CN106004503A - 一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，该方法包括：调度中心根据当前电网频率与标称频率间的关系，向电动汽车的控制中心下达当前所需功率调节量；控制中心所辖充电站获取充电站的当前充电信息、确定充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，并上传至控制中心；控制中心根据各充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，以最小化成本为目标，判断功率调节量是否大于0，而后分别以充电站的功率调节量为负或正为条件求解优化问题，最优解即为各充电站最优功率调节量；最后各电动汽车充电站获取控制中心下发的最优功率调节量，修正电动汽车充放电功率。该方法提高电网运行的经济性，且适用于实时计算分析。

Description

一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，属于智能电网技术领域。

背景技术

电动汽车采用电能驱动且行驶过程中不排放尾气，可有效缓解当前我国面临的石油短缺以及环境污染的双重压力，因此受到了国家的大力推广。当前国家出台了多项扶持政策，包括加快电动汽车充电设施建设、提供财政补贴等措施，未来电动汽车有望获得大规模发展。另一方面，电动汽车可被视为分布式储能，响应电网调度与电网互动，通过调节其充放电功率，提升电网运行的经济性、安全性与可靠性。考虑到电动汽车具备快速响应、高爬坡率的功率调节特性，电动汽车与电网互动的重要应用之一即为电动汽车参与频率调节，当电网频率偏高时，电动汽车根据频率调节指令增大充电功率；当电网频率偏低时，电动汽车根据频率调节指令减小充电功率甚至向电网反向送电。

由于单体电动汽车的充放电功率较小，其频率调节效果有限，目前普遍采用的方式是将大量电动汽车聚合为一个整体参与频率调节，因此研究调频所需的功率调节量如何在电动汽车群体间分配显得至关重要。不同电动汽车因其电池种类、充电机效率等不同，其参与频率调节的成本也有所不同。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，该方法通过在电动汽车群体间合理分配调频所需的功率调节量，可以有效降低频率调节成本，提升电网运行经济性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，包括如下步骤：

1)调度中心根据当前电网频率与标称频率间的关系，向电动汽车的控制中心下达当前所需功率调节量；

2)控制中心所辖充电站获取充电站的当前充电信息；确定充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，并上传至控制中心；

3)控制中心根据各充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，以最小化成本为目标，判断功率调节量是否大于0，若是，转向步骤5)；若否，转向步骤4)；

4)控制中心以充电站的功率调节量为负为条件求解优化问题，最优解即为各充电站最优功率调节量，而后转向步骤6)；

5)控制中心以充电站的功率调节量为正为条件求解优化问题，最优解即为各充电站最优功率调节量，而后转向步骤6)；

6)各电动汽车充电站获取控制中心下发的最优功率调节量，修正电动汽车充放电功率。

具体的，步骤1)的具体操作如下：

调度中心向电动汽车的控制中心下达当前所需的功率调节量P_total；若当前电网频率高于标称频率50Hz，控制中心需提供频率下调服务，则P_total＜0；若当前频率低于50Hz，控制中心需提供频率上调服务，则P_total＞0。

具体的，步骤2)中的控制中心所辖充电站获取充电站的当前充电信息包括充电站当前充电功率最大充电功率充电效率若电动汽车充电站具备向电网反向送电的V2G功能，则进一步获取最大放电功率以及放电效率

具体的，步骤2)中，根据以下两种情况分别确定充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，

21)有序充电过程：当充电过程仅涉及电动汽车充电功率的调整，而不涉及反向送电时，设当前充电功率为充电功率上下调整的范围为功率调节量P_n满足所确定的充电站n的功率调节量P_n与成本C_n(P_n)之间的关系函数为：

C_n(P_n)＝k_n|P_n|，

式中，k_n为功率调整成本系数；

22)V2G过程：当电动汽车充电站具备V2G功能时，电动汽车由当前充电功率转为放电，放电功率范围为功率调节量P_n满足所确定的充电站n的功率调节量P_n与成本C_n(P_n)之间的关系函数为：

$C_n\left(P_n\right)=k_n{P}_n+C_n^d=k_n{P}_n+\frac{(P_n-P_n^0)(1-{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c)p_n}{{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c},$

式中，为电动汽车在V2G过程中因充放电效率造成的电能损失带来的成本，p_n为充电站n的购电价格。

具体的，步骤4)的具体操作如下：

当P_to_tal＜0时，功率调节范围为成本满足：

C_n(P_n)＝k_n|P_n|＝-k_nP_n，

建立最小化成本模型：

$\min \underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{C}_n\left(P_n\right)=-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{k}_n{P}_n;$

约束条件为：

$\begin{array}{cc}{P}_n^0-P_n^{\max }\≤P_n\≤0& \∀n\∈\[1,\mathrm{...},N\]\end{array};$

而后对功率调节量模型求最优解：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n=P_{total}.$

