车在充电过程中参考电压偏移量对支路充电桩的输入参考电压进行修正,获取支路充电桩向电动汽车充电的注入电压;5)根据支路充电桩向电动汽车充电的注入电压对不同剩余电量的电动汽车进行充电。本发明提供了一种方便共享电动汽车的运行商批量充电操作以及能够降低支路线阻上的功率损耗的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车充电领域,涉及一种电动汽车充电方法,尤其涉及一种基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法。
背景技术
随着社会的进步,汽车作为一种不可替代的交通工具,更是与人们的日常生活密不可分。然而,由于人们对于环境的重视,各类清洁能源的应用比重增加,电动汽车的普及范围逐步增大。首先,电动汽车具有零排放的特点,因为它们使用电池而不是燃料来驱动,减少了对环境的负面影响,有助于改善空气质量和减少温室气体排放。其次,电动汽车在能源效率方面也更具优势,相比传统汽车,其能量利用率更高,这意味着它们可以更有效地转化能源为行驶里程。此外,电动汽车还具有低噪音和较低的运营成本,因为电动机相对于传统发动机来说更加简单和可靠。随着技术的不断进步,电动汽车还可以与可再生能源和智能电网相结合,促进能源的可持续发展。因此,电动汽车在未来的应用前景非常广阔,包括城市交通、个人用途、出租车服务和物流运输等领域。
规模电动汽车的充电需求可能会导致电网负荷增加,特别是在高峰时段。这可能会引起电网过载的风险,需要对电网进行升级以增加供电能力。其次,集中充电可能会导致电网部分地区的能源分布不均衡。如果大量电动汽车在同一时间和地点进行充电,可能会出现能源需求过高的情况,需要进行智能管理和调度以平衡供需。然而,由于电动汽车充电的随机性,以及电网线路传输中存在线路阻抗的问题,传统的功率均分策略(例如下垂控制)难以对各个节点的参考电压实行精确的功率分配的同时,还能保证抵消下垂控制所带来的电压漂移问题。
基于共享电动汽车的充电特性,厂家在对大规模共享电动汽车进行充电时往往是希望同一批次的电动车同时充电完成,方便更换。而在同一批次的电动汽车中,其剩余电量往往不同,因此,对于最大输出功率恒定的充电庄***,如何合理的设计每个支路的充电功率,在尽可能的最大化利用充电桩的输出功率的前提下使得不同初值的充电汽车能够在同一时间充满电,方便工作人员的批量操作。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题,本发明提供了一种方便共享电动汽车的运行商批量充电操作以及能够降低支路线阻上的功率损耗的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法包括以下步骤:
1)获取由充电桩***流向支路充电桩的输入电流;
2)根据步骤1)获取得到的由充电桩***流向支路充电桩的输入电流得到支路充电桩的输入参考电压;
3)获取电动汽车在充电过程中参考电压偏移量;
4)根据步骤3)获取得到的电动汽车在充电过程中参考电压偏移量对步骤2)获取得到的支路充电桩的输入参考电压进行修正,获取支路充电桩向电动汽车充电的注入电压;
5)根据支路充电桩向电动汽车充电的注入电压对不同剩余电量的电动汽车进行充电。
优选地,本发明所采用的步骤1)中由充电桩***流向支路充电桩的输入电流的表达式是:
,
其中:表示由充电桩***流向第i个充电功率控制器的输入电流;/>表示支路充电桩的输入电压;/>表示充电桩***的输出电压;/>表示充电桩***中第i个支路充电桩的支路阻抗。
优选地,本发明所采用的步骤2)的具体实现方式是:
2.1)构建充电桩***的分布式电压观测器;所述充电桩***的分布式电压观测器包括多个支路充电桩的分布式电压观测器;
2.2)根据支路充电桩的分布式电压观测器获取经过分布式电压观测器电压调整之后的基准值;
2.3)根据步骤2.2)获取得到的基准值以及步骤1)获取得到的由充电桩***流向流向支路充电桩的输入电流获取支路充电桩的输入参考电压。
优选地,本发明所采用的步骤2.1)中支路充电桩的分布式电压观测器的表达式是:
,
其中:表示充电桩***内的各分布式电压观测器频域的集合,所述/>的表达式是:/>,T是矩阵的转置;对于/>中的任一元素,则有/>,所述s是对分布式电压观测器所观测的电压进行频域的拉式变换因子,所述1≤i≤M,所述1≤j≤M;
