专利摘要
本发明提供一种面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，属于电动汽车电能计量领域。所述方法包括：建立电动汽车连接在电网上的双向交互模型；其中，所述双向交互模型包括：电网电压u(t)、电网线路负载Zl1、Zl2、Zl3、电网中其他负载Z、电动汽车双向逆变器、电动汽车电池电动势E和电动汽车内部负载Zev；电网电压依次串联Zl2、Zl3后，接入电动汽车双向逆变器，Zev和E串联后并联于电动汽车双向逆变器的两端，Z和Zl1串联后并联于电网电压的两端；根据建立的双向交互模型，确定电动汽车在畸变信号下，充电时计量的电能和放电时计量的电能。采用本发明，能够实现电动汽车在畸变信号下充放电时的双向电能计量。
权利要求
1.一种面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，其特征在于，包括：
建立电动汽车连接在电网上的双向交互模型；其中，所述双向交互模型包括：电网电压u(t)、电网线路负载Z
根据建立的双向交互模型，确定电动汽车在畸变信号下，充电时计量的电能和放电时计量的电能；
其中，在畸变信号条件下，电网电压u(t)为：
u(t)＝U
其中，U
其中，取电网中，位于Z
设Z
u
其中，u
以电动汽车充电方向为正方向，电动汽车向电网中放电时，在畸变信号条件下对于第k次冲击或波动，计量点a处电流为：
i
其中，i
2.根据权利要求1所述的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，其特征在于，对于第k次冲击或波动，计量点a处电压为：
u
＝U
＝U
＝U
＝u
u
＝(U
＝U
u
其中，u
第k次冲击或波动计量点a处的基波电流i
i
第k次冲击或波动计量点a处的畸变电流i
i
3.根据权利要求2所述的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，其特征在于，所述根据建立的双向交互模型，确定电动汽车在畸变信号下，充电时计量的电能和放电时计量的电能包括：
根据建立的双向交互模型，确定在计量时间内，计量点a处的平均功率：
其中，P
根据得到的P
根据得到的P
4.根据权利要求3所述的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，其特征在于，P
5.根据权利要求3所述的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，其特征在于，W
W
＝(P
＝W
其中，W
6.根据权利要求3所述的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，其特征在于，W
W
＝(P
＝W
其中，W
7.根据权利要求1所述的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，其特征在于，所述方法还包括：
对确定的充电时计量的电能和放电时的电能进行求和，得到双向充放电计量的总电能。
说明书
技术领域
本发明涉及电动汽车电能计量领域，特别涉及是指一种面向V2G的电动汽车双向电能计量方法。
背景技术
传统燃油汽车产生的环境与资源问题日益突出，各国相继出台严厉措施限制燃油车，新能源汽车在缓解石油短缺压力、减少汽车尾气排放，推动汽车制造业转型升级和交通运输业可持续发展方面发挥着重要作用。但是，大规模的电动汽车接入电网对电网的运行也带来了不小的挑战。
电动汽车入网技术(Vehicle to Grid,V2G)描述了电动汽车连接在电网中进行双向充放电的系统。电动汽车一方面可以作为负载对电网产生影响，另一方面又可以作为分布式储能设备在用电高峰时为电网其他用户提供电能。目前，V2G技术已受到国内外学者的广泛关注，并取得了一系列成果。绝大多数学者的研究重点在智能调度，电池寿命，充放电策略等方面，极少有文献涉及V2G充放电的电能计量问题。由于电动汽车充放电系统的非线性特性，使得目前的电能计量方法存在不合理问题，而且据电力部门统计，每台充电桩大约有5％-30％的电能损失(电表计数与电动汽车充电量之间不一致)，其原因是目前电能表计量原理是基于正弦信号假设导致的。然而，当今电网中接入大量的非线性负载，使得电网中存在畸变信号。基波表已经不能满足当下电网环境中的电能计量。谐波功率是负的，并且回馈给电网变为电网垃圾，这部分电能是由非线性负载从电网中吸取的基波电能转化而来，它不仅无用，反而有害，而现行的电能计量方法把这部分电能从非线性负载在电网中吸取的基波电能中扣除。目前国内外广大学者建立的绝大多数电动汽车充电模型，是用于分析电动汽车对电网的影响或者电网的优化调度、经济效益等方面。这些模型均是从系统角度建立的，不能直接用于电能计量。