具体的，步骤5)的具体操作如下：

当P_to_tal＞0时，功率调节范围为成本满足：

$C_n\left(P_n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_n\left|P_n\right|=k_n{P}_n& P_n\∈\[0,P_n^0\]\\ k_n{P}_n+\frac{(P_n-P_n^0)(1-{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c)p_n}{{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c}& P_n\∈(P_n^0,D_n^{\max }+P_n^0\]\end{array}\right.,$

建立最小化成本模型：

约束条件为：

$\begin{array}{cc}0\≤P_n\≤P_n^0+D_n^m& \∀n\∈\[1,\mathrm{...},N\]\end{array};$

而后对功率调节量模型求最优解：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n=P_{total}.$

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明的用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，可发挥电动汽车调控潜力，利用电动汽车实现频率调节，通过优化手段实现调节功率的优化分配，最小化频率调节成本，提高电网运行的经济性；

2、本发明的功率分配方法，充分考虑了电动汽车有序充电以及V2G两种情况，分析了其参与频率调节的不同成本，实现调节功率的综合优化分配；

3、本发明的功率分配方法，在控制中心侧的优化问题可通过对成本函数斜率由低至高排序的方法快速求解，提高计算速度，适用于实时计算分析。

附图说明

附图1为本发明所述的用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，其流程框图如图1所示，具体步骤如下：

S101、调度中心根据当前电网频率与标称频率间的关系，向电动汽车的控制中心下达当前所需功率调节量；具体的：

调度中心向电动汽车的控制中心下达当前所需的功率调节量P_total；若当前电网频率高于标称频率50Hz，说明系统内总发电量大于总用电量，控制中心需提供频率下调服务，则P_total＜0；若当前频率低于50Hz，说明系统内总用电量大于总发电量，控制中心需提供频率上调服务，则P_total＞0；

S102、控制中心所辖充电站获取充电站n的当前充电信息：充电站当前充电功率最大充电功率充电效率若电动汽车充电站具备向电网反向送电(V2G,Vehicle to Grid)的功能，则进一步获取最大放电功率以及放电效率按有序充电以及V2G两种情况，通过下述步骤确定充电站n的功率调节量P_n与成本C_n(P_n)之间的关系，并将其上报至电动汽车控制中心：

1)有序充电过程：有序充电仅涉及电动汽车充电功率的调整，而不涉及反向送电；设充电站当前充电功率为充电功率上下调整的范围为因此，功率调节量P_n满足充电成本为：

C_n(P_n)＝k_n|P_n|，

式中k_n为功率调整成本系数，主要由调节引起的电池寿命损耗等因素确定；

2)V2G过程：若电动汽车充电站具备V2G功能，则充电站的功率调节范围可进一步扩大；电动汽车由当前充电功率转为放电，放电功率范围为因此，V2G过程的功率调节量P_n满足V2G过程的充电成本为：

$C_n\left(P_n\right)=k_n{P}_n+C_n^d=k_n{P}_n+\frac{(P_n-P_n^0)(1-{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c)p_n}{{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c},$

式中为电动汽车在V2G过程中因充放电效率造成的电能损失带来的成本，p_n为充电站n的购电价格；

由此可得，充电站n的功率调节量P_n与成本C_n(P_n)之间的关系满足：

$C_n\left(P_n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_n\left|P_n\right|& P_n\∈\[P_n^0-P_n^{\max },P_n^0\]\\ k_n{P}_n+\frac{(P_n-P_n^0)(1-{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c)p_n}{{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c}& P_n\∈(P_n^0,D_n^{\max }+P_n^0\]\end{array}\right.;$

S103、控制中心根据各充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，判断功率调节量是否大于0，以最小化成本为目标，优化分配各充电站功率调节量，若P_total＜0，转向步骤S105；若P_total＞0，转向步骤S104；

S104、当P_total＜0，各充电站需要增大充电功率，功率调节范围为成本满足：

C_n(P_n)＝k_n|P_n|＝-k_nP_n，

建立最小化成本模型：

$\min \underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{C}_n\left(P_n\right)=-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{k}_n{P}_n;$

约束条件为：

$\begin{array}{cc}{P}_n^0-P_n^{max}\≤P_n\≤0& \∀n\∈\[1,\mathrm{...},N\]\end{array};$

而后对功率调节量模型求最优解：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n=P_{total},$

上述优化问题可通过对成本函数斜率(即-k_n)由低至高排序的方法快速求解，成本函数斜率低的充电站将被优先选取并尽量分配功率调节额；其最优解即为各充电站分配的功率调节量，而后转向步骤S106；

S105、当P_total＞0，各充电站需要减小充电功率甚至反向送电，功率调节范围为成本满足：

$C_n\left(P_n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_n\left|P_n\right|=k_n{P}_n& P_n\∈\[0,P_n^0\]\\ k_n{P}_n+\frac{(P_n-P_n^0)(1-{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c)p_n}{{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c}& P_n\∈(P_n^0,D_n^{\max }+P_n^0\]\end{array}\right.,$

建立最小化成本模型：

约束条件为：

$\begin{array}{cc}0\≤P_n\≤P_n^0+D_n^{\max }& \∀n\∈\[1,\mathrm{...},N\]\end{array};$

