熊 炜 王 凯 吴胜聪 邹 宇 鲍 刚

(1.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室,湖北宜昌 443002;3.三峡大学 新能源微电网湖北省协同创新中心,湖北 宜昌 443002;4.广西电网有限责任公司 钦州供电局,广西 钦州 535000)

近年来,世界各国逐步减少传统燃油汽车的规模,促进电动汽车发展已达成共识[1].电动汽车在无序充电状态下,有可能导致电网容量不足,从而对电网的稳定性产生一定影响.通过有效的技术和经济手段引导电动汽车用户有序充换电,在不影响电动汽车用户使用的前提下,合理地分配电动汽车的充电时间和充电地点,不但可以降低对电网的负荷冲击以及减少不必要的发电容量建设与电网建设,还可以减小负荷峰谷差,提高电网运行效益,使电动汽车与电网协调发展[2-3].另一方面,积极改变电力结构,增加新能源的开发使用.新能源分散性广,具有很大的随机性和间歇性,通过调度常规发电机组提高电网对其消纳能力的空间有限.当然前人在能源互补上[4],时空调度上[5],电网规划上[6]都做了很多的研究提高新能源消纳容量.分布式新能源既可以并入电网,也可以以微网的方式运行.而电动汽车作为一种分布式储能元件,充分利用电动汽车充电与分布式能源协调互补特性,对于扩大电力终端用电市场,降低需求侧峰谷差,提高电力供需平衡和电力设备负荷效率,改善电网的负荷特性,减少为维持电网低负荷运转而引起的调峰费用等,具有重要的现实意义.在此基础上,研究电动汽车充换电平台,前期工作就是研究对电动汽车运行状态的监测,为后期的平台建设提供基础数据支持,实现电池数量规划,配送站规划,换电站规划,物流规划,新能源联合优化消纳.

1 电动汽车充换电与新能源消纳联合运行

电动汽车与新能源消纳联合运行的实现需要综合平台的建设.平台主体结构包含3个部分:电动汽车状态监测;云数据综合服务系统;客户终端APP.如图1所示.

电动汽车状态监测初步研究实现两个方面的数据采集:动力电池实时电压和实时位置,并且在紧急情况下的远程断电控制.动力电池实时电压的采集目的是采用较高性价比的方法监测动力电池的实时电量,从而为电动汽车充换电的时间调度提供基础数据.实时位置为经纬度,为电动汽车充换电的空间调度提供基础数据.

图1 电动汽车充换电与新能源消纳联合运行结构图

综合处理及服务系统对于采集的数据进行分析交换,其采集的数据不仅包含电动汽车运行状态的实时数据,同时包含风光能源的储能数据.风光分布式电源的电量采集数据可直接通过电网的营销系统,各分布式电源均有电能计量装置,数据上传至营销系统,所以可在营销系统数据库中直接读取采集分布式电源的电能基础数据.并且建立时间空间上的目标函数与约束条件,进行有序调度.客户终端APP让终端用户方便查看车辆及充换点的相关信息、实时充电的成本信息和推荐信息.

2 电动汽车状态监测工作原理

2.1 动力电池实时电压检测

蓄电池是各类电动汽车中最常用的储能元件,其剩余电量的精确测量在电动汽车的发展中一直是一个非常关键的问题,因为只有对电池剩余电量进行精确测量才能使驾驶员及时掌握正确的信息,预测自己的后续行驶里程,并及时进行充电.因此很有必要对电动汽车电池电量进行实时监测,这样就可以让车主对电池剩余电量有了充分的了解,大大提高了电动汽车的实用性.

运用霍尔电压传感器采集电动汽车电池的电压信息,因电动汽车电池电压可以看作是电池SOC(荷电状态)的表征量,故可将采集到的电压转换成电池SOC,即电池电量.

霍尔电压传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器.如图2所示,霍尔电压传感器主要包括初级线圈、磁环、次级线圈、放大电路及与初级线圈串联的限流电阻Rm.抛开限流电阻Rm,剩余部分相当于一个闭环霍尔电流传感器.

图2 闭环霍尔电压传感器结构图

采用CHV-25P/400霍尔电压传感器.闭环霍尔电压传感器的输入与输出具有良好的线性关系(线性度为0.1%),且被测电压为额定电压400 V时,输出电压为5V,由此可得输入电压Vi与输出电压Vo的关系为Vi=80Vo(1)

在原边电压输入加上被测电压,经过闭环霍尔电压传感器,在输出端使用单片机模数转换采集输出端电压,经过换算得出被测电压大小.