由于大量非线性负载的接入，当前电网中信号类型非常复杂。除了谐波信号、简谐波信号，电网中还存在其它形式的畸变信号，尤其是类似冲击信号等非稳态的畸变信号根本无法用谐波模型描述。电网中典型的非稳态畸变信号有冲击信号和波动信号，假设对于第k次冲击或波动，电网电路中的电流ik(t)为
ik(t)＝(1+αk(t))Imk sin(ω0t+φk)(1)
式中，αk(t)为第k次冲击函数，Imk、φk分别为电流幅值和电流相位，ω0为标准工频角频率，t表示时刻。为了计量的方便，计量时间的零点以αk(t)发生的时刻为准。若信号为冲击性信号，αk(t)可近似地表示为
其中，Mk＞0(2)
式中，Mk为第k次冲击信号幅值；tk为第k次冲击信号持续时间；
若信号为波动信号，αk(t)可近似地表示为
式中，Mk为第k次波动信号幅值；tk为第k次波动信号持续时间。
由于波动出现的时刻是不确定的，持续的时间tk是随机的。当Mk＞1时，波动电流的幅值大于基波电流的幅值，电压下跌；当Mk<1时，波动电流的幅值小于基波电流的幅值，电压上升。
畸变信号条件下，电网中某一计量点处的电压u(t)和流入计量点处的电流i(t)可用如下公式表示：
u(t)＝uI(t)+uS(t)(4)
i(t)＝iI(t)+iS(t)(5)
式中，uI(t)、uS(t)分别为计量点处的基波电压和畸变电压，iI(t)、iS(t)分别为计量点处的基波电流和畸变电流。
在此基础上，学者们建立了电动汽车在电网中的充电模型和放电模型，并提出了充电或放电时的电能计量公式。
以电动汽车在电网中充电为例，图1为电动汽车在电网中的充电模型。如图1所示，电路的左边为电网(Power grid)简化模型。u(t)是电网瞬时电压；i(t)是线路中瞬时电流；Zl作为充电时电网侧的线路负载；电路右边为电动汽车(Electrical vehicle)简化模型，充电时将电动汽车等效成纯负载Z。设计量时间为T，为了方便讨论，假设T＝N·T0，T0为基波周期，N表示冲击/波动次数，N为整数。在第k次冲击或波动时，计量点a处的瞬时功率pak(t)为
pak(t)＝uak(t)·ik(t)(6)
式中，uak(t)表示在第k次冲击或波动时，计量点a处点电压；uak(t)表示第k次冲击或波动计量点a处电压；
结合公式(4)和(5)，可得
其中，UakI(t)为第k次冲击或波动时计量点a处的基波电压,ikI(t)为第k次冲击或波动时的基波电流，uakS(t)为第k次冲击或波动时计量点a处的畸变电压,ikS(t)为第k次冲击或波动时的畸变电流。
所以第k次冲击或波动时计量点a处的平均功率(有功功率)Pak为：
式中，PakI、PakIs、PaksI、Paks分别为第k次冲击或波动时，计量点a处的基波功率、基波电压与畸变电流作用产生的功率、畸变电压与基波电流作用产生的功率及畸变功率。
假设在功率计量时间T内共有N次冲击或波动，N为随机正整数，则计量点a处的平均功率Pa为：
式中，PI、PIS、PSI、PS分别计量点a处的基波功率、基波电压与畸变电流作用产生的功率、畸变电压与基波电流作用产生的功率及畸变功率。
综合各项研究，得出了电动汽车连接在电网中充电时结论：
PI＞0，基波电压与基波电流产生的功率为正，即基波功率为正，说明在电动汽车在电网中充电时间内，由基波功率产生的电能属于电动汽车从电网中吸收的电能。
PIS≥0，基波电压与畸变电流产生的功率不为负(只含谐波时为0)，即电动汽车从电网中吸收的电能。
PSI≤0，畸变电压与基波电流产生的功率不为正(只含谐波时为0)，说明这一部分电能是流入电网的，但是是以基波电流的方式回馈电网，不对电网产生污染。
PS<0，畸变功率为负，这一部分电能也是流入电网，而且以畸变电流的方式回馈电网，对电网产生污染。这一部分电能不应被忽视，应由电动汽车用户承担，不予计量。
结合上述分析，提出的电动汽车在电网中充电时应被计量的功率为：
P＝PI+PIS+PSI (10)
＝(PI+PIS+PSI+PS)-PS
＝Pa-PS
其中，P表示应该被计量的总功率；
实际上，电动汽车在电网上放电的过程与电动汽车充电时恰好相反，都需考虑到畸变信号对电路的影响。然而，上述提到的电能计量公式仅适用于电动汽车在电网中仅充电或仅放电的情况下。电动汽车连接在电网中充放电行为具有较大的随机性，建立统一的双向交互模型对于V2G电能计量才更具实际意义。
现有技术中，建立了电动汽车在电网中的充电模型和放电模型，并提出了充电或放电时的电能计量公式，但是，这些电能计量方式具有局限性，仅适用于电动汽车在电网中仅充电或仅放电的情况。目前，还没有针对电动汽车电能计量的双向交互模型，无法实现充放电双向电能计量。
