電動(dòng)汽車充電站與電網(wǎng)互動(dòng)的研究

0充電站和電網(wǎng)的互動(dòng)隨著交通電氣化的發(fā)展，電動(dòng)汽車（evs）的數(shù)量逐年增加。預(yù)計(jì)2025年EVs將達(dá)到1100萬輛，2030年將達(dá)到3000萬輛目前，針對(duì)充電站和電網(wǎng)互動(dòng)的研究主要集中在電動(dòng)汽車充電隊(duì)列的控制上。文獻(xiàn)本文考慮了電動(dòng)汽車的停泊特性，提出了充電站和配電網(wǎng)的雙向互動(dòng)策略。首先，DSO以最小化配電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)為目標(biāo)，基于價(jià)格需求彈性系數(shù)，優(yōu)化配電網(wǎng)的分時(shí)電價(jià)策略。其次，CSs根據(jù)DSO發(fā)布的購(gòu)售電電價(jià)，優(yōu)化站內(nèi)電動(dòng)汽車的充放電負(fù)荷曲線，實(shí)現(xiàn)自身效益的最大化。最后，DSO通過配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略優(yōu)化潮流分布，降低線路損耗并提高電壓質(zhì)量。1時(shí)間和價(jià)格的制定策略1.1減配電網(wǎng)負(fù)荷DSO通過制定分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)CSs控制充放電負(fù)荷以實(shí)現(xiàn)削峰填谷，減少配電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，因此DSO的目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是最小化配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的方差，如式（1）所示：式中：D1.2電動(dòng)汽車充放電約束(1）最大充放電功率約束：配電網(wǎng)在t時(shí)間段內(nèi)最大的充放電功率與充電站的容量以及t時(shí)間段內(nèi)接入電網(wǎng)的車輛數(shù)有關(guān)，同時(shí)在同一時(shí)間段內(nèi)不能同時(shí)進(jìn)行充放電。式中：X式中：(2）放電容量約束：為了確保電池的壽命，需要限制電動(dòng)汽車的放電量。式中：S(3）荷電狀態(tài)（SOC）約束：為了保證電池的安全運(yùn)行，充放電過程中應(yīng)當(dāng)約束電池的荷電狀態(tài)在一定的安全范圍內(nèi)。式中：E(4）電能需求約束：電動(dòng)汽車1d中的凈充電功率應(yīng)當(dāng)滿足其行駛耗電需求。(5）需求-價(jià)格彈性約束式中：ε(6）電價(jià)上下限約束：為了保證市場(chǎng)的公平性，需要將電價(jià)限制在合理的范圍內(nèi)，從而避免電力市場(chǎng)壟斷造成的市場(chǎng)不公平現(xiàn)象。式中：π2充電站規(guī)劃策略2.1優(yōu)化充放電負(fù)荷CSs通過從DSO購(gòu)買電能和為電動(dòng)汽車用戶提供充電服務(wù)來盈利。因此，CSs需要優(yōu)化充放電負(fù)荷曲線，以降低購(gòu)電成本，并從向DSO售電中獲益。式中：C2.2電動(dòng)汽車不同時(shí)充電和放電(1）功率平衡等式約束：充電站的購(gòu)售電功率和電動(dòng)汽車用戶的充放電功率之間需要滿足等式約束條件。式中：p(2）最大充放電功率約束：電動(dòng)汽車的充放電功率受制于充電機(jī)的最大功率，且電動(dòng)汽車不能同時(shí)充電和放電。式中：(3）最大功率交換約束：充電站與電網(wǎng)的功率交換受制于母線功率傳輸能力，且充電站不能同時(shí)向電網(wǎng)購(gòu)電和售電。式中：α(4）充電機(jī)數(shù)量約束：同一時(shí)刻處于充電或放電狀態(tài)的電動(dòng)汽車數(shù)量不能超過充電站的充電機(jī)數(shù)量。式中：(5）充電量需求等式約束：對(duì)于每1輛電動(dòng)汽車，其凈充電功率之和應(yīng)該滿足其電能需求。式中：E(6）電動(dòng)汽車連接狀態(tài)約束：只有當(dāng)電動(dòng)汽車停泊在充電站時(shí)，充電站才能控制其充放電。式中：T(7）荷電狀態(tài)（SOC）約束：避免電動(dòng)汽車電池充電和放電過多而超出電池安全邊界。式中：s3電源連接重建策略3.1動(dòng)態(tài)重構(gòu)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以提高電壓由于電動(dòng)汽車的時(shí)空分布特性，電動(dòng)汽車充放電負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)的潮流分布造成了很大的影響，因此DSO需要通過動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略改變配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以提高配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量并降低網(wǎng)絡(luò)損耗。