CN106505579B - 一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法，以配电网电压稳定、电动汽车充电器技术条件和电动汽车用户充电需求等为约束条件，以利润最大为目标函数建立了电动汽车充电站的调度优化模型，然后在此基础上得到电动汽车参与配电网电压调节的最优调度方法，通过该最优调度方法完成电动汽车的调度，这样不仅提升了充电站接入电动汽车的数量，还维持配电网的安全稳定运行。

Description

一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，更为具体地讲，涉及一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法。

背景技术

为了减少环境污染和防止资源枯竭，节能和减排已经成为各国政府和能源公司对于环境发展的共识，同时也成为了汽车行业发展的主要方向，电动汽车被认为是汽车工业的未来，因此纯电动汽车近年来发展极为迅速。大量电动汽车的同时充电会导致配电网的负荷急剧增大，从而引发配电网电压下降，造成电压过低等负面影响，严重时甚至导致停电等恶劣事件。但是，电动汽车本身又具备为配电网提供多种辅助服务的潜能，家用电动汽车每天平均有不低于80％的时间处于停放状态并且其停放充电时段具有很强的规律性。因此，对于利用电动汽车的潜能维持配电网安全稳定运行的研究具有极大潜力。

V2G(vehicle-to-grid)技术是电动汽车领域的一个新兴概念，其提出和发展使实现电动汽车与电网的互惠互利成为可能。利用V2G技术，电动汽车可以用作电网的储能装备，还可以为电网提供削峰填谷、旋转备用、频率调节、电压调节等辅助服务，从而从电网获取一定收益并维持电网的安全稳定运行。

目前，电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法仍处于初步研究阶段，利用电动汽车的潜力为配电网提供电压调节服务的研究相对较少。2012年天津大学的博士论文“含风电场及电动汽车的电力系统安全性评估与控制研究”一文根据电动汽车SOC(State-of-charge)判断电动汽车是否参与电网电压稳定紧急控制，SOC大于一定阈值的电动汽车通过向电网反供电能的方式参与电压稳定紧急控制；2015年广东工业大学的硕士论文“含分布式电源和电动汽车的电网无功电压协调控制”一文在考虑电动汽车充放电负荷对电网电压的影响的前提下，结合电网中分布式电压的功率分布，及时利用无功补偿装置对电网提供无功补偿，从而维持电网电压稳定；期刊《电力系统保护与控制》2016年第43卷第16期“计及电动汽车充放电负荷的分布式电压稳定监控方法”一文中在考虑电动汽车充放电约束的条件下，通过减载电动汽车充放电负荷的方法稳定电网电压。

上述研究成果，对于电动汽车参与配电网的电压调节的调度方法，都是基于对电动汽车的充放电负荷特性的分析，通过调度电动汽车的充放电操作减小配电网中负荷的大小，从而减缓电压的下降幅度，对于电动汽车向配电网注入无功功率的能力没有考虑，对于电动汽车的潜能的全面开发缺乏有效的指导意义。

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法，其充分考虑了电动汽车为配电网提供无功补偿的潜能，能有效应用于V2G模式下的电动汽车参与配电网电压调节的策略规划的指导工作，以解决现有技术中未充分开发电动汽车的潜能为配电网提供电压调节服务的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法，以充电站的经济利益最大化为目标，建立数学模型并完成配电网电压调节的调度控制。

为实现上述发明目的，本发明一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立电动汽车充电站的利润模型

(1.1)、充电站从配电网运营商处获取市场电价；

(1.2)、根据市场电价确定电动汽车充电零售价，零售价等于市场电价的γ倍，γ>1；

(1.3)、制定电动汽车激励政策：将服从调度的电动汽车以α倍的零售价充电，充电站从调压服务所获取的收益中收取比例β的提成，剩余收益均作为电动汽车参与电压调节的经济回报，其中，α、β均为比例系数，α、β均小于1；