发明内容
本发明实施例提供了面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，能够实现电动汽车在畸变信号下充放电时的双向电能计量。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，该方法包括：
建立电动汽车连接在电网上的双向交互模型；其中，所述双向交互模型包括：电网电压u(t)、电网线路负载Zl1、Zl2、Zl3、电网中其他负载Z、电动汽车双向逆变器、电动汽车电池电动势E和电动汽车内部负载Zev；电网电压依次串联Zl2、Zl3后，接入电动汽车双向逆变器，Zev和E串联后并联于电动汽车双向逆变器的两端，Z和Zl1串联后并联于电网电压的两端；
根据建立的双向交互模型，确定电动汽车在畸变信号下，充电时计量的电能和放电时计量的电能。
进一步地，在畸变信号条件下，电网电压u(t)为：
u(t)＝Um sin(ω0t+ψk)
其中，Um为电网电压幅值；ω0为标准工频角频率；ψk为第k次冲击或波动的电压相位；t为时刻。
进一步地，取电网中，位于Zl2、Zl3之间的线路上的点为计量点a；
设Zl2、Zl3都为纯电阻负载Rl，电动汽车在电网中充电或电动汽车向电网中放电时，计量点a处的电压为：
ua(t)＝u(t)-Rlia(t)
其中，ua(t)为计量点a处电压；ia(t)为计量点a处的电流；
以电动汽车充电方向为正方向，电动汽车向电网中放电时，在畸变信号条件下对于第k次冲击或波动，计量点a处电流为：
iak(t)＝-(1+αk(t))Imk sin(ω0t+φk)
其中，iak(t)表示第k次冲击或波动计量点a处电流；αk(t)表示第k次冲击函数；Imk、φk分别为第k次冲击或波动的电流幅值、电流相位。
进一步地，对于第k次冲击或波动，计量点a处电压为：
uak(t)＝u(t)-Rliak(t)
＝Um sin(ω0t+ψk)+Rl[1+αk(t)]Imk sin(ω0t+φk)
＝Um sin(ω0t+ψk)+RlImk sin(ω0t+φk)+Rlαk(t)Imk sin(ω0t+φk)
＝Um sinω0tcosψk+Um sinψk cosω0t+RlImk sinω0tcosφk
+RlImk sinφk cosω0t+RlImkak(t)sin(ω0t+φk)
＝uakI(t)+uakS(t)
uakI(t)＝Um sinω0tcosψk+Um sinψk cosω0t+RlImk sinω0tcosφk
+RlImk sinφk cosω0t
＝(Um cosψk+RlImk cosφk)sinω0t
+(Um sinψk+RlImk sinφk)cosω0t
＝UakIm sin(ω0t+θk)
uakS(t)＝RlImkαk(t)sin(ω0t+φk)
其中，uak(t)表示第k次冲击或波动计量点a处电压；uakI(t)、uakS(t)分别为第k次冲击或波动计量点a处的基波电压、畸变电压；UakIm为第k次冲击或波动计量点a处的基波电压幅值；θk为基波电压相位；
第k次冲击或波动计量点a处的基波电流iakI(t)为：
iakI(t)＝-Imk sin(ω0t+φk)
第k次冲击或波动计量点a处的畸变电流iaks(t)为：
iakS(t)＝-Imkαk(t)sin(ω0t+φk)。
进一步地，所述根据建立的双向交互模型，确定电动汽车在畸变信号下，充电时计量的电能和放电时计量的电能包括：
根据建立的双向交互模型，确定在计量时间内，计量点a处的平均功率：
其中，Pa为在计量时间T内，计量点a处的平均功率；Pak为第k次冲击存在的时间内计量点a处的平均功率；pak(t)为第k次冲击存在的时间内，计量点a处的瞬时功率；T＝N·T0，T0为基波周期，N表示冲击次数；T1＝N1T0，T1为充电计量时间，N1表示冲击发生在充电过程的次数；T2＝N2T0，T2为放电计量时间，N2表示冲击发生在放电过程的次数；Pa_charge为充电计量时间内计量点a处的平均功率；Pa_discharge为在放电计量时间内计量点a处的平均功率；PI_charge、PIS_charge、PSI_charge、PS_charge分别为充电时的基波功率、基波电压与畸变电流作用产生的功率、畸变电压与基波电流作用产生的功和畸变功率；PI_discharge、PIS_discharge、PSI_discharge、PS_discharge分别为放电时的基波功率、基波电压与畸变电流作用产生的功率、畸变电压与基波电流作用产生的功率及畸变功率；
根据得到的Pa_charge及PS_charge，确定充电时计量的电能Wcharge；