所述分布式电压观测器所观测的电压在考虑通讯延时的表达式是:,其中:/>表示支路充电桩的输入电压;是第i个分布式电压观测器上观测到的支路充电桩中充电功率控制器的输入电压;/>表示不同支路充电桩之间的通讯时延;t表示时间;
表示充电桩***中每个支路充电桩的实际输入电压,所述/>的表达式是:/>;
表示含有时延的拉普拉斯矩阵,所述/>的表达式是:/>,对于拉普拉斯矩阵中的每一个元素,/>表示通讯权重,一般设置为1,当第i个支路充电桩与第j个支路充电桩存在通讯关系时/>,否则/>;
表示时延的积分环节,所述/>的表达式是:,对于/>中任一元素表示为。
优选地,本发明所采用的步骤2.2)中经过分布式电压观测器电压调整之后的基准值的表达式是:
,
其中:表示支路充电桩所设定的电压值;/>表示第i个分布式电压观测器上观测到的支路充电桩中充电功率控制器的输入电压。
优选地,本发明所采用的步骤2.3)中支路充电桩给电动汽车充电时,充电功率控制器的输入参考电压的表达式是:
,
其中:表示支路充电桩的输入参考电压;/>表示经过分布式电压观测器电压调整之后的基准值;/>表示下垂系数。
优选地,本发明所采用的步骤3)中电动汽车在充电过程中参考电压偏移量的表达式是:
,
其中:表示第i个充电速度偏移因子的参考电压偏移量;/>表示通讯矩阵的权重;/>表示第i个充电汽车的电量并且/>;/>表示第j个充电汽车的电量;i表示第i个支路充电桩;/>表示与第i个充电汽车存在通讯关系的通讯网络的集合;j表示与第i个支路充电桩邻接的支路充电桩;
其中:的表达式是:/>,
其中:表示第i个充电汽车的初始电量;/>表示由第i个支路充电桩流向充电汽车的电流;/>表示第i个充电汽车的电池容量;/>表示第i个支路充电桩。
优选地,本发明所采用的步骤4)中修正后的支路充电桩给电动汽车充电的注入电压的表达式是:
,
其中:表示支路充电桩的输入参考电压;/>表示分布式电压观测器电压调整之后的基准值;/>表示由充电桩***流向第i个充电功率控制器的输入电流;/>表示下垂系数;/>表示第i个充电速度偏移因子的参考电压偏移量。
本发明的优点是:
本发明提供了一种基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,包括1)获取由充电桩***流向支路充电桩的输入电流;2)根据步骤1)获取得到的由充电桩***流向支路充电桩的输入电流得到支路充电桩的输入参考电压;3)获取电动汽车在充电过程中参考电压偏移量;4)根据步骤3)获取得到的电动汽车在充电过程中参考电压偏移量对步骤2)获取得到的支路充电桩的输入参考电压进行修正,获取支路充电桩向电动汽车充电的注入电压;5)根据支路充电桩向电动汽车充电的注入电压对不同剩余电量的电动汽车进行充电。本发明能够使共享电动汽车运营商批量对不同电量的充电汽车进行充电,并且能够合理的分配每个支路充电桩的输入功率,当不同电池初始值的电动汽车同时充电时,本发明所提供的充电方法能够使电池容量较低的电动汽车充电功率增加,电池容量较高的电动汽车充电容量减小,当一个充电桩内的电动汽车电量相等时,能够合理分配充电桩对每个支路的充电功率,使一个充电桩***内的所有电动汽车能够同时完成充电,更加方便共享电动汽车的运行商批量操作。同时,所设计的电压观测器能够缩小每个支路充电接口的电压,尽可能的降低在充电支路之间传递的电流,因此,能够降低支路线阻上的功率损耗。显然,本发明所提供的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法能够对同一充电桩***内的不同电量的电动汽车可以通过控制充电功率控制器的输出功率调整电动汽车的输出功率。由于采用了分布式电压观测器可以使得电压观测值收敛于设定值而实际值会依据线路阻抗的不同而有差异,但是会保证其邻接支路的平均值等于设定值。此外,本发明能够使得观测器的观测电压输出到设定值可以抵消由下垂控制造成的电压偏移效果,最终结合分布式电压观测器可以使同一个支路充电桩内的不同的充电功率控制器的充电输入电压控制在充电桩的设定值附近。
附图说明
图1为本发明一个实施例的电动汽车充电桩拓扑结构;
图2为本发明一个实施例的电动汽车支路充电桩以及充电功率控制器结构;
图3为本发明一个实施例的控制算法流程图;
图4为本发明一个实施例中三个不同初始值充电汽车的充电电量图;
图5为本发明一个实施例中三个支路充电桩的实际输入电压;
