CN107706910B - 一种电网频率调节的实时调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电网频率调节的最优实时调度方法，包括：电动汽车充电站获取电动汽车荷电状态、充电需求、期望离开时间等信息；检测电动汽车是否参与电网频率调节，以及是否具备参与电网频率调节的条件；在电动汽车充电站内，统计参与电网频率调节的电动汽车，并计算可用调频容量，上行至调度中心，同时接受调度中心下行调频任务，在电动汽车可用调频容量范围内，兼顾用户充电约束，对电动汽车参与频率调节进行实时最优调度；根据最优调度任务，向充/放电机下发控制指令，对电动汽车进行充/放电控制。本发明在通过充电站对电动汽车充/放电进行最优实时调度，在兼顾用户充电需求的同时，完成调度中心下行调频任务，提高了电网频率质量。

Description

一种电网频率调节的实时调度方法
技术领域
本发明的实施例涉及智能电网调节，具体而言，涉及一种电网频率调节的实时调度方法。
背景技术
由于能源危机和环境污染，电动汽车将会得到极大重视。目前，在国家政策大力扶持下，电动汽车产业呈现高速发展趋势，在不久的将来，电动汽车势必大规模接入电网。
电动汽车不仅是电力负荷，而且是分布式储能单元，具有快速的调节和响应特性，被视为具有天然优势的电网频率调节资源。电动汽车充电站可根据电动汽车相关信息，统计电动汽车可用调频容量，上行至电网调度中心，同时可根据电网调度指令，给电动汽车下发调节任务。然而，根据电动汽车电池荷电状态、用户充电需求和电网调节任务等信息，电动汽车充电站参与电网频率调节的最优实时调度尚未受到关注。因此，如何根据电网和用户信息在电动汽车充电站内执行最优实时调度是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种电动汽车充电站参与电网频率调节的最优实时调度方法。
为实现上述发明目的，本发明的电网频率调节的实时调度方法包括如下步骤：
1)电动汽车充电站获取电动汽车相关信息，包括：电池初始荷电状态和实时荷电状态，用户充电需求和期望离开时间，电动汽车参与调节意愿等。
2)在电动汽车充电站内，车辆管理系统检测单辆电动汽车是否愿意参与电网频率调节，以及是否具备参与电网频率调节的条件，若电动汽车愿意参与调节且具备条件，计数，进入步骤3；否则根据用户充电需求，对电动汽车进行充电，不参与电网调节。
3)电动汽车充电站根据单辆电动汽车信息，计算单辆电动汽车可用调频容量，并统计充电站总的可用调频容量，上行至调度中心，调度中心根据上报的总可用调频容量大小对充电站下发调频调度指令。
4)电动汽车充电站获得调频调度指令，建立电动汽车充电站参与电网频率调节的实时调度模型，并根据此模型对电动汽车参与频率调节进行实时调度。
其中，
实时调度模型的建立方法为：
首先确定目标函数，其表达式示为：
Figure GDA0002486937050000021
式中：SOCe.i分别为第i辆电动汽车电池期望荷电状态，tout.i为第i辆电动汽车离开时间，Ei为第i辆电动汽车电池额定容量。Pt.i为第i辆电动汽车实时充/放电功率。
然后对目标函数进行等式约束，包括如下表达式：
a)调频任务平衡方程的表达式示为：
Figure GDA0002486937050000031
式中：Pt-1.i为第i辆电动汽车在t-1时刻充/放电功率。
b)电动汽车电池荷电状态的表达式示为：
Figure GDA0002486937050000032
式中：SOCt-1.i别为第i辆电动汽车在t-1时刻电池荷电状态。
对目标函数进行不等式约束，包括如下表达式：
a)判断电池容量安全的表达式示为：
SOCmin＜SOCt.i＜SOCmax
b)判断充电机充/放电功率限制的表达式示为：
Pmin＜Pt.i＜Pmax
基于上述实时调度模型，实时调度模型的计算方法为：第一步，数据接收，接收电网调度中心调频信号ACE、用户信息(包括期望电池荷电状态SOCe、期望离开时间tout)、电动汽车相关信息(包括电池初始荷电状态SOCin和实时荷电状态SOCi)；第二步，数据处理，形成各变量矩阵(包括用户参与调频意愿矩阵、电网调度中心调频信号ACE矩阵、用户期望电池荷电状态SOCe.i矩阵、剩余时间矩阵、功率边界矩阵、当前功率矩阵)；第三步，生成电动汽车参与调频矩阵，判定参与调频，0代表不参与，1代表参与，利用用户参与调频意愿矩阵、功率边界矩阵、剩余时间矩阵以及电池荷电状态矩阵，生成电动汽车参与调频矩阵；第四步，计算可用调节容量，利用电动汽车参与调频矩阵、功率边界矩阵、当前功率矩阵；第五步，参数初始化，设置松弛变量、拉格朗日乘子、迭代次数，选取计算精度；第六步，内点优化计算，包括计算互补间隙Gap，并判断是否满足精度ε，计算扰动因子σ及形成并求解修正方程矩阵J，计算最优步长ap、ad，更新原始变量及拉格朗日乘子，判定是否超过迭代次数，完成迭代并得到最优解；第七步，得到最优充/放功率Pt.i，进行派遣；第八步，更新电池荷电状态SOCi矩阵，电网调度中心调频信号ACE矩阵以及剩余时间矩阵。第九步，进行新一轮最优调度。
