CN108988336B - 具有嵌套式微电网的充电桩系统的优化规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有嵌套式微电网的充电桩结构及其优化规划方法，所述系统包括至少一个嵌套式低压微电网，所述嵌套式低压微电网包括低压母线和若干个充电桩，所述若干个充电桩通过电力电子接口连接至所述低压母线；所述低压母线与一交流母线电连接，所述交流母线通过一变压器与中压母线连接；所述中压母线通过电力电子接口与若干充电桩连接。本发明结合全年电力资源和负荷实际数据，采用长过程电力采样技术，进行新智能微电网充电桩配置与储能配置分析，实现充电桩高功率容量优化配置。

Description

具有嵌套式微电网的充电桩系统的优化规划方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电技术领域，具体涉及一种具有嵌套式微电网的充电桩结构及其优化规划方法。

背景技术

我国政府顺应时代发展，超常规地、大力发展电动汽车产业，由此带动了新能源电动汽车充电桩项目的蓬勃兴起，在国内各地电动汽车充电站纷纷涌现。充电桩是电动力车的电站，其功能类似于加油站里面的加油机。随着电动汽车的热销，充电桩的数量明显不够，很多公共场合、公共停车场等需要建设大量充电桩，但是由于当前电动汽车充电桩不在建筑电气设计标准的考虑范围内，对于已建成的建筑来说，由于没有考虑充电桩建设容量，造成未来大电网的建设用地、容量紧张，投资成本急剧增大。

因此，已建成的建筑的充电桩建设问题还有待解决。

发明内容

本发明针对现有技术中充电桩建设方面存在的问题，提出一种具有嵌套式微电网的充电桩结构及其优化规划方法，以实现充电桩高功率容量优化配置。

第一方面，本发明实施例提出一种具有嵌套式微电网的充电桩系统，所述充电桩系统包括至少一个嵌套式低压微电网，所述嵌套式低压微电网包括低压母线和若干个充电桩，所述若干个充电桩通过电力电子变换装置连接至所述低压母线；所述低压母线与一交流母线电连接，所述交流母线通过一变压器与中压母线连接；所述中压母线通过电力电子变换装置与若干充电桩连接。

在一个实施例中，所述嵌套式低压微电网还包括第一重要负荷、储能装置和光伏发电装置，所述第一重要负荷与所述低压母线电连接，所述储能装置和光伏发电装置通过电力电子变换装置与所述低压母线电连接。

在一个实施例中，包括多个嵌套式低压微电网，所述交流母线与所述多个嵌套式低压微电网电连接。

在一个实施例中，所述交流母线上连接有第二重要负荷，所述交流母线分别通过电力电子变换装置与储能装置和光伏发电装置电连接；所述中压母线上连接有第三重要负荷。

第二方面，本发明实施例还提出一种具有嵌套式微电网的充电桩结构的优化规划方法，其包括第一方面所述的具有嵌套式微电网的充电桩结构，所述优化规划方法包括如下步骤：

建立优化目标函数：

minf＝min(C_C+C_OM+C_R+C_GS) (1)

式(1)中，min f为系统总成本最小值，C_C为充电桩系统的初始投资成本， C_OM为系统运行维护成本，C_R为充电桩系统的置换成本，C_GS为大电网交换功率的成本；

建立约束条件，包括潮流约束、充电桩系统输出功率约束、微电网与主网交互容量约束和储能装置运行约束；

其中，所述潮流约束表达式为：

式(2)中，N_s为总节点号集合；G_ij、B_ij为节点i、j之间的导纳系数；V_i为节点i的电压幅值；V_j为节点j的电压幅值；P_Pi、Q_Pi分别为节点i的发电机的有功出力和无功出力；P_Li、Q_Li分别为节点i的有功和无功负荷。

其中，所述充电桩系统输出功率约束表达式为：

P_{min_i}≤P_i≤P_{max_i} (3)

式(3)中，P_{min_in}和P_{max_out}分别是向大电网售电功率的下限和上限；

其中，所述储能装置运行约束表达式为：

SOC_min≤SOC≤SOC_max (4)

式(4)中，SOC_min为储能装置放电最低荷电状态，SOC_max为储能装置最高荷电状态；

根据优化目标函数和约束条件，确定系统总成本最小的储能装置安装容量和最多数量的充电桩。

在一个实施例中，所述充电桩系统的初始投资成本C_C通过如下公式求取：

C_C＝(C_wt+C_po+C_bs)×f_cr (5)