(1.4)、将为电动汽车提供充电服务的收益和为配电网提供电压调节服务所抽取的提成作为总收益In，将从配电网买电的支出作为总支出Co，建立电动汽车充电站的利润模型：

Rev＝In-Co；

其中，Rev表示电动汽车充电站的利润；和分别表示第h个调度时段的有功市场电价和无功市场电价；R^h表示有功功率在第h个调度时段的有功零售价格；γ表示充电站设定的零售价与配电网市场价的比例系数；和分别表示第n辆电动汽车在第h个调度时段的充电有功功率和向配电网注入的无功功率；N为服从调度的电动汽车的数目；st和et分别表示调度起始时间和结束时间；

(2)、建立配电网电压的约束模型

(2.1)、根据配电网对于电压的稳定范围标准，确定配电网电压的约束：

V_min≤V_i≤V_max；

其中，V_max和V_min分别表示配电网电压的安全范围上下限，V_i表示配电网中第i条总线的电压；

(2.2)、利用电力系统中的潮流计算方法确立配电网拓部结构中各总线电压和功率之间的关系：

P_i＝P_i-1+P_i ^G-P_i ^L-P_i ^E-r_il_i；

其中，I_i表示配电网中第i条总线的电流；P_i和Q_i分别表示流出第i条总线的有功功率及无功功率；x_i和r_i分别表示第i条总线和第i+1条总线之间的支路上的电感和电阻；l_i作为中间变量用于简化模型；P_i ^G和分别表示配电网第i条总线处分布式电源的有功出力和无功损耗；P_i ^L和分别表示配电网第i条总线处除电动汽车以外的有功负荷和无功负荷；P_i ^E和分别表示配电网第i条总线处电动汽车的有功负荷和无功出力；

(3)、建立电动汽车接入点的功率模型

(3.1)、确定电动汽车充电站在配电网中的接入位置，即电动汽车接入点；

(3.2)、将电动汽车充电作为配电网的有功负荷，其向配电网注入的无功功率作为配电网无功补偿，计算接入点所有服从调度的电动汽车的有功负荷和无功出力之和，建立配电网上电动汽车接入点的功率模型：

(4)、充电站对服从调度的电动汽车进行调度

(4.1)、以步骤(1)所建立的充电站利润模型作为目标函数，以步骤(2)所建立的电网电压约束模型和步骤(3)所建立的电动汽车接入点功率模型作为约束条件，作为充电站对服从调度的电动汽车的调度优化模型；

(4.2)、从配电网运营商处获取配电网中分布式电源有功出力和无功消耗数据、除电动汽车以外的基础负荷数据、配电网线路的感抗和阻抗数据及电动汽车用户的充电需求数据；

(4.3)、基于所获数据，将调度时间均分为多个调度时段，利用最优化方法中的序列二次规划方法计算上述调度优化模型，获取给每辆电动汽车在每个调度时段内最优分配的充电效率和无功出力大小，作为充电站对电动汽车的调度指令；

(4.4)、充电站将上述调度指令在每个调度时段开始时发送给每位电动汽车用户，用户根据调度指令更新其在该时段内的充电和无功操作。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法，以配电网电压稳定、电动汽车充电器技术条件和电动汽车用户充电需求等为约束条件，以利润最大为目标函数建立了电动汽车充电站的调度优化模型，然后在此基础上得到电动汽车参与配电网电压调节的最优调度方法，通过该最优调度方法完成电动汽车的调度，这样不仅提升了充电站接入电动汽车的数量，还维持配电网的安全稳定运行。

同时，本发明一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明电动汽车参与配电网电压调节的调度方法中，充分考虑了配电网的电压稳定范围，依据电力系统中的潮流计算方法，定量调节电动汽车为配电网注入及消耗的无功功率大小，有效使配电网电压维持在安全范围内，从而维持配电网的安全稳定运行。

