基于数据驱动能量效率模型的公交车快充站有序充电方法与流程

本发明涉及公交车充电，具体涉及基于数据驱动能量效率模型的公交车快充站有序充电方法。

背景技术：

1、电动公交车作为电动汽车中重要的一部分，与私家车和出租车的随机性相比，其充电地点固定，对于同一公交运营线路而言，运行路线及运行时间相对固定；电动公交车的电池容量和充电功率比电动私家车大很多，目前电动公交车的主流充电模式之一是回站有桩即冲的快速充电模式，大规模的无序充电会对电网造成不利影响，使得电网的峰值加剧，还会导致充电桩存在规划过剩的问题，增加充电桩的建设成本以及用电成本。针对此问题，对电动公交车有序充电的研究成为一个热点，但是目前对电动汽车有序充电的研究主要基于分时电价，基于分时电价响应的研究，分别以降低用户充电成本和减少负荷峰谷差为目标来引导电动汽车进行有序充电，都未将充电能量转换效率考虑在内。

2、公开号为cn111619394a的发明专利申请《一种基于分时电价的电动公交车有序充放电方法》中，采用从电网获取本地区的各个时段的用电负荷数据；判断各电动公交车的充电类型，充电类型包括不接受充放电调度、接受有序充电调度、接受有序充放电调度；在电网侧，以负荷波峰谷差最小为目标函数；在电动公交车运营商侧，以电动公交车充电费用最少为目标函数；以电动公交车的电池电量、运营时间和充放电功率为约束条件建立优化模型，通过求解模型得到最优的充放电时刻和功率的方案。但是，该方案中没有考虑充电效率与变压器效率、充电机效率、电池效率之间的关系，造成了电能的浪费。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种充分考虑充电功率与变压器效率、充电机效率、电池效率之间关系的电动公交车有序充电方法，能够在传统有序充电的基础上进一步提高充电的能量转换效率，降低充电站运营商的用电成本和电动公交车的充电成本，提高经济性。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：基于数据驱动能量效率模型的公交车快充站有序充电方法，该方法包括以下步骤：

3、s1：根据充电站的运行时间、设备功率限制、数量限制以及公交车发车计划，确定满足公交线路运行的电量需求；

4、s2：基于充电站充电过程能量流动拓扑，测得变压器效率、充电机效率和电池效率，建立充电能量转换效率与车载储能系统实际充入的充电功率之间的关系；

5、s3：以一天中充电站的实际用电量最小或一天之中充电站的实际电费最少为目标函数，其中考虑充电能量转换效率，以电动公交车线路运行电量需求、电动公交车充电时间连续性为约束条件建立非线性的优化目标函数模型；

6、s4：使用分段线性化将步骤s3中非线性的优化目标函数模型转换为混合整数凸规划问题，求解混合整数凸规划问题得到最优的充电计划，包括每辆车的最优充电时刻及对应的充电功率。

7、进一步地，在步骤s1中，需要保证所有的公交车在发车时刻前车载储能系统的荷电状态能够满足走完整条线路：

8、

9、

10、式中，j为车辆编号；为车辆j所服务线路的公交车车辆数；分别为车辆j所在线路的首发时间，末班车时间以及线路的发车间隔；lj为车辆j所处运行线路的长度；nj为车辆j所服务线路中每辆公交车需要重复运行的次数；为车辆j在第k次循环的开始时刻；vj为车辆j所服务线路的单位公里能耗；cp,j为车辆j车载储能系统的最大能量；soclow为考虑到交通状况因素带来的额外损耗，保证车辆安全运行的soc安全下限；代表车辆j在第k次循环出发前的soc。

11、进一步地，在步骤s2中，考虑变压器效率、充电机效率、电池效率的充电能量转换效率与车载储能系统实际充入的充电功率之间的关系为:

12、

13、式中，t代表充电的时刻，ptg为配电网实际消耗的功率；ptch为车载储能系统的实际充入的充电功率；ptpile为充电桩输出功率；ηhl为变压器降低电压时的效率；ηad为充电机效率；ηb为车载储能系统中的动力电池在充电过程中的效率。

