CN108493974A - 一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法，在第一级调度以满足充电器视在功率约束和电动汽车充电需求、操作模式为约束条件，以用户充电成本最小化为目标函数，建立本地控制单元的优化模型，通过对模型的求解得到最小充电成本，并在此基础上建立电动汽车充电成本的约束条件，然后提交给电网控制中心；电网控制中心以电动汽车充电成本和变电站运行容量为约束条件，以配电网有功损耗和电压偏差最小化为目标函数，建立了对本地控制单元的优化调度模型，通过对模型的求解得到对本地控制单元的最优调度指令，然后传送给本地控制单元，完成对电动汽车的两级调度过程。

Description

一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法

技术领域

本发明属于电网调度及电动汽车并网技术领域，更为具体地讲，涉及一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法。

背景技术

当前，随着环境污染、化石燃料短缺以及能源成本增加等问题日益严重，作为传统内燃机汽车替代品的电动汽车被视为是解决上述问题的有效方案。由于电动汽车具有清洁、环保、高效等特点，随着电动汽车技术的成熟，越来越多的电动汽车进入市场，占据着越来越多的市场份额。如果任由大量电动汽车无序充电，必然会对电网造成不利影响，如加大负荷峰谷差，造成频率波动、电压不稳定等问题。电动汽车并网技术(V2G)使得信息和能量能够在电网和电动汽车之间双向流动，在此基础上可以利用电动汽车为电网提供一些辅助服务，如调压服务、调频服务等。

当前，电动汽车参与电网调压的调度方法已获得了诸多关注，现有的调度方法可以分为集中式和分布式两种。但是现有研究结果中，对于电动汽车参与电网调压的调度方法存在以下问题，首先，集中式调度方法需要电动汽车听从调度中心的安排，忽略了用户的主观意愿，即使一些方法考虑了用户的经济利益，也只是将所有电动汽车的充电成本做简单加和以实现最小化，不能保证每个用户的利益；其次，电动汽车分布式的调度方法，虽然满足了用户的主观意愿，但是对电压调节的效果较差。然而，电动汽车作为最直接的贡献者参与电网调压，每个用户的利益必须得到保障；作为调压服务最重要的要求，电网电压必须维持在较好的稳定状态。因此，当前研究对于实际应用缺乏有效的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法，在保证电动汽车用户利益的基础上，实现电网有功损耗和电压偏差最小，建立数学模型并完成对电动汽车的调度。

为实现上述发明目的，本发明一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在本地控制单元完成电动汽车参与电网调压的第一级调度

(1.1)、建立电动汽车充电成本最小化的优化模型

(1.1.1)、从电网控制中心处获得充电电价信息，建立电动汽车充电成本模型；

C_k＝Cost_k-Income_k

其中，C_k表示第k辆电动汽车的充电成本，Cost_k表示第k辆电动汽车的充电花费，Income_k表示第k辆电动汽车提供无功支撑的收入，p_c,t和p_r,t分别表示t时段的有功和无功电价，和表示t时段第k辆电动汽车的有功和无功功率，调度时间被分成长度为ΔT的T个时间段；

(1.1.2)、建立电动汽车充电约束模型

建立充电器视在功率约束模型：

其中，S_max表示充电器的最大视在功率；

建立电动汽车充电模式约束模型：

建立电动汽车电池电量约束模型：

其中，SOC_min,k和SOC_max,k分别表示第k辆电动汽车的最小期望电量和电池最大容量；

(1.2)、本地控制单元开始电网调压的第一级调度

(1.2.1)、以步骤(1.1.1)建立的电动汽车充电成本模型最小化为目标，以步骤(1.1.2)建立的电动汽车充电约束模型为约束条件，作为电动汽车充电成本最小化的优化模型并求解，获得电动汽车的最小充电成本

(1.2.2)、在电动汽车的最小充电成本基础上，建立第k辆电动汽车的充电成本C_k的约束条件：ΔC_k表示用户能够接受的充电成本增加范围；然后将电动汽车的充电成本C_k的约束条件代入到第二级调度中；

(2)、在电网控制中心完成电动汽车参与电网调压的第二级调度

(2.1)、建立有功损耗和电压偏差最小化的优化模型

(2.1.1)、建立有功损耗和电压偏差模型：

f＝w₁P_l+w₂D_v

其中，w₁和w₂表示权重值；n表示电网总的节点数，V_i,t表示t时段节点i处的电压，P_ij,t和Q_ij,t分别表示节点i和j之间的有功和无功功率，r_ij表示节点i和j之间的电阻，Γ_i表示节点i之后直接相连节点的集合，V₀表示参考电压；