2.2 电动汽车实时位置检测

在电动汽车运行过程中,直流电压传感器实时监测动力电池的电压,并将收集到的数据信息以RS485通信方式传递到中央处理单元.同时GPS定位模块将经纬度数据传到中央处理单元,另外预留一路R485作为功能扩展.无线通讯模块将中央处理单元处理所得的电压值与GPS定位信息通过GSM短信和GPRS通讯方式上传至服务器中.服务器和终端手机一方面收集电压和位置数据,另一方面也可通过指令实现远程控制继电器开合.同时也添加了一个LCD屏和一个按键,可以即时采集电压和位置信息并且显示,便于测试,如图3所示.

图3 在线监测功能结构图

实图中开发板接线柱7个端子,含继电器接口,RS485端子和供电端子.含一路继电器,1个手机卡槽,GPS天线和手机天线接线柱,屏幕接线和按键,远程通讯模块和中央处理单元,如图4所示.

图4 实物图

在位置监测中,暂未考虑地下车库等情况的定位.后期根据需要,研究室内WIFI辅助定位.

3 电动汽车状态监测测试环境

两台双路直流电源,1张SIM卡.两台直流电源其中一台作为供电,一路供电给电路板,一路供电给直流电压采集器.均为12 V.另一台直流电源接到直流电压采集器上,作为输入电压测试用.

参数设置如图5所示,设置数据上传手机时间间隔为1 min;设置授权手机号码;设置继电器的开关指令为“设备1开”“设备1关”;由于室内信号不好,容易使GPS定位不准确,故采用了外接长GPS天线.电压和位置信号同步传至服务器的时间间隔为固定500 ms.

图5 参数设置

因设置1 min发送一次采集数据,所以每隔1 min发一条短信到目的地手机,信息内容为电压和地理经纬度,测试结果如图6所示.并且每隔500 ms,电压和位置经纬度信息发送到服务器,在服务器中的信息管理系统中标注在地图中.电压信号因为返回值为寄存器返回的电阻值.根据公式(2)

图6 测试结果

换算为真实测量电压值,该直流电压传感器最大可测量电压为300 V,所以真实电压为1 028×300×0.000 1=30.84 V,后期也将在服务器系统中转换数据,显示实测电压值.手机发送指令“设备1开”,继电器动作声音传出.手机发送指令“设备1关”,继电器动作声音传出.

远程继电器为预留功能接口.根据需求方要求,可实现特殊情况下的电动汽车远程断电,远程开关空调,远程开关后备箱收发快递.

4 状态监测的通用性及扩展性

通过RS485口可以连接各种传感器进行工业,体育,电气方面的应用.如可以接入投入式液位传感器,进行水桶,废油桶的定位及液位实施监测.可以接入加速度传感器,装在体育背心上,作为运动轨迹和运动步数的监测等等.在电动汽车状态监测中采集的电压数据没有直接换算,而是考虑将数据最终传至综合服务平台服务器中进行换算和分析,同样是为了保持其在线状态监测通用性.

图7 扩展及通用性

综合服务平台将采集的数据结合地图信息系统,形象地展示监测点的位置和状态.在数据中,通过电压判断动力电池电量,通过新能源的电能计量数据判断所需消纳新能源总量.结合距离约束条件,电价的灵敏性调节,有序调度电动汽车充电.

5 结 论

电动汽车的充电具有随机性,可调节性,分布性的特点.新能源同样具有随机性和分布式的特点.二者规模化发展后,一方面电动汽车的无序性将带来电网短时间内的功率不平衡,负荷波动大,另一方面,新能源消纳存在困难.通过电动汽车和新能源消纳联合运行,优化能源配置.则以大数据的采集为前提,有如下研究:1)通过综合服务平台有序调度电动汽车,对接新能源,尽量就地消纳;2)对电动汽车实时在线状态监测,获得动力电池状态和电动汽车的实时位置,方便时间和空间上的调度;3)研究中充分考虑状态监测的通用性和扩展性.

后期将进一步研究电动汽车调度的多目标函数和约束条件,以空间电价和时间电价为手段引导,完善综合服务平台的服务器系统和数据库.