5)电动汽车充电站下发调节指令至充/放电机，并根据调节任务，对电动汽车进行充/放电控制。
此外，本发明还提供如下附属技术方案：
上述步骤2)中的电动汽车充电站端判定是否满足参与辅助调频的条件有以下几项：
第一项，电动汽车接入电网时长大于其最短充电时间：
tact＜tc
式中：
tact＝ti-tin
Figure GDA0002486937050000041
其中：tact和tc分别为电动汽车接入电网时长和最短充电时间；SOCe和SOCact分别为期望荷电状态和实时荷电状态；Pc.max为最大充电功率；E为电动汽车电池额定容量。
第二项，电动汽车电池荷电状态处于可调节状态：
SOCmin＜SOCt.i＜SOCmax
式中：SOCmin和SOCmax分别为电动汽车电池允许最小、最大荷电状态，SOCt.i为第i辆电动汽车电池实时荷电状态。
第三项，电动汽车当前时刻功率处于可调节状态：
Figure GDA0002486937050000051
式中：Pmin和Pmax分别为允许的最小和最大充/放电功率，Pt-1.i为第i辆电动汽车t-1时刻充/放电功率，ACEt为电网调度中心t时刻下达的调频信号。
本发明的有益效果是：本发明的电网频率调节的实时调度方法通过充电站对电动汽车充/放电进行最优实时调度，在兼顾用户充电需求的同时，完成调度中心下行调频任务，提高了电网频率质量。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的电网频率调节的实时调度方法的流程图。
图2是电动汽车充电站最优实时调度算法图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型技术方案作进一步非限制性的详细描述。
本发明首先建立电动汽车参与辅助调频的充电站最优调度框架，结合图1所示，整个构架包括电网、调度中心、充电站、电动汽车和用户。其中，电网调度中心，负责对电网进行负荷频率控制和区域误差控制，接收上报可用调节容量，并对下层下达调频指令。充电站负责接收下层上传的电动汽车及用户意愿信息，判断电动汽车是否愿意参与电网频率调节，以及是否具备参与电网频率调节的条件，同时计算可用调频容量并上报容量，接收上层下达调频指令，并进行最优调度，下发调节指令至充/放电机，并根据调节任务，对电动汽车进行充/放电控制。
根据上述电动汽车充电站最优实时调度框架，电动汽车充电站参与电网频率调节的最优实时调度，结合附图1和附图2，基于传统调频分析方式，建立互联电网模型、负荷模型并接入电动汽车充电站实时优化调度模块，执行以下步骤：
1)电动汽车充电站获取电动汽车相关信息，包括：电池初始荷电状态和实时荷电状态，用户充电需求和期望离开时间，电动汽车参与调节意愿等；
2)在电动汽车充电站内，车辆管理系统检测单辆电动汽车是否愿意参与电网频率调节，以及是否具备参与电网频率调节的条件，若电动汽车愿意参与调节且具备条件，计数，进入步骤3；否则根据用户充电需求，对电动汽车进行充电，不参与电网调节。其中，判断电动汽车是否具备参与电网频率调节的条件有以下几项：
第一，电动汽车接入电网时长大于其最短充电时间：
tact＜tc
式中：
tact＝ti-tin
Figure GDA0002486937050000071
其中：tact和tc分别为电动汽车接入电网时长和最短充电时间；SOCe和SOCact分别为期望荷电状态和实时荷电状态；Pc.max为最大充电功率；E为电动汽车电池额定容量。
第二，电动汽车电池荷电状态处于可调节状态：
SOCmin＜SOCt.i＜SOCmax
式中：SOCmin和SOCmax分别为电动汽车电池允许最小、最大荷电状态，SOCt.i为第i辆电动汽车电池实时荷电状态。
第三，电动汽车当前时刻功率处于可调节状态：
Figure GDA0002486937050000072