图6为本发明一个实施例中三个支路充电桩的电压观测器上显示的电压;
图7为本发明一个实施例中三个支路充电桩的线路阻抗上的功率损耗。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。
本发明提供了一种基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,如图1所示,同一个充电桩***内并联多个(假设有M个)不同的支路充电桩,考虑充电桩***的每一个支路充电桩上的支路阻抗(因施工有偏差导致)都不同,并且支路充电桩与支路充电桩之间都存在线路阻抗。每一条支路充电桩都由一个充电功率控制器控制电动汽车的充电速度。本发明的核心思路在于通过修改支路充电功率控制器的输入电压,间接控制支路功率控制器的充电功率。
步骤1、在充电时,充电桩***连接主网,因此充电桩***给定到支路充电桩的输出电压基本可以认为是恒定的,流向支路充电桩的输入电流可以表示为:
(1)
其中,表示由充电桩***流向第i个充电功率控制器的输入电流;/>表示支路充电桩的输入电压;/>表示充电桩***的输出电压;/>表示第i个支路充电桩的支路阻抗;
步骤2、控制充电功率控制器的占空比进而控制充电功率控制器的充电速率,由下垂控制确定:
(2)
其中,表示支路充电桩的输入参考电压,/>表示下垂系数,/>表示经过分布式电压观测器电压调整之后的基准值,其中,/>的具体表达式为:(3)
其中:表示支路充电桩所设定的电压值,一般充电为380V,也可以根据运营商的需求在合理范围内进行改动;/>表示第i个分布式电压观测器上观测到的支路充电桩中充电功率控制器的输入电压;
步骤3、通过构造分布式电压观测器用以观测局部电压,同时使得每个支路充电桩的局部电压等于分布式电压观测器的实际电压,从而造成不同支路充电桩之间的输出电压在合理的范围内存在较小的差异,同时又能抵消由下垂控制带来的电压偏移效果,以此降低电流在线路阻抗上的消耗,假设分布式电压观测器上观测到的支路充电桩中充电功率控制器的输出电压由表示,当考虑通讯时延时,电压观测器设计为:
(4)
其中,表示不同支路充电桩之间的通讯时延,按照上述方法设计的分布式电压观测器可以不受通讯时延的影响达到其收敛性;t指代时间;/>表示流向第i个充电功率控制器的输入电压;
对式(4)进行频域的拉式变换,可以得到分布式电压观测器的频域表达式:
(5)
其中,s是拉式变换后的因子;
因此,可以得到整个充电桩***的分布式电压观测器表达式:
(6)
上式中,表示充电桩***内的各分布式电压观测器的集合,/>表示充电桩***中每个支路充电桩的实际输入电压,/>表示含有时延的拉普拉斯矩阵,并且对于拉普拉斯矩阵中的每一个元素,/>表示通讯权重,一般设置为1,当第i个支路充电桩与第j个支路充电桩存在通讯关系时/>,否则/>,/>表示时延的积分环节,其中的元素表示为/>。
此设计的分布式电压观测器可以抵消通讯时延的问题而达到收敛效果,首先,将在点0处对公式(6)中的拉普拉斯矩阵,即Ls进行泰勒展开,展开后的表达式见公式7:
(7)
其中,表示拉普拉斯矩阵的n介展开项。
对分布式电压观测器的稳态值进行终值定理的计算,可得:
(8)
其中如前述内容,表示分布式电压观测器的集合,/>表示拉普拉斯矩阵中特征值为0对应的特征向量,/>表示支路充电桩的实际值,对于任意的符号/>,/>代表/>的稳定值。因此可知,本发明所设计的分布式电压观测器可以抵消由支路充电桩的阻抗以及线路阻抗的不同而造成的支路充电桩的输出功率不均衡问题。由终值定理可知,其分布式电压观测器的最终收敛值为一个不包含传输时延的参数,这表明分布式电压观测器的最终收敛值不受通信传输时延的影响。
本发明所采用的分布式电压观测器,对于每个总充电桩连接若干个支路充电桩,由每个支路充电桩对电动汽车进行充电。本发明所采用的分布式电压观测器,作为一种状态观测器,可以有效解决由线路阻抗和充电功率改动造成的设定值冲突问题(即:当所有支路充电桩的输入电压都为380V时,其充电功率实际上已经确定,然而在分布式电压观测器的控制下,能够使得各个支路充电桩的实际电压值的平均值等于分布式电压观测器的观测值,解决线路阻抗与设定值的冲突(直流电路中,电压确定了,输出功率就确定了,若将电压全部调整到参考值,就不能对功率进行管控,若想对功率进行管控,那所有支路充电桩的实际输出电压就不能全部跟踪到参考电压),同时,减小不同支路充电桩的输入电压,降低支路充电桩的功率损耗)。基于一致性算法的电动汽车充电方法,可以使得每个支路充电桩中的电动汽车同时完成充电过程。并且,本发明提出的充电方法非常适合电动汽车“即插即用”的充电特性。