(2.1.2)、建立变电站运行容量约束模型：

其中，p_s,t表示由变电站注入的有功功率，表示变电站的运行容量；

(2.2)、电网控制中心开始电网调压的第二级调度

(2.2.1)、以步骤(2.1.1)建立的有功损耗和电压偏差模型最小化为目标，以第一级调度后输入到第二级调度中的电动汽车的充电成本的约束条件和步骤(2.1.2)建立的变电站运行容量约束模型为约束，作为有功损耗和电压偏差最小化的优化模型，再利用潮流公式对该优化模型进行求解，得到对本地控制单元的最优调度指令；

(2.2.2)、电网控制中心将最优调度指令发送给本地控制单元，本地控制单元依照最优调度指令指导电动汽车进行充电，完成两级调度全过程。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法，在第一级调度以满足充电器视在功率约束和电动汽车充电需求、操作模式为约束条件，以用户充电成本最小化为目标函数，建立本地控制单元的优化模型，通过对模型的求解得到最小充电成本，并在此基础上建立电动汽车充电成本的约束条件，然后提交给电网控制中心；电网控制中心以电动汽车充电成本和变电站运行容量为约束条件，以配电网有功损耗和电压偏差最小化为目标函数，建立了对本地控制单元的优化调度模型，通过对模型的求解得到对本地控制单元的最优调度指令，然后传送给本地控制单元，完成对电动汽车的两级调度过程。

同时，本发明一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明对电动汽车用户的充电成本进行了充分考虑，通过本地控制单元得到了电动汽车用户可接受的充电成本约束条件，保障了每个用户的经济利益，提高了用户的自主性和参与度，更具有现实指导意义。

(2)、本发明在保障每个电动汽车用户充电成本的基础上，通过电网控制中心制定了电动汽车参与电网调压的最优调度指令，在保证电网电压稳定的同时，考虑了电网运行的经济要求，降低了电网的有功损耗，对解决电动汽车并网问题具有指导意义。

附图说明

图1是含电动汽车接入的住宅区配电网拓扑结构图；

图2是本发明所述的电动汽车参与电网调压的两级调度架构图；

图3是本地控制单元的优化调度流程图；

图4是电网控制中心的优化调度流程图；

图5是有功/无功一天内的市场电价；

图6是负荷高峰期各节点电压曲线图；

图7是调度过程中节点18处的电压曲线图；

图8是调度过程中电动汽车平均有功/无功功率曲线图；

图9是电动汽车充电成本对比柱状图。

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

在本实施例中，某一住宅区配电网拓扑结构如图1所示，其中包含18个节点和17条母线的辐射状结构，每个节点表示一栋住宅，且每栋住宅拥有一辆电动汽车。

如图2所示，本发明提出的本地控制单元和电网控制中心两级调度的调度架构，该调度方法由本地控制单元和电网控制中心两级调度过程组成，每辆电动汽车对应一个本地控制单元，本地控制单元以电动汽车充电成本最小化为目标，以电动汽车充电需求、操作模式和充电器视在功率为约束，建立优化模型，得到电动汽车的最小充电成本；电网控制中心以电网有功损耗和电压偏差最小化为目标，以变电站运行容量和电动汽车用户可接受的充电成本为约束，建立对本地控制单元的优化调度模型，得到电动汽车的最优充电计划。该调度方法充分考虑了每个电动汽车用户的利益以及电网电压的稳定性，对V2G模式下的电动汽车参与电网调压过程具备指导作用，以解决现有技术中未充分考虑电动汽车用户利益的问题。

下面我们结合图2，对本发明一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法进行详细说明，具体包括以下步骤：

S1、如图3所示，在本地控制单元完成电动汽车参与电网调压的第一级调度，其主要目的是找到每个用户可接受的电动汽车的充电成本的约束条件。

S1.1、建立电动汽车充电成本最小化的优化模型

S1.1.1、从电网控制中心处获得充电电价信息，建立电动汽车充电成本模型，在本实施例中，有功/无功一天内的市场电价如图5所示，其中，实线代表一天内有功市场电价，虚线代表一天内无功市场电价；而电动汽车充电成本模型又由充电花费和无功支撑收入两部分组成，因此可得：

C_k＝Cost_k-Income_k

其中，C_k表示第k辆电动汽车的充电成本，Cost_k表示第k辆电动汽车的充电花费，Income_k表示第k辆电动汽车提供无功支撑的收入，p_c,t和p_r,t分别表示t时段的有功和无功电价，和表示t时段第k辆电动汽车的有功和无功功率，调度时间被分成长度为ΔT的T个时间段；