(2)、本发明电动汽车参与配电网电压调节的调度方法中，通过制定最优的调度策略并以此为依据进行电动汽车的调度，充电站不仅可以从电动汽车处获取提供充电服务的收益，还可以从配电网获取为其提供电压调节服务的经济回报，因此本发明可以大幅提高充电站的经济效益，并提升充电站内可接入电动汽车的数量。

(3)、本发明电动汽车参与配电网电压调节的调度方法中，电动汽车收到经济激励积极参与到配电网电压调节过程，通过向配电网注入无功功率，弥补由于大量电动汽车并网引发的配电网电压下降等负面问题，与电动汽车只被动充电相比，可以增大配电网在维持电压稳定前提下可容纳的电动汽车数目，对于解决大量电动汽车并网问题有重要推动作用。

附图说明

图1是配电网络系统拓扑结构图；

图2是本发明一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法流程图；

图3电网一天内有功/无功功率市场价曲线；

图4是本实施例中的居民区负载曲线；

图5是本实施例中的工作区负载曲线；

图6是本发明中的电动汽车充电结构图；

图7是本发明中的电动汽车用户入网操作流程图；

图8是本实施例中的居民区负荷高峰期各总线电压变化曲线；

图9是本实施例中的工作区负荷高峰期各总线电压变化曲线；

图10是本实施例中的居民区配电网末端电压随时间变化曲线；

图11是本实施例中的工作区配电网末端电压随时间变化曲线；

图12是本实施例中工作区的充电站收益随服从调度的电动汽车数量的变化曲线；

图13是本实施例中居民区充电站最大容纳电动汽车数量；

图14是本实施例中工作区充电站最大容纳电动汽车数量。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是配电网络系统拓扑结构图。

在本实施例中，如图1所示，配电网络系统拓扑中包括分布式电源及可充电式电动汽车充电站，配电网与电动汽车之间的功率流向以流入配电网为正，流出配电网为负。

下面结合图1所示的系统结构，对本发明一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法进行详细说明，如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)、建立电动汽车充电站的利润模型

电动汽车充电站的主要任务有两个：一是为电动汽车提供充电服务，二是为配电网提供电压调节服务；

(1.1)、针对第一个任务，充电站需要以如图3所示的电网的有功功率市场价从电网购电，即充电站从配电网运营商处获取市场电价；

(1.2)、然后以高于市场电价的价格售电给电动汽车以获得收益，γ＞1，在本实施例中，γ＝1.5；

(1.3)、为了激励电动汽车用户服从调度，充电站给服从调度的电动汽车一个折扣，将服从调度的电动汽车以α倍的零售价充电，充电站从调压服务所获取的收益中收取比例β的提成，剩余收益均作为电动汽车参与电压调节的经济回报，其中，α、β均为比例系数，α、β均属于(0,1)，在本实施例中，α＝0.95，β＝0.8；

(1.4)、针对第二个任务，充电站以电网中的无功功率市场价向电网出售无功功率，而给电动汽车用户以低于市场价的价格支付提供无功功率的电动汽车用户，即充电站从电网获取的纯利润价格为

因此，将为电动汽车提供充电服务的收益和为配电网提供电压调节服务所抽取的提成作为总收益In，将从配电网买电的支出作为总支出Co，建立电动汽车充电站的利润模型：

Rev＝In-Co；

其中，Rev表示电动汽车充电站的利润；和分别表示第h个调度时段的有功市场电价和无功市场电价；R^h表示有功功率在第h个调度时段的有功零售价格；γ表示充电站设定的零售价与配电网市场价的比例系数；和分别表示第n辆电动汽车在第h个调度时段的充电有功功率和向配电网注入的无功功率；N为服从调度的电动汽车的数目；st和et分别表示调度起始时间和结束时间；

在计算充电站的经济收益时，无论是给电动汽车的充电折扣，还是向其支付的无功服务费，都是对电动汽车用户的一种激励措施，而激励幅度大小可以由充电站根据其实地的状况进行相应调节。