式(5)-(6)中，C_wt为充电桩的建设成本，C_po为电力路由系统建设成本， C_bs为微电网储能装置建设成本，f_cr为折旧系数，r为折旧率，L_f为工程年限。

在一个实施例中，所述系统运行维护成本C_OM通过如下公式求取：

式(7)中，

和

分别为单位时间内充电桩、电力路由和储能装置的运行维护成本；t_wt、t_po、t_bs分别为充电桩、电力路由和储能装置的运行时间。

在一个实施例中，所述充电桩系统的置换成本C_R通过如下公式求取：

式(8)中，

分别为充电桩、电力路由和储能装置的置换成本。

在一个实施例中，所述大电网交换功率的成本C_GS通过如下公式求取：

C_GS＝C_sd-C_gd (9)

若不实行分时电价政策，则购售电成本如下：

式(10)中，C_gd(t)和C_sd(t)分别为t时刻向电网购电和售电电价；P_gd(t)和P_sd(t) 分别是t时刻向电网购电和售电的电量；

若实行分时电价政策，售电成本计算方法不变，购电成本表达式为：

式(11)中，C_{gd_p}(t)、C_{gd_f}(t)和C_{gd_v}(t)分别为峰、平和谷时刻向电网购电电价，P_{gd_p}(t)、P_{gd_f}(t)和P_{gd_v}(t)分别为峰、平和谷时刻向电网购电电量。

在一个实施例中，所述储能装置运行约束还包括单个工作日内的储能装置充放电次数约束条件，具体如下：

假设蓄电池的充放电状态为u(t)，1为蓄电池状态变化标志位s(t)：

式(14)-(15)中，充电限制次数N₁和放电限制次数N₂均为预先设置的常数；

蓄电池充放电速率与蓄电池当前荷电状态有密切关系，其关系可表示为：

式(16)-(17)中，α_in、β_in和λ_in为蓄电池充电速率的相关系数，α_out、β_out和λ_out为蓄电池放电速率的相关系数。

实施本发明实施例的具有以下有益效果：

1、本发明实施例充电桩系统将不同类型的充电桩系统接入微电网内不同电压等级的馈线，实现充电桩系统的有序接入。

2、本发明实施例充电桩系统将重要负荷布置于内层微电网，可以为其供电提供双重保障，满足了不同程度负荷对可靠性的要求。

3、本发明实施例提供一种充电桩系统的优化规划方法，可以提高所述充电桩系统的充电桩利用率和微电网自治能力，降低储能安装容量。

4、本发明实施例可以实现更为优化的电力结构，实现充电桩高功率容量优化配置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例嵌套式微电网智能充电桩结构示意图；

图2为本发明实施例嵌套式多微电网智能充电桩结构示意图；

图3为本发明实施例微电网充电桩优化配置计算流程图；

图4为本发明实施例储能容量大小随遗传迭代次数变化情况示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透切理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例结合附图来进行说明。

本发明实施例提供了一种具有嵌套式微电网智能充电桩系统，通过将不同类型的充电桩系统接入微电网内不同电压等级的馈线，实现充电桩系统的有序接入。

第一方面，如图1所示，本发明实施例提出一种具有嵌套式微电网的充电桩系统，所述充电桩系统包括至少一个嵌套式低压微电网，所述嵌套式低压微电网包括低压母线和若干个充电桩，所述若干个充电桩通过电力电子变换装置连接至所述低压母线；所述低压母线与一交流母线电连接，所述交流母线通过一变压器与中压母线连接；所述中压母线通过电力电子变换装置与若干充电桩连接。本发明实施例提供了一种具有嵌套式微电网智能充电桩系统，将部分充电桩通过电力电子变换装置连接至低压母线，组成了能够独立运行的低压微电网，低压微电网再通过公共连接点(PCP)连接至外部交流中压微电网，从而形成中低压嵌套式多微电网，通过将不同类型的充电桩系统接入微电网内不同电压等级的馈线，实现充电桩系统的有序接入。本实施例接线方式中，通常将大功率充电桩系统接入中压等级馈线；小功率充电桩系统接入低压等级馈线，按照相关设备的运行状态和微电网内对于能量的需求特征，中低压嵌套式多微电网能够灵活运行。其中，储能装置可以选用例如蓄电池的装置。