S1.1.2、从电动汽车处获得电池初始电量、最小目标电量、电池容量等相关数据，电池起始电量取值如表1所示，电池容量取16.8KW，建立电动汽车充电约束模型

建立充电器视在功率约束模型：

其中，S_max表示充电器的最大视在功率，其取值为1.44KVA。本约束模型可以保证电动汽车的有功和无功功率在充电器最大视在功率的限定范围内；

建立电动汽车充电模式约束模型：

由于电动汽车向电网回馈有功功率会对电池造成损耗，影响电池寿命，所以本实施例规定电动汽车在调度过程中不向电网输送有功功率；

建立电动汽车电池电量约束模型：

其中，SOC_min,k和SOC_max,k分别表示第k辆电动汽车的最小期望电量和电池最大容量；本约束模型可以保证充电结束时满足用户的最小电量需求并且不超过电池的最大容量；

表1是电动汽车起始SOC表；

SOC	正态分布	SOC限制范围
			初始SOC	SOC～N(0.4,0.01)	SOC∈[0.3,0.5]
期望SOC	SOC～N(0.7,0.01)	SOC∈[0.6,0.8]

表1

S1.2、本地控制单元开始电网调压的第一级调度

S1.2.1、以步骤S1.1.1建立的电动汽车充电成本模型最小化为目标，以步骤S1.1.2建立的电动汽车充电约束模型为约束条件，作为电动汽车充电成本最小化的优化模型并求解，获得电动汽车的最小充电成本

S1.2.2、在电动汽车的最小充电成本基础上，建立第k辆电动汽车的充电成本C_k的约束条件：ΔC_k表示用户能够接受的充电成本增加范围；然后将电动汽车的充电成本C_k的约束条件代入到第二级调度中；

S2、如图4所示，在电网控制中心完成电动汽车参与电网调压的第二级调度，其主要目的是计算出对每个本地控制单元的最优调度指令。

S2.1、建立有功损耗和电压偏差最小化的优化模型

S2.1.1、建立有功损耗和电压偏差模型：

f＝w₁P_l+w₂D_v

其中，w₁和w₂表示权重值；n表示电网总的节点数，V_i,t表示t时段节点i处的电压，P_ij,t和Q_ij,t分别表示节点i和j之间的有功和无功功率，r_ij表示节点i和j之间的电阻，Γ_i表示节点i之后直接相连节点的集合，V₀表示参考电压；

S2.1.2、建立变电站运行容量约束模型：

其中，p_s,t表示由变电站注入的有功功率，表示变电站的运行容量，本约束模型可以避免变电站的变压器过载；

S2.2、电网控制中心开始电网调压的第二级调度

S2.2.1、以步骤S2.1.1建立的有功损耗和电压偏差模型最小化为目标，以第一级调度后输入到第二级调度中的电动汽车的充电成本的约束条件和步骤S2.1.2建立的变电站运行容量约束模型为约束，作为有功损耗和电压偏差最小化的优化模型，再利用潮流公式对该优化模型进行求解，具体求解的过程为：

其中，V_i,t表示t时段节点i处的电压，v_i,t为t时段节点i处电压的平方，I_ij,t表示t时段节点i和j之间的电流，l_ij,t为t时段节点i和j电流的平方，P_ij,t和Q_ij,t分别表示t时段节点i和j之间的有功和无功功率，r_ij和x_ij表示节点i和j之间的电阻和电抗，和分别表示t时段节点j处不含电动汽车的其它家庭负载的有功和无功功率，和分别表示t时段节点j处电动汽车的有功和无功功率，τ表示节点j功率直接流向的节点，Γ_j表示节点j功率直接流向的节点的集合。

最终得到对本地控制单元的最优调度指令；

S2.2.2、电网控制中心将最优调度指令发送给本地控制单元，本地控制单元依照最优调度指令指导电动汽车进行充电，完成两级调度全过程。

电动汽车参与调压服务最重要的目的就是维持电网电压稳定，图6展示了负荷高峰期(18:00-19:00)电网中各节点的电压情况曲线，通过对比电动汽车参与调压、没有电动汽车接入和电动汽车无序充电三种情况，可以发现，电动汽车无序充电会造成电网电压的下降，甚至是某些节点的电压超过标准范围，而电动汽车参与调压之后，可以有效改善电压质量。图7展示了调度过程中节点18的电压随时间变化的情况，从图6中可知节点18作为离变电站距离最远的节点，电压水平相对其他结点而言较低。从图7中可以看出，电动汽车参与调压可以实现在整个调度过程中的良好调压效果。电动汽车无序充电的电压曲线在24:00之后和没有电动汽车接入重合，是因为所有电动汽车都已经完成了充电。