(2)、建立配电网电压的约束模型

(2.1)、为了保持配电网电压稳定，需要将配电网拓扑结构中各总线电压保持在稳定范围内，以V_max和V_min分别表示配电网电压的安全范围上下限，本实施例采用EN50160标准所规定的±10％，从而确定配电网电压的约束：

V_min≤V_i≤V_max；

其中，V_max和V_min分别表示配电网电压的安全范围上下限，V_i表示配电网中第i条总线的电压；

(2.2)、电动汽车对于电网电压的影响在于其增大电网有功负荷和为电网补偿无功功率，本实施例利用电力系统中的潮流计算方法确立配电网拓部结构中各总线电压和功率之间的关系：

P_i＝P_i-1+P_i ^G-P_i ^L-P_i ^E-r_il_i；

其中，I_i表示配电网中第i条总线的电流；P_i和Q_i分别表示流出第i条总线的有功功率及无功功率；x_i和r_i分别表示第i条总线和第i+1条总线之间的支路上的电感和电阻；l_i作为中间变量用于简化模型；P_i ^G和分别表示配电网第i条总线处分布式电源的有功出力和无功损耗；P_i ^L和分别表示配电网第i条总线处除电动汽车以外的有功负荷和无功负荷；P_i ^E和分别表示配电网第i条总线处电动汽车的有功负荷和无功出力；

在本实施例中，考虑了两种环境：居民区及工作区，在居民区的调度时间为晚18:00到次日7:00；而在工作区考虑到中午出行，而上午与下午的情况类似，因此只以上午作为实施例，调度时间为9:00到12:00。

在调度时间内这两种环境下除电动汽车外的其他负载分别如图4和图5所示，配电网结构中线路感抗和阻抗数值如表1所示。

支路(总线-总线)	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8
								ri(标幺值)	0.02	0.03	0.035	0.01	0.02	0.03	0.03
xi(标幺值)	0.06	0.09	0.11	0.03	0.06	0.09	0.08

表1

(3)、建立电动汽车接入点的功率模型

(3.1)、确定电动汽车充电站在配电网中的接入位置，即电动汽车接入点，在本实施例中，从图1所示的拓扑结构中可以看到电动汽车接入点配置在总线4处；

(3.2)、将电动汽车充电作为配电网的有功负荷，其向配电网注入的无功功率作为配电网无功补偿，计算接入点所有服从调度的电动汽车的有功负荷和无功出力之和，建立配电网上电动汽车接入点的功率模型：

电动汽车的充放电等操作能力要受到电动汽车充电器的限制，并且对电动汽车的调度需要以满足电动汽车用户的充电需求为前提，所以上述电动汽车接入点的功率模型应满足以下约束条件：

1)、电动汽车充电器约束条件：

电动汽车充放电的最大功率受充电器最大视在功率、充电器其内部电路参数及电动汽车接入点的电压大小限制：

其中，S_max表示电动汽车最大视在功率；表示电动汽车最大输出无功功率，ω表示充电器内部电路的角频率；L_c表示电路中的电感；V_i表示电动汽车接入点的电压；

在本实施例中，角频率大小为50Hz；L_c的数值为2；考虑居民区和工作区的两种环境，分别采用两种充电等级，其最大视在功率分别为1.44kVA和7.86kVA；如图6所示，电动汽车为电网提供无功功率的能力大小还受到充电器内部电路参数的限制；

2)、电动汽车用户充电需求约束条件：

电动汽车用户服从调度的前提是要完成自身出行电量需求，此处要求电动汽车在充电过程中不放电，以免对电池寿命造成损耗，基于这些条件建立如下约束条件：

其中，C_init和C_need分别表示电动汽车调度开始时的初始电量和调度结束时的需求电量，E表示电动汽车电池容量，在本实施例中，C_init均匀分布于20％-50％；C_need均匀分布于80％-100％；E的取值为16.8kWh。