步骤4、设计基于一致性算法的功率分配策略,电动汽车的模型可以简化为一种燃料电池,因此,其电池的电容量可以表示为:
(9)
其中:表示充电汽车的电量并且/>,/>表示第i个充电汽车的初始电量,/>表示由第i个支路充电桩流向充电汽车的电流,/>表示第i个充电汽车的电池容量,下标/>表示第i个支路充电桩。
步骤5、调节支路充电桩中充电功率控制器的输入电压,其支路充电桩的细致结构在图2中展示,通过控制支路充电功率控制器的注入电压,进而控制支路充电桩内电动汽车的充电速度。其控制算法如图3所示,由PI控制器控制支路充电桩的充电功率控制器,使其达到相同的充电,放电速度。结合一致性算法,由公式(9)可知。欲使各个充电汽车的电池充电速率达到一致,需要满足以下关系:
(10)
其中表示充电汽车电量的集合,L表示拉普拉斯矩阵。
步骤6、依据图3构造的电动汽车充电时的充电功率控制器,由下垂控制得到的支路充电桩的充电功率控制器输出电压参考值与电压的实际作误差,由电压环的PI控制器得到电动汽车的输入电流:
(11)
其中:表示给待充电汽车的参考输出电流;/>表示支路充电桩的输入参考电压;/>表示支路充电桩的输入电压;/>表示电压环PI控制器的传递函数。
步骤7、在电动汽车侧,再由一个电流环PI控制器跟踪给待充电汽车的参考输出电流,同时由PWM脉冲发生器生成占空比控制充电功率控制器的输出功率,进而控制电动汽车的充电速度。
步骤8、依据公式(9)的一致性算法原理构造电动汽车的充电速率偏移量函数,同时结合公式(10)以及公式(11)可知,若将偏移量附加在充电桩输入侧的参考电压上,则经过PI控制器调节之后可以得到充电汽车输出电流的参考值,因此设计电动汽车输出功率的偏移量为:
(12)
其中表示第i个充电速度偏移因子的参考电压偏移量,/>表示通讯矩阵的权重,/>表示与第i个充电汽车存在通讯关系的通讯网络的集合;/>表示第i个充电汽车的电量并且/>;/>表示第j个充电汽车的电量;i表示第i个支路充电桩;j表示与第i个支路充电桩邻接的支路充电桩。
步骤9、重新设计支路充电功率控制器的参考输入电压,基于步骤2,将电动汽车输出功率改动量附加到支路充电桩的参考电压上,此时的参考电压为:
(13)
其中表示支路充电桩的输入参考电压;/>表示分布式电压观测器电压调整之后的基准值;/>表示由充电桩***流向第i个充电功率控制器的输入电流;/>表示下垂系数;/>表示第i个充电速度偏移因子的参考电压偏移量。/>作为影响参考电压的附加影响因子,经过电压环的PI控制器能够附加到参考电流上,而由公式(9)可知,参考电流实际上就是充电汽车电池模型的负导数,而公式(13)中的影响因子经过电压环的PI控制器之后能够自动满足公式(10)的一致性算法,因此可知,加入/>之后的算法能够使得各个支路充电桩节点的电动汽车的电池容量趋于同一个值,方便共享电动汽车的运营商对不同电量的充电汽车进行批量充电操作,其仿真结果图如图4所示。而本发明所采用的分布式电压观测器(见公式4)以及电压回复方法(见公式3)能够使得观测器的值趋于设定值,如图6所示,而每个支路充电桩的实际值由不同的线路电阻的影响而在设定值附近产生合理范围内的偏差,如图5所示。同时,能够达到降低线路阻抗上消耗的功率,使各个支路充电桩能够更为合理的利用电能进行充电,如图7所示。
Claims (7)
1.一种基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法包括以下步骤:
1)获取由充电桩***流向支路充电桩的输入电流;
2)根据步骤1)获取得到的由充电桩***流向支路充电桩的输入电流得到支路充电桩的输入参考电压;
3)获取电动汽车在充电过程中参考电压偏移量;
所述参考电压偏移量的表达式是:
,
其中:表示第i个充电速度偏移因子的参考电压偏移量;/>表示通讯矩阵的权重;表示第i个充电汽车的电量并且/>;/>表示第j个充电汽车的电量;i表示第i个支路充电桩;/>表示与第i个充电汽车存在通讯关系的通讯网络的集合;j表示与第i个支路充电桩邻接的支路充电桩;
其中:的表达式是:/>,
其中:表示第i个充电汽车的初始电量;/>表示由第i个支路充电桩流向充电汽车的电流;/>表示第i个充电汽车的电池容量;/>表示第i个支路充电桩;