根据得到的Pa_discharge及PS_discharge，确定放电时计量的电能Wdischarge。
进一步地，PS_discharge表示为：
进一步地，Wcharge表示为：
Wcharge＝(PI_charge+PIS_charge+PSI_charge)T1
＝(Pa_charge-PS_charge)T1
＝Wa_charge-WS_charge
其中，Wa_charge计量点a处的充电电能，Wa_charge＝Pa_charge*T1；WS_charge充电时畸变电能，WS_charge＝PS_charge*T1。
进一步地，Wdischarge表示为：
Wdischarge＝(PI_discharge+PIS_discharge+PSI_discharge)T2
＝(Pa_discharge-PS_discharge)T2
＝Wa_discharge-WS_discharge
其中，Wa_discharge计量点a处的放电电能，Wa_discharge＝Pa_discharge*T2；WS_discharge放电时畸变电能，WS_discharge＝PS_discharge*T2。
进一步地，所述方法还包括：
对确定的充电时计量的电能和放电时的电能进行求和，得到双向充放电计量的总电能。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例中，针对电动汽车连接在电网中的充放电行为具有较大的随机性，建立电动汽车连接在电网上统一的双向交互模型；根据建立的双向交互模型，实现电动汽车在畸变信号下充放电时的双向电能计量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为电动汽车在电网中充电模型示意图；
图2是本发明实施例提供的电动汽车连接在电网上的双向交互模型示意图；
图3为本发明实施例提供的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图2和图3所示，本发明实施例提供了一种面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，该方法包括：
S101，建立电动汽车连接在电网上的双向交互模型；其中，所述双向交互模型包括：电网电压u(t)、电网线路负载Zl1、Zl2、Zl3、电网中其他负载Z、电动汽车双向逆变器、电动汽车电池电动势E和电动汽车内部负载Zev；电网电压依次串联Zl2、Zl3后，接入电动汽车双向逆变器，Zev和E串联后并联于电动汽车双向逆变器的两端，Z和Zl1串联后并联于电网电压的两端；
S102，根据建立的双向交互模型，确定电动汽车在畸变信号下，充电时计量的电能和放电时计量的电能。
本发明实施例所述的面向V2G的电动汽车双向电能计量方法，针对电动汽车连接在电网中的充放电行为具有较大的随机性，建立电动汽车连接在电网上统一的双向交互模型；根据建立的双向交互模型，实现电动汽车在畸变信号下充放电时的双向电能计量。
本实施例中，Zl1、Zl2、Zl3都表示电网线路负载，电网中其他负载Z包括：电网中除线路负载和电动汽车之外的其他负载，例如，照明负载、空调、冰箱等家用负载，工业用电设备等负载。
在图2中，电路左侧为电网简化模型，电路右侧为电动汽车。以图2所示电流方向为正方向，当电动汽车充电时，电动汽车双向逆变器(Bi-direction Converter)控制电流由b点流入电动汽车；当电动汽车放电时，双向逆变器控制电流由电动汽车流出到b点，与电网电压一起为电网中的负载(包括：Zl1、Zl2、Zl3和Z)供电。
在图2中，取电网中，位于Zl2、Zl3之间的线路上的点为计量点a，i(t)为电网电流，ua(t)为计量点a处电压，ia(t)为计量点a处的电流，uev(t)为电动汽车向电网放电时的输出电压。
在畸变信号条件下，电网电压u(t)可以表示为：
u(t)＝Um sin(ω0t+ψk)(11)
其中，Um为电网电压幅值；ω0为标准工频角频率；ψk为第k次冲击或波动的电压相位，ψk是随机变量；t为时刻。
以图2所示电流方向为正方向，即电动汽车充电方向为正方向，根据式(1)可得电动汽车充电时流入计量点a处电流为：
ia(t)＝(1+α(t))Imsin(ω0t+φ)(12)
其中，ia(t)为计量点a处的电流，α(t)为冲击函数，Im、φ分别为电流幅值和电流相位。
本实施例中，α(t)的表达式取决于信号为冲击信号还是波动信号，如式(2)、(3)所示。
同理，电动汽车放电时流入计量点a处电流为：
ia(t)＝-(1+α(t))Imsin(ω0t+φ)(13)
电动汽车在电网中充电时，计量点a处点电压为：
ua(t)＝u(t)-Zl2ia(t)(14)