图8展示了调度过程中电动汽车的平均有功和无功功率，在负荷高峰期时，电动汽车充电的有功功率较低，向电网输送的无功功率较高，以提高电压水平；在电网负荷较低时，以较高的有功功率进行充电，完成电动汽车的充电需求。

图9展示了电动汽车充电成本的对比情况，电动汽车参与调压之后的充电成本比本地控制单元得到的最小充电成本要高，但是与无序充电的充电成本相比明显降低，在用户可接受范围内，可以保证每个用户的利益。

综上所述，本发明一种考虑用户充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法，不仅可以保证每个电动汽车用户的利益，而且能够对电网电压进行有效调节。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 (2)

1.一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在本地控制单元完成电动汽车参与电网调压的第一级调度

(1.1)、建立电动汽车充电成本最小化的优化模型

(1.1.1)、从电网控制中心处获得充电电价信息，建立电动汽车充电成本模型；

C_k＝Cost_k-Income_k

其中，C_k表示第k辆电动汽车的充电成本，Cost_k表示第k辆电动汽车的充电花费，Income_k表示第k辆电动汽车提供无功支撑的收入，p_c,t和p_r,t分别表示t时段的有功和无功电价，和表示t时段第k辆电动汽车的有功和无功功率，调度时间被分成长度为ΔT的T个时间段；

(1.1.2)、建立电动汽车充电约束模型

建立充电器视在功率约束模型：

其中，S_max表示充电器的最大视在功率；

建立电动汽车充电模式约束模型：

建立电动汽车电池电量约束模型：

其中，SOC_min,k和SOC_max,k分别表示第k辆电动汽车汽车的最小期望电量和电池最大容量；

(1.2)、本地控制单元开始电网调压的第一级调度

(1.2.1)、以步骤(1.1.1)建立的电动汽车充电成本模型最小化为目标，以步骤(1.1.2)建立的电动汽车充电约束模型为约束条件，作为电动汽车充电成本最小化的优化模型并求解，获得电动汽车的最小充电成本

(1.2.2)、在电动汽车的最小充电成本基础上，建立第k辆电动汽车的充电成本C_k的约束条件：ΔC_k表示用户能够接受的充电成本增加范围；然后将电动汽车的充电成本C_k的约束条件代入到第二级调度中；

(2)、在电网控制中心完成电动汽车参与电网调压的第二级调度

(2.1)、建立有功损耗和电压偏差最小化的优化模型

(2.1.1)、建立有功损耗和电压偏差模型：

f＝w₁P_l+w₂D_v

其中，w₁和表示权重值；n表示电网总的节点数，V_i,t表示t时段节点i处的电压，P_ij,t和Q_ij,t分别表示节点i和j之间的有功和无功功率，r_ij表示节点i和j之间的电阻，Γ_i表示节点i之后直接相连节点的集合，V₀表示参考电压；

(2.1.2)、建立变电站运行容量约束模型：

其中，p_s,t表示由变电站注入的有功功率，表示变电站的运行容量；

(2.2)、电网控制中心开始电网调压的第二级调度

(2.2.1)、以步骤(2.1.1)建立的有功损耗和电压偏差模型最小化为目标，以第一级调度后输入到第二级调度中的电动汽车的充电成本的约束条件和步骤(2.1.2)建立的变电站运行容量约束模型为约束，作为有功损耗和电压偏差最小化的优化模型，再利用潮流公式对该优化模型进行求解，得到对本地控制单元的最优调度指令；

(2.2.2)、电网控制中心将最优调度指令发送给本地控制单元，本地控制单元依照最优调度指令指导电动汽车进行充电，完成两级调度全过程。

2.根据权利要求1所述的一种考虑充电成本的电动汽车参与调压的两级调度方法，其特征在于，所述步骤(2.2.1)中，利用潮流公式对优化模型进行求解的过程为：

其中，V_i,t表示t时段节点i处的电压，v_i,t为t时段节点i处电压的平方，I_ij,t表示t时段节点i和j之间的电流，l_ij,t为t时段节点i和j电流的平方，P_ij,t和Q_ij,t分别表示t时段节点i和j之间的有功和无功功率，r_ij和x_ij表示节点i和j之间的电阻和电抗，和分别表示t时段节点j处不含电动汽车的其它家庭负载的有功和无功功率，和分别表示t时段节点j处电动汽车的有功和无功功率，τ表示节点j功率直接流向的节点，Γ_j表示节点j功率直接流向的节点的集合。