(4)、充电站对服从调度的电动汽车进行调度

(4.1)、以步骤(1)所建立的充电站利润模型作为目标函数，以步骤(2)所建立的电网电压约束模型和步骤(3)所建立的电动汽车接入点功率模型作为约束条件，作为充电站对服从调度的电动汽车的调度优化模型；

(4.2)、从配电网运营商处获取配电网中分布式电源有功出力和无功消耗数据、除电动汽车以外的基础负荷数据、配电网线路的感抗和阻抗数据及电动汽车用户的充电需求数据；

(4.3)、基于所获数据，将调度时间均分为多个调度时段，利用最优化方法中的序列二次规划方法计算上述调度优化模型，获取给每辆电动汽车在每个调度时段内最优分配的充电效率和无功出力大小，作为充电站对电动汽车的调度指令；

(4.4)、充电站将上述调度指令在每个调度时段开始时发送给每位电动汽车用户，用户根据调度指令更新其在该时段内的充电和无功操作。

电动汽车从入网后的操作如图7所示，首先用户根据电动汽车目前电量和离开时期望电量，结合充电时长和充电等级，判定离开时是否可以完成充电需求，若无剩余能力参与电网电压调节，则向充电站发送信号表明不能服从调度，若尚有剩余能力，则将离开时间和电量需求发送给充电站，表明其服从充电站的调度；然后，电动汽车用户等待来自充电站的调度指令，在接收到指令后，根据指令完成操作，为配电网提供无功补偿以获取一定收益。

其中，充电站调度入网电动汽车参与配电网电压调节，需要考察的一个重要指标就是配电网电压在调节前后的变化状况。如图8所示，在居民区电网负荷高峰期(18:00)，电动汽车作为纯负荷并网导致电压下降至超出安全范围，严重影响配电网安全稳定运行；但在充电站调度电动汽车参与电压调节之后，配电网电压得到明显改善。图9所示工作区电网负荷高峰期(11:15)时配电网电压在电动汽车参与电压调节之后也得到明显改善。此外，可以观察得出配电网系统结构中末端电压一般较低，因此，有必要观察本发明对于配电网末端电压在调度时间内是否具有调节作用。

图10和图11分别展示了居民区和工作区两种环境下配电网末端电压在调度时间内的变化情况。观察不难得出在整个调度时段内本发明所述电动汽车参与配电网电压调节的调度方法可以有效调节配电网电压的结论；此外，电动汽车集群参与配电网电压调节不仅可以有效消除由于其并网给电压带来的负面影响，还可以改善电网电力质量。

除了有效改善配电网电压质量之外，本发明的另一个明显效果就是提高充电站的经济收益。以工作区为例，如图12所示，如果充电站仅仅为电动汽车提供重点服务，而不向电网提供电压调节这项辅助服务，那么充电站的整体收益较低；而通过寻求最优的调度策略调度电动汽车参与配电网电压调节，充电站在半天内收益可以获得大约56.9％的涨幅，对于充电站来说，本发明无疑提升了其经济收益。

既然充电站通过调度电动汽车可以有效改善配电网电压质量，那么通过本发明所述方法，配电网的负荷容限将得以扩大，所以可以接受更多电动汽车入网。但是，当电动汽车数目增加到一定数目时，即使通过调度电动汽车以最大能力参与电网电压调节，配电网的电压也将超出安全范围，所以这可以给配电网的充电站规模设置提供一个参考。如图13和图14所示，针对本发明实施例中的系统规模而言，居民区和工作区的入网电动汽车数目分别不能超过350辆和127辆。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种电动汽车参与配电网电压调节的调度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立电动汽车充电站的利润模型

(1.1)、充电站从配电网运营商处获取市场电价；

(1.2)、根据市场电价确定电动汽车充电零售价，零售价等于市场电价的γ倍，γ>1；

(1.3)、制定电动汽车激励政策：将服从调度的电动汽车以α倍的零售价充电，充电站从调压服务所获取的收益中收取比例β的提成，剩余收益均作为电动汽车参与电压调节的经济回报，其中，α、β均为比例系数，α、β均小于1；