其中，ua(t)为计量点a处电压；
电动汽车向电网中放电时，计量点a处点电压
ua(t)＝uev(t)-Zl3ia(t)(15)
其中，uev(t)为电动汽车向电网放电时的输出电压；
实际上，电动汽车向电网放电时的输出电压uev(t)实际上与电网电压u(t)相同，同为标准正弦电压，则有：
uev(t)＝u(t)(16)
假设Zl2、Zl3都为纯电阻负载Rl，V2G充电或放电情况下，计量点a处的电压ua(t)都可表示为如下形式：
ua(t)＝u(t)-Rlia(t)(17)
以电动汽车放电时为例进行分析，在畸变信号条件下对于第k次冲击或波动，计量点a处电流为：
iak(t)＝-(1+αk(t))Imk sin(ω0t+φk)(18)
其中，iak(t)表示第k次冲击或波动计量点a处电流；αk(t)表示第k次冲击函数；Imk、φk分别为第k次冲击或波动的电流幅值、电流相位；
对于第k次冲击或波动，计量点a处电压为：
其中，uak(t)表示第k次冲击或波动计量点a处电压；uakI(t)、uakS(t)分别为第k次冲击或波动计量点a处的基波电压、畸变电压；
根据式(19)，计量点a处电压可分为基波电压uakI(t)和畸变电压uaks(t)，其中基波电压为：
其中，UakIm为第k次冲击或波动计量点a处的基波电压幅值；θk为基波电压相位；
计量点a处畸变电压为：
uakS(t)＝RlImkαk(t)sin(ω0t+φk)(23)
根据式(23)，计量点a的电流可分为基波电流iakI(t)和畸变电流iaks(t)，其中第k次冲击或波动计量点a处的基波电流iakI(t)为：
iakI(t)＝-Imk sin(ω0t+φk)(24)
第k次冲击或波动计量点a处的畸变电流iaks(t)为：
iakS(t)＝-Imkαk(t)sin(ω0t+φk)(25)
为了便于描述，假设在计量时间T内，T＝N·T0，T0为基波周期，N表示冲击次数，实质上，N表示冲击和波动次数之和。电动汽车充电计量时间为T1，放电计量时间为T2。理论上，T1＞T2，为了方便计量假设在计量时间T内，N1次冲击发生在充电过程，则充电计量时间为T1＝N1T0；N2次冲击发生在放电过程，则放电计量时间为T2＝N2T0；则可以得到在计量时间内，计量点a处的平均功率(有功功率)Pa为：
其中，Pa为在计量时间内，计量点a处的平均功率；Pak为第k次冲击存在的时间内计量点a处的平均功率；pak(t)为第k次冲击存在的时间内，计量点a处的瞬时功率；
其中，Pa_charge为在充电计量时间内计量点a处的平均功率；Pa_discharge为在放电计量时间内计量点a处的平均功率；
根据式(27)可知，计量点a处的功率在充电计量时间内和放电计量时间内都可分为四部分：
其中，PI_charge、PIS_charge、PSI_charge、PS_charge分别为充电时的基波功率、基波电压与畸变电流作用产生的功率、畸变电压与基波电流作用产生的功和畸变功率；PI_discharge、PIS_discharge、PSI_discharge、PS_discharge分别为放电时的基波功率、基波电压与畸变电流作用产生的功率、畸变电压与基波电流作用产生的功率及畸变功率；
以电动汽车放电过程为例，依次对PI_discharge、PIS_discharge、PSI_discharge、PS_discharge这四部分功率进行分析：
1.放电时的基波功率PI_discharge
由式(20)和式(24)可知，计量点a处的基波瞬时功率为：
其中，第一项为交流分量，均值为零，表示功率二次谐波；第二项是直流分量，表示基波电压与基波电流的平均功率，一定为正。
2.放电时基波电压和畸变电流作用产生的功率PIS_discharge
由式(20)和式(25)可知，计量点a处基波电压和畸变电流作用产生的瞬时功率为：
对于波动信号或冲击信号而言，可以认为能量的累积时间为无限长，因此在计量时间内产生的总电能EIS_discharge为：
1)若信号为波动信号，则有
其中，Imk为第k次波动信号的电流幅值；tk为第k次波动信号持续时间
则式(32)为
其中，第一项和第二项均为随机项，多次波动的和将趋于零。第三项cos(θk-φk)一定为正，并且在当前对电网功率因数的限制下，一般不会很小，小于0.5时并不多见。因此第三项一定为正。因此有
EIS_diacharge≤0(35)
2)若信号为冲击信号，则有：
一种面向V2G的电动汽车双向电能计量方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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