式中：P3.2配電網(wǎng)安全約束(1）功率平衡等式約束：由基爾霍夫定律可知，流入節(jié)點(diǎn)的有功和無功功率應(yīng)當(dāng)?shù)扔诹鞒鲐?fù)荷節(jié)點(diǎn)的有功和無功功率。式中：P(2）電壓平衡等式約束：輻射狀網(wǎng)絡(luò)線路兩端的電壓滿足一定的等式關(guān)系。式中：u(3）線路功率傳輸能力約束：輸電線路的功率傳輸能力是有限的，由式（20）進(jìn)行約束。式中：S(4）輻射狀網(wǎng)絡(luò)約束：為了保證配電網(wǎng)為輻射狀網(wǎng)絡(luò)，基于圖論能得到式（21）的約束，即最小生成樹約束。式中：α(5）節(jié)點(diǎn)電壓安全約束：為了保證配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，電壓應(yīng)當(dāng)被控制在0.93～1.07p.u.之間。式中：(6）線路投入狀態(tài)約束：考慮到配電網(wǎng)重構(gòu)問題中并非所有支路均投入運(yùn)行，只有投入運(yùn)行的支路才有電流和功率。式中：M為給定的1個(gè)較大的數(shù)值。(7）重構(gòu)開關(guān)動(dòng)作次數(shù)約束：為了保證配電網(wǎng)的安全，配電網(wǎng)重構(gòu)過程中不能同時(shí)動(dòng)作多組開關(guān)。式中：N3.3混合系統(tǒng)模型由于配電網(wǎng)重構(gòu)是一個(gè)混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題（MixedIntegerNonlinearProgramming,MINLP），同時(shí)由于潮流方程的非凸性造成了原問題難以求解，因此本文將配電網(wǎng)重構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃問題（MixedIntegerSecond-OrderConicProgramming,MISOCP)式中：I通過式（25）的變換，式（17）—式（22）被轉(zhuǎn)化為式（26）的形式，其目標(biāo)函數(shù)為線性函數(shù)，約束條件僅包含線性約束與二階錐約束，屬于凸優(yōu)化模型，能快速求得全局最優(yōu)解。式中：4配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略本文在IEEE-33配電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真本文將仿真分為3個(gè)階段。仿真流程圖如圖2所示。首先基于電動(dòng)汽車歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化得到分時(shí)電價(jià)策略；其次各充電站根據(jù)分時(shí)電價(jià)優(yōu)化電動(dòng)汽車的充放電曲線并將電能計(jì)劃上報(bào)回配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商；最后，配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商根據(jù)充電站的電能計(jì)劃劃分負(fù)荷時(shí)段并制定動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略。由此實(shí)現(xiàn)了充電站與配電網(wǎng)的閉環(huán)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了充電站運(yùn)營(yíng)商與配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的雙贏。假設(shè)電動(dòng)汽車已通過充電導(dǎo)航策略分配給相應(yīng)的CSs，即忽略了電動(dòng)汽車的行駛過程。首先，基于電動(dòng)汽車的歷史數(shù)據(jù)，DSO通過求解二次規(guī)劃（QuadraticProgramming,QP）得到分時(shí)電價(jià)策略。其次，CSs根據(jù)DSO發(fā)布的分時(shí)電價(jià)策略，通過求解混合整數(shù)線性規(guī)劃（MixedIntegerLinearProgramming,MILP），分別對(duì)電動(dòng)汽車的充放電負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化，并向DSO上報(bào)電能計(jì)劃。最后，DSO根據(jù)充電站和充電樁上報(bào)的電能計(jì)劃劃分負(fù)荷時(shí)段，通過求解MISOCP，得到不同負(fù)荷時(shí)段的重構(gòu)策略，并驗(yàn)證重構(gòu)策略是否滿足重構(gòu)開關(guān)動(dòng)作次數(shù)約束，最終得到動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略。本文利用YALMIP工具箱分時(shí)電價(jià)的制定結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，在夜間和下午時(shí)段，配電網(wǎng)處于用電低谷時(shí)段，因此DSO通過設(shè)置較低的售電電價(jià)，引導(dǎo)CSs在此時(shí)間段內(nèi)充電；在10:00-14:00和19:00-21:00，配電網(wǎng)處于用電高峰期，因此DSO通過設(shè)置較高的購(gòu)電電價(jià)，引導(dǎo)CSs在此時(shí)間段內(nèi)放電，以實(shí)現(xiàn)削峰填谷，減小配電網(wǎng)的峰谷差。