14、本发明通过实验测得考虑变压器效率、充电机效率、电池效率的充电能量转换效率与车载储能系统实际充入的充电功率之间的关系。

15、具体步骤为：1)通过功率分析仪测得变压器效率、充电机效率与其各自输出功率之间的关系，分别表示为

16、2)ηb可以描述为实际充入电池能量与充电过程向电池输入能量的比值，并用百分比表示，其大小与充入电池的充电功率相关，实验步骤为：①通过实验测得不同ptch对应的ηb。测某一充电功率对应的效率ηb和实际充入功率ptch的具体操作为：以恒定电流对电池进行充电，记录整个充电过程向电池输入的能量，充电结束后通过小电流放电实验得到实际充入电池的能量，进而计算该充电过程中实际充入电池的功率和对应的电池充电能量转换效率ηb。②对步骤①中得到的数据进行拟合得到描述ηb与ptch关系的模型，即ηb＝fb(ptch)。

17、3)根据充电系统拓扑流动关系

18、可得考虑变压器效率、充电机效率、电池效率的充电能量转换效率与车载储能系统实际充入的充电功率ptch之间的关系，即ηhl·ηad·ηb＝f(ptch)。

19、进一步地，在步骤s3中，以一天中充电站的实际用电量最小为目标函数：

20、

21、式中，t代表一天中划分的单位时间数；△t为单位时间，在本文中△t＝60s；j为公交车充电站服务的车辆数量总和；为第j辆车在t时刻车载储能系统实际充入的充电功率，为第j辆车在t时刻充电时充电桩的输出功率。

22、进一步地，在步骤s3中，以一天之中充电站的实际电费最少为目标函数：

23、

24、c(t)为充电站运营城市t时刻的商业电价。

25、进一步地，在步骤s4中，所述目标函数的约束条件为：

26、时间约束：

27、下式表示公交车不在充电站时不能充电：

28、

29、下式表示充电站停止营业时，所有车辆均不能充电：

30、

31、式中，dj,t为车辆j在t时刻的充电状态，dj,t∈{0,1}，dj,t＝1车辆处于充电状态，反之则处在非充电状态；为编号j的公交车不在充电站的时间集合，其中为车辆j第k轮次的出发时刻，为车辆j第k轮次的回站时刻，nj为车辆j一天总共要循环的轮数；tclose为充电站关闭的时间；

32、充电站设备约束：

33、下式表示同时处于充电的充电桩数量小于等于充电站内充电设备总数量ncs：

34、

35、下式表示单个充电桩的最大功率不得超过安全功率pcs；

36、

37、下式表示整个充电站的配电容量不得超过充电站配电网的最大安全功率ps：

38、

39、出行需求的约束：

40、下式表示每台车在每次循环的出发时刻车辆的soc应当介于单次出行所需能量与最大能量的比值加上保护电池的最低soc下限soclow和设定的soc最大值socmax之间：

41、

42、下式表示车辆j在第k次出发时刻时车辆soc的计算公式，时刻车辆的soc为一天初始时刻的soc加上在此之前发生的充电行为充入车辆的电量，再减去之前出行所消耗电量。

43、

44、下式表示一天中充入的电量能够满足一天的出行所需电能之和，保证了充电策略的可循环性：

45、下式表明采用本充电策略，每辆公交车充电行为在时间尺度上是连续的：

46、

47、

48、式中，yj,t和zj,t是编号为j的车辆在回站后的充电过程中控制连续充电的起始和终止决策变量，yj,t，zj,t∈{0,1}；为车辆j回站后在充电站内的时间段集合，

49、与现有技术相比，本方案具备的显著优点有：本方案充分考虑了充电效率与变压器效率、充电机效率和电池效率之间的关系，以一天中实际用电量最小为目标函数，提高了电动公交车充电的能量转换效率，并在提高充电能量转换效率的同时改进目标函数，将一天之中充电站的实际电费最少为目标函数，降低了充电站运营商的用电成本和电动公交车充电成本。

50、此外，本方案还采用了分段线性化方法，将建立的包括变压器效率、充电机效率、电池效率的优化目标函数模型线性化，分段线性化在保证总效率模型精度的条件下将模型变得易于求解；将复杂的非线性模型拆分成几段线性运算，提高了求解效率。