式中：Pmin和Pmax分别为允许的最小和最大充/放电功率，Pt-1.i为第i辆电动汽车t-1时刻充/放电功率，ACEt为电网调度中心t时刻下达的调频信号。
3)电动汽车充电站根据单辆电动汽车信息，计算单辆电动汽车可用调频容量，并统计充电站总的可用调频容量，上行至调度中心，调度中心根据上报的总可用调频容量大小对充电站下发调频调度指令。
4)电动汽车充电站获得上述调频调度指令，建立电动汽车充电站参与电网频率调节的实时调度模型，并根据此模型对电动汽车参与频率调节进行实时调度；实时调度模型输入是调度中心调频调度指令、电动汽车可用调频容量、电动汽车电池实时荷电状态、用户充电需求和离开时间，输出的是分配给充/放电机的具体调频功率。
实时调度模型的建立方法为：
首先确定目标函数，其表达式示为：
Figure GDA0002486937050000081
式中：SOCe.i分别为第i辆电动汽车电池期望荷电状态，tout.i为第i辆电动汽车离开时间，Ei为第i辆电动汽车电池额定容量。Pt.i为第i辆电动汽车实时充/放电功率。
然后对目标函数进行等式约束，包括如下表达式：
a)调频任务平衡方程的表达式示为：
Figure GDA0002486937050000082
式中：Pt-1.i为第i辆电动汽车在t-1时刻充/放电功率。
b)电动汽车电池荷电状态的表达式示为：
Figure GDA0002486937050000083
式中：SOCt-1.i别为第i辆电动汽车在t-1时刻电池荷电状态。
对目标函数进行不等式约束，包括如下表达式：
a)判断电池容量安全的表达式示为：
SOCmin＜SOCt.i＜SOCmax
b)判断充电机充/放电功率限制的表达式示为：
Pmin＜Pt.i＜Pmax。
电动汽车充电站参与电网频率调节的实时调度方法就是根据上述实时调度模型进行计算，计算的结果就是下发给充电机的指令，计算方法为：
第一步，数据接收，接收电网调度中心调频信号ACE、用户信息(包括期望电池荷电状态SOCe、期望离开时间tout)、电动汽车相关信息(包括电池初始荷电状态SOCin和实时荷电状态SOCi)。
第二步，数据处理，形成各变量矩阵(包括用户参与调频意愿矩阵、电网调度中心调频信号ACE矩阵、用户期望电池荷电状态SOCi矩阵、剩余时间矩阵、功率边界矩阵、当前功率矩阵)。
第三步，生成电动汽车参与调频矩阵，判定参与调频，0代表不参与，1代表参与，利用用户参与调频意愿矩阵、功率边界矩阵、剩余时间矩阵以及电池荷电状态矩阵，生成电动汽车参与调频矩阵。
第四步，计算可用调节容量，利用电动汽车参与调频矩阵、功率边界矩阵、当前功率矩阵。
第五步，参数初始化，设置松弛变量、拉格朗日乘子、迭代次数，选取计算精度。
第六步，内点优化计算，包括计算互补间隙Gap，并判断是否满足精度ε，计算扰动因子σ及形成并求解修正方程矩阵J，计算最优步长ap、ad，更新原始变量及拉格朗日乘子，判定是否超过迭代次数，完成迭代并得到最优解。
第七步，得到最优充/放功率Pt.i，进行派遣。
第八步，更新电池荷电状态SOCi矩阵，电网调度中心调频信号ACE矩阵以及剩余时间矩阵。
第九步，进行新一轮最优调度。
5)电动汽车充电站下发调节指令至充/放电机，并根据调节任务，对电动汽车进行充/放电控制。
综上所述，本发明基于电动汽车参与辅助调频集中调度思想及最优化思想，建立了电动汽车参与辅助调频的充电站实时优化调度结构，其中，调度中心接收下层上报可用调节容量，并对下层下达调频指令；充电站负责接收下层上传的电动汽车及用户意愿信息，判断电动汽车是否愿意参与电网频率调节，以及是否具备参与电网频率调节的条件，同时计算可用调频容量并上报容量，接收上层下达调频指令，并进行最优调度，下发调节指令至充/放电机，并根据调节任务，对电动汽车进行充/放电控制。本发明通过对充电站电动汽车充/放电进行优化调度，在兼顾用户充电需求的同时，完成调度中心下行调频任务，提高了电网频率质量。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电网频率调节的实时调度方法，其特征在于其包括如下步骤：
1)电动汽车充电站判断电动汽车是否满足参与辅助调频的条件，如若满足，进入下一步；
2)电动汽车充电站根据单辆电动汽车信息，计算单辆电动汽车可用调频容量，然后统计充电站总的可用调频容量并上行至调度中心，调度中心根据此总的可用调频容量对充电站下发调频调度指令；
3)电动汽车充电站获得调频调度指令，建立电动汽车充电站参与电网频率调节的实时调度模型，并根据此模型对电动汽车参与频率调节进行实时调度；