根據(jù)DSO發(fā)布的分時(shí)電價(jià)策略，CSs優(yōu)化自身的充放電負(fù)荷曲線，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，由于電動(dòng)汽車的停泊特性，在夜間時(shí)間，電動(dòng)汽車通常停留在居民區(qū)。因此，位于商業(yè)區(qū)和工作區(qū)的CSs在夜間沒有充電功率。而在工作時(shí)間，電動(dòng)汽車從住宅區(qū)遷移到工作區(qū)和商業(yè)區(qū)，在電動(dòng)汽車停泊期間，CSs可以控制電動(dòng)汽車的充放電功率。商業(yè)區(qū)快速充電站的充放電隊(duì)列如圖5所示。大多數(shù)電動(dòng)汽車具有較長(zhǎng)的停泊時(shí)長(zhǎng)，因此CSs通過控制電動(dòng)汽車在電價(jià)較高的時(shí)間段內(nèi)放電，在電價(jià)較低的時(shí)間段內(nèi)充電以賺取差價(jià)。然而部分電動(dòng)汽車的停泊時(shí)間很短，這表明他們有緊急充電的需求。針對(duì)這種不可控的車輛，CSs必須優(yōu)先滿足其充電需求。配電網(wǎng)的負(fù)荷曲線如圖6所示，無序充電模式下，充電負(fù)荷主要集中在18:00后，與基礎(chǔ)負(fù)荷的用電高峰疊加，造成峰上加峰，導(dǎo)致配電網(wǎng)的線路損耗大幅度增加，并有部分節(jié)點(diǎn)的電壓過低。而在分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)下，CSs能夠有序地控制電動(dòng)汽車的充放電功率，在用電低谷時(shí)段充電，在用電高峰期通過V2G將電能反送至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。表1對(duì)比分析了電動(dòng)汽車無序充電和分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)下電動(dòng)汽車有序充放電2個(gè)不同場(chǎng)景下充電站的購(gòu)電成本。可見有序充放電模式雖然有更高的充電費(fèi)用，但其放電收入也相當(dāng)可觀，因此充電站的凈成本將大大減少。可見在分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)下，充電站能通過在用電低谷時(shí)期儲(chǔ)電并在用電高峰時(shí)期放電獲取收益，從而提高自身的收益。當(dāng)不考慮配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)時(shí)，CSs的調(diào)度優(yōu)化結(jié)果如表2所示，從表2可知，電動(dòng)汽車的有序充放電可以減少配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗，改善電壓質(zhì)量，減少峰谷差和負(fù)荷波動(dòng)。配電網(wǎng)不同時(shí)段的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和充放電負(fù)荷分布如圖7—圖10所示。其中，藍(lán)色線條表示充電功率，綠色線條表示放電功率。從圖7—圖10可知，在00:00時(shí)，充電功率集中在住宅區(qū)。DSO通過改變配電網(wǎng)中的柔性開關(guān)，縮短了CSs與平衡節(jié)點(diǎn)之間的電氣距離，從而降低線路電壓降落并減小了線路損耗。在12:00時(shí)，CSs通過電動(dòng)汽車放電將電能反送至電網(wǎng)。此時(shí)，CSs與平衡節(jié)點(diǎn)之間的電氣距離較長(zhǎng)，提高了線路末端的電壓水平。在16:00時(shí)，充電功率主要集中在商業(yè)區(qū)和工作區(qū)。同樣，DSO通過重構(gòu)策略改變潮流分布，以避免線路過載，提高配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，并減少線路損耗。在20:00時(shí)，配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與12:00相同，CSs將電能反送至電網(wǎng)，以降低負(fù)荷高峰。配電網(wǎng)的電壓分布如圖11所示，其電壓最低值為0.9921p.u.。配電網(wǎng)損耗曲線如圖12所示。與原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)后各時(shí)段的網(wǎng)絡(luò)損耗均有所降低。配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果如表3所示。柔性開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)由式（27）計(jì)算得到。可以看出，配電網(wǎng)重構(gòu)策略能夠大大降低配電網(wǎng)的線路損耗，并能提高電壓質(zhì)量。式中：N5配電網(wǎng)重構(gòu)策略本文考慮電動(dòng)汽車的停泊特性，提出了一種充電站和配電網(wǎng)的雙向互動(dòng)策略。基于IEEE-33配電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果