而后对功率调节量模型求最优解：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n=P_{total},$

上述优化问题可通过对成本函数斜率(即k_n、)由低至高排序的方法快速求解，若k_n被选中，意味着充电站n有序充电过程的调节功率可参与频率调节；若在排序中被选中，由于严格小于k_n，意味着k_n也被选中，意味着充电站n有序充电过程的调节功率全额参与频率调节并且V2G过程的调节功率也可参与频率调节；上述优化问题的最优解即为各充电站分配的功率调节量；

S106、控制中心将最优功率调节量下发各电动汽车充电站，充电站按功率调节量，修正电动汽车充电功率，甚至引导电动汽车向电网反向送电。

本发明的分配方法综合考虑了有序充电与V2G两种情况，通过优化手段实现调节功率在多电动汽车充电站间的分配，最小化频率调节成本，提高电网运行的经济性；在控制中心建立的优化问题可通过对成本函数斜率排序的方法快速求解，适用于实时计算分析。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)调度中心根据当前电网频率与标称频率间的关系，向电动汽车的控制中心下达当前所需功率调节量；

2)控制中心所辖充电站获取充电站的当前充电信息；确定充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，并上传至控制中心；

3)控制中心根据各充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，以最小化成本为目标，判断功率调节量是否大于0，若是，转向步骤5)；若否，转向步骤4)；

4)控制中心以充电站的功率调节量为负为条件求解优化问题，最优解即为各充电站最优功率调节量，而后转向步骤6)；

5)控制中心以充电站的功率调节量为正为条件求解优化问题，最优解即为各充电站最优功率调节量，而后转向步骤6)；

6)各电动汽车充电站获取控制中心下发的最优功率调节量，修正电动汽车充放电功率。

2.根据权利要求1所述的频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，其特征在于，步骤1)的具体操作如下：

调度中心向电动汽车的控制中心下达当前所需的功率调节量P_total；若当前电网频率高于标称频率50Hz，控制中心需提供频率下调服务，则P_total＜0；若当前频率低于50Hz，控制中心需提供频率上调服务，则P_total＞0。

3.根据权利要求2所述的频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，其特征在于，步骤2)中的控制中心所辖充电站获取充电站的当前充电信息包括充电站当前充电功率最大充电功率充电效率若电动汽车充电站具备向电网反向送电的V2G功能，则进一步获取最大放电功率以及放电效率

4.根据权利要求3所述的频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，其特征在于，步骤2)中，根据以下两种情况分别确定充电站的功率调节量与成本之间的关系函数，

21)有序充电过程：当充电过程仅涉及电动汽车充电功率的调整，而不涉及反向送电时，设当前充电功率为充电功率上下调整的范围为功率调节量P_n满足所确定的充电站n的功率调节量P_n与成本C_n(P_n)之间的关系函数为：

C_n(P_n)＝k_n|P_n|，

式中，k_n为功率调整成本系数；

22)V2G过程：当电动汽车充电站具备V2G功能时，电动汽车由当前充电功率转为放电，放电功率范围为功率调节量P_n满足所确定的充电站n的功率调节量P_n与成本C_n(P_n)之间的关系函数为：

$C_n\left(P_n\right)=k_n{P}_n+C_n^d=k_n{P}_n+\frac{(P_n-P_n^0)(1-{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c)p_n}{{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c},$

式中，为电动汽车在V2G过程中因充放电效率造成的电能损失带来的成本，p_n为充电站n的购电价格。

5.根据权利要求4所述的频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，其特征在于，步骤4)的具体操作如下：

当P_total＜0时，功率调节范围为成本满足：

C_n(P_n)＝k_n|P_n|＝-k_nP_n，

建立最小化成本模型：

$\min \underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{C}_n\left(P_n\right)=-\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{k}_n{P}_n;$

约束条件为：

$\begin{array}{cc}{P}_n^0-P_n^{\max }\≤P_n\≤0& \∀n\∈\[1,...,N\]\end{array};$

而后对功率调节量模型求最优解：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n=P_{total}.$

6.根据权利要求4所述的频率调节的多电动汽车充电站间功率分配方法，其特征在于，步骤5)的具体操作如下：

当P_total＞0时，功率调节范围为成本满足：

$C_n\left(P_n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{k}_n\left|P_n\right|=k_n{P}_n& P_n\∈\[0,P_n^0\]\\ k_n{P}_n+\frac{(P_n-P_n^0)(1-{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c)p_n}{{\mathrm{\η}}_n^d{\mathrm{\η}}_n^c}& P_n\∈(P_n^0,D_n^{\max }+P_n^0\]\end{array}\right.,$

建立最小化成本模型：

$min\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{C}_n\left(P_n\right);$

约束条件为：

$\begin{array}{cc}0\≤P_n\≤P_n^0+D_n^{max}& \∀n\∈\[1,...,N\]\end{array};$

而后对功率调节量模型求最优解：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_n=P_{total}.$