(1.4)、将为电动汽车提供充电服务的收益和为配电网提供电压调节服务所抽取的提成作为总收益In，将从配电网买电的支出作为总支出Co，建立电动汽车充电站的利润模型：

Rev＝In-Co；

其中，Rev表示电动汽车充电站的利润；和分别表示第h个调度时段的有功市场电价和无功市场电价；R^h表示有功功率在第h个调度时段的有功零售价格；γ表示充电站设定的零售价与配电网市场价的比例系数；和分别表示第n辆电动汽车在第h个调度时段的充电有功功率和向配电网注入的无功功率；N为服从调度的电动汽车的数目；st和et分别表示调度起始时间和结束时间；

(2)、建立配电网电压的约束模型

(2.1)、根据配电网对于电压的稳定范围标准，确定配电网电压的约束：

V_min≤V_i≤V_max；

其中，V_max和V_min分别表示配电网电压的安全范围上下限，V_i表示配电网中第i条总线的电压；

(2.2)、利用电力系统中的潮流计算方法确立配电网拓部结构中各总线电压和功率之间的关系：

P_i＝P_i-1+P_i ^G-P_i ^L-P_i ^E-r_il_i；

其中，I_i表示配电网中第i条总线的电流；P_i和Q_i分别表示流出第i条总线的有功功率及无功功率；x_i和r_i分别表示第i条总线和第i-1条总线之间的支路上的电感和电阻；l_i作为中间变量用于简化模型；P_i ^G和分别表示配电网第i条总线处分布式电源的有功出力和无功损耗；P_i ^L和分别表示配电网第i条总线处除电动汽车以外的有功负荷和无功负荷；P_i ^E和分别表示配电网第i条总线处电动汽车的有功负荷和无功出力；

(3)、建立电动汽车接入点的功率模型

(3.1)、确定电动汽车充电站在配电网中的接入位置，即电动汽车接入点；

(3.2)、将电动汽车充电作为配电网的有功负荷，其向配电网注入的无功功率作为配电网无功补偿，计算接入点所有服从调度的电动汽车的有功负荷和无功出力之和，建立配电网上电动汽车接入点的功率模型：

(3.3)、确定电动汽车接入点的功率模型的约束条件；

(3.3.1)、电动汽车充电器约束条件：

电动汽车充放电的最大功率受充电器最大视在功率、充电器其内部电路参数及电动汽车接入点的电压大小限制：

其中，S_max表示电动汽车最大视在功率；表示电动汽车最大输出无功功率，ω表示充电器内部电路的角频率；L_c表示电路中的电感；V_i表示电动汽车接入点的电压；

(3.3.2)、电动汽车用户充电需求约束条件：

其中，C_init和C_need分别表示电动汽车调度开始时的初始电量和调度结束时的需求电量，E表示电动汽车电池容量；

(4)、充电站对服从调度的电动汽车进行调度

(4.1)、以步骤(1)所建立的充电站利润模型作为目标函数，以步骤(2)所建立的电网电压约束模型和步骤(3)所建立的电动汽车接入点功率模型作为约束条件，作为充电站对服从调度的电动汽车的调度优化模型；

(4.2)、从配电网运营商处获取配电网中分布式电源有功出力和无功消耗数据、除电动汽车以外的基础负荷数据、配电网线路的感抗和阻抗数据及电动汽车用户的充电需求数据；

(4.3)、基于所获数据，将调度时间均分为多个调度时段，利用最优化方法中的序列二次规划方法计算上述调度优化模型，获取给每辆电动汽车在每个调度时段内最优分配的充电效率和无功出力大小，作为充电站对电动汽车的调度指令；

(4.4)、充电站将上述调度指令在每个调度时段开始时发送给每位电动汽车用户，用户根据调度指令更新其在该时段内的充电和无功操作。