4)根据步骤3)获取得到的电动汽车在充电过程中参考电压偏移量对步骤2)获取得到的支路充电桩的输入参考电压进行修正,获取支路充电桩向电动汽车充电的注入电压;
5)根据支路充电桩向电动汽车充电的注入电压对不同剩余电量的电动汽车进行充电。
2.根据权利要求1所述的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述步骤1)中由充电桩***流向支路充电桩的输入电流的表达式是:
,
其中:表示由充电桩***流向第i个充电功率控制器的输入电流;/>表示支路充电桩的输入电压;/>表示充电桩***的输出电压;/>表示充电桩***中第i个支路充电桩的支路阻抗。
3.根据权利要求2所述的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述步骤2)的具体实现方式是:
2.1)构建充电桩***的分布式电压观测器;所述充电桩***的分布式电压观测器包括多个支路充电桩的分布式电压观测器;
2.2)根据支路充电桩的分布式电压观测器获取经过分布式电压观测器电压调整之后的基准值;
2.3)根据步骤2.2)获取得到的基准值以及步骤1)获取得到的由充电桩***流向支路充电桩的输入电流获取支路充电桩的输入参考电压。
4.根据权利要求3所述的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述步骤2.1)中支路充电桩的分布式电压观测器的表达式是:
,
其中:表示充电桩***内的各分布式电压观测器频域的集合,所述/>的表达式是:
,T是矩阵的转置;对于/>中的任一元素,则有
,所述s是对分布式电压观测器所观测的电压进行频域的拉式变换因子,所述1≤i≤M,所述1≤j≤M;
所述分布式电压观测器所观测的电压在考虑通讯延时的表达式是:,
其中:表示支路充电桩的输入电压;/>是第i个分布式电压观测器上观测到的支路充电桩中充电功率控制器的输入电压;/>表示不同支路充电桩之间的通讯时延;t表示时间;
表示充电桩***中每个支路充电桩的实际输入电压,所述/>的表达式是:;
表示含有时延的拉普拉斯矩阵,所述/>的表达式是:/>,对于拉普拉斯矩阵中的每一个元素,/>表示通讯权重,一般设置为1,当第i个支路充电桩与第j个支路充电桩存在通讯关系时/>,否则/>;
表示时延的积分环节,所述/>的表达式是:,对于/>中任一元素表示为。
5.根据权利要求4所述的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述步骤2.2)中经过分布式电压观测器电压调整之后的基准值的表达式是:
,
其中:表示支路充电桩所设定的电压值;/>表示第i个分布式电压观测器上观测到的支路充电桩中充电功率控制器的输入电压。
6.根据权利要求5所述的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述步骤2.3)中支路充电桩给电动汽车充电时,充电功率控制器的输入参考电压的表达式是:
,
其中:表示支路充电桩的输入参考电压;/>表示经过分布式电压观测器电压调整之后的基准值;/>表示下垂系数。
7.根据权利要求6所述的基于共享电动汽车运营商的电动汽车充电方法,其特征在于:所述步骤4)中修正后的支路充电桩给电动汽车充电的注入电压的表达式是:
,
其中:表示支路充电桩的输入参考电压;/>表示分布式电压观测器电压调整之后的基准值;/>表示由充电桩***流向第i个充电功率控制器的输入电流;/>表示下垂系数;/>表示第i个充电速度偏移因子的参考电压偏移量。
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Citations (6)
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2023
- 2023-09-07 CN CN202311152011.7A patent/CN116890688B/zh active Active
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分布式储能对配电网电压稳定的影响分析;王钤;徐备;张师;;广东电力(第05期);全文 * |
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