3.1)数据接收，接收电网调度中心调频信号ACE、用户信息、电动汽车相关信息；
3.2)数据处理，形成各变量矩阵；
3.3)生成电动汽车参与调频矩阵，判定参与调频，0代表不参与，1代表参与，利用用户参与调频意愿矩阵、功率边界矩阵、剩余时间矩阵以及电池荷电状态矩阵，生成电动汽车参与调频矩阵；
3.4)计算可用调节容量，利用电动汽车参与调频矩阵、功率边界矩阵、当前功率矩阵；
3.5)参数初始化，设置松弛变量、拉格朗日乘子、迭代次数，选取计算精度；
3.6)内点优化计算，包括计算互补间隙Gap，并判断是否满足精度ε，计算扰动因子σ及形成并求解修正方程矩阵J，计算最优步长ap、ad，更新原始变量及拉格朗日乘子，判定是否超过迭代次数，完成迭代并得到最优解；
3.7)得到最优充/放功率Pt.i，进行派遣；
3.8)更新电池荷电状态SOCi矩阵，电网调度中心调频信号ACE矩阵以及剩余时间矩阵；
3.9)进行新一轮调度；
4)电动汽车充电站下发调度指令至充/放电机，并根据调节任务，对电动汽车进行充/放电控制。
2.根据权利要求1所述的电网频率调节的实时调度方法，其特征在于，所述步骤1)的判断电动汽车是否满足参与辅助调频的条件包括：电动汽车接入电网时长大于其最短充电时间，其表现式示为：
tact＜tc
式中：
tact＝ti--tin
Figure FDA0002486937040000021
其中：tact和tc分别为电动汽车接入电网时长和最短充电时间，SOCe和SOCact分别为期望荷电状态和实时荷电状态，Pc.max为最大充电功率，E为电动汽车电池额定容量。
3.根据权利要求1所述的电网频率调节的实时调度方法，其特征在于，所述步骤1)的判断电动汽车是否满足参与辅助调频的条件包括：电动汽车电池荷电状态处于可调节状态，其表现式示为：
SOCmin＜SOCt.i＜SOCmax
式中：SOCmin和SOCmax分别为电动汽车电池允许最小、最大荷电状态，
SOCt.i为第i辆电动汽车电池实时荷电状态。
4.根据权利要求1所述的电网频率调节的实时调度方法，其特征在于，所述步骤1)的判断电动汽车是否满足参与辅助调频的条件包括：电动汽车当前时刻功率处于可调节状态，其表现式为：
Figure FDA0002486937040000031
式中：Pmin和Pmax分别为允许的最小和最大充/放电功率，Pt-1.i为第i辆电动汽车t-1时刻充/放电功率，ACEt为电网调度中心t时刻下达的调频信号。
5.根据权利要求1所述的电网频率调节的实时调度方法，其特征在于，所述步骤3)中的电动汽车充电站参与电网频率调节的最优实时调度模型为：
首先建立目标函数，其表达式示为：
Figure FDA0002486937040000032
式中：SOCe.i分别为第i辆电动汽车电池期望荷电状态，tout.i为第i辆电动汽车离开时刻，Ei为第i辆电动汽车电池额定容量。Pt.i为第i辆电动汽车实时充/放电功率；
然后对目标函数进行等式约束：
a)调频任务平衡方程，表达式示为：
Figure FDA0002486937040000033
式中：Pt-1.i为第i辆电动汽车在t-1时刻充/放电功率。
b)电动汽车电池荷电状态，表达式示为：
Figure FDA0002486937040000034
式中：SOCt-1.i别为第i辆电动汽车在t-1时刻电池荷电状态；
对目标函数进行不等式约束：
a)电池容量安全，表达式示为：
SOCmin＜SOCt.i＜SOCmax
式中：SOCmin和SOCmax分别为电动汽车电池允许最小、最大荷电状态，SOCt.i为第i辆电动汽车电池实时荷电状态。
b)充电机充/放电功率限制，表达式示为：
Pmin＜Pt.i＜Pmax
式中：Pmin和Pmax分别为允许的最小和最大充/放电功率，Pt.i为第i辆电动汽车t时刻充/放电功率。
6.根据权利要求1所述的电网频率调节的实时调度方法，其特征在于，所述步骤3.1)的用户信息包括期望电池荷电状态SOCe、期望离开时间tout；电动汽车相关信息包括电池初始荷电状态SOCin和实时荷电状态SOCi。
7.根据权利要求1所述的电网频率调节的实时调度方法，其特征在于，所述步骤3.2)的各变量矩阵包括：用户参与调频意愿矩阵、电网调度中心调频信号ACE矩阵、用户期望电池荷电状态SOCe.i矩阵、剩余时间矩阵、功率边界矩阵、当前功率矩阵。
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