在一个实施例中，所述嵌套式低压微电网还包括第一重要负荷、储能装置和光伏发电装置，所述第一重要负荷与所述低压母线电连接，所述储能装置和光伏发电装置通过电力电子变换装置与所述低压母线电连接。本发明实施例将重要负荷布置于内层微电网，系统中的部分充电桩、储能装置、负荷等均通过电力电子变换装置连接至低压母线组成嵌套式低压微电网，可以为其供电提供双重保障，满足了不同程度负荷对可靠性的要求。

考虑到不同电力用户的特点以及用户对不同等级电能质量需求，因此在一个较佳实施例中，如图2所示，充电桩系统可以包括多个嵌套式低压微电网，所述交流母线与所述多个嵌套式低压微电网电连接，图2示出了两个嵌套式低压微电网的情形，可以理解的是，基于本发明实施例，也可以设置更多的嵌套式低压微电网，只需要将增加的嵌套式低压微电网接入交流母线即可。

在一个实施例中，所述交流母线上连接有第二重要负荷，所述交流母线分别通过电力电子变换装置与储能装置和光伏发电装置电连接。进一步地，所述中压母线上连接有第三重要负荷。本实施例将重要负荷布置于内层微电网，可以为其供电提供双重保障，满足了不同程度负荷对可靠性的要求。

第二方面，本发明实施例还提出一种具有嵌套式微电网的充电桩结构的优化规划方法，其包括第一方面所述的具有嵌套式微电网的充电桩结构，如图3 所示，所述优化规划方法主要包括优化目标函数和约束条件的建立，以及优化目标函数的求解，具体如下：

建立优化目标函数：

微电网充电桩多种电源优化配置中需要考虑的成本主要有各充电桩系统的初始投资成本C_C、系统运行维护成本C_OM、充电桩系统的置换成本C_R、与大电网交换功率的成本C_GS；

目标函数为总成本最小，即：

minf＝min(C_C+C_OM+C_R+C_GS) (1)

式(1)中，min f为系统总成本最小值，C_C为充电桩系统的初始投资成本， C_OM为系统运行维护成本，C_R为充电桩系统的置换成本，C_GS为大电网交换功率的成本；

建立约束条件，包括潮流约束、充电桩系统输出功率约束、微电网与主网交互容量约束和储能装置运行约束；

(1)潮流约束

潮流约束是各节点的有功功率和无功功率平衡约束，即系统的潮流约束方程，其表达式为：

式(2)中，N_s为总节点号集合；G_ij、B_ij为节点i、j之间的导纳系数；V_i为节点i的电压幅值；V_j为节点j的电压幅值；P_Pi、Q_Pi分别为节点i的发电机的有功出力和无功出力；P_Li、Q_Li分别为节点i的有功和无功负荷。

(2)充电桩系统输出功率约束

微电网中电源输出功率应介于其最大输出功率和最小输出功率之间，因此充电桩系统输出功率约束表达式如下：

P_{min_i}≤P_i≤P_{max_i} (3)

式(3)中，P_{min_i}和P_{max_i}分别是微电网中充电桩系统输出功率下限和上限。

(3)微电网与主网交互容量约束

公共连接点处交互的最大容量必须满足连接线的物理传输容量限制或他们所达成的供求协议，其容量约束为：

P_{min_in}≤P_c≤P_{max_out} (4)

式(4)中，P_{min_in}和P_{max_out}分别是向大电网售电功率的下限和上限。

(4)储能装置运行约束

为使智能微电网充电桩的蓄电池能够长期稳定工作，提高蓄电池使用寿命，蓄电池往往有一定的充电深度和放电深度。蓄电池荷电状态SOC需满足在一定的范围，即：

SOC_min≤SOC≤SOC_max (5)

式(5)中，SOC_min为储能装置放电最低荷电状态，SOC_max为储能装置最高荷电状态；

根据优化目标函数和约束条件，确定系统总成本最小的储能装置安装容量和最多数量的充电桩。

本发明实施例提出一种智能微电网充电桩的优化规划方法，结合全年电力资源和实际充电负荷数据，采用长过程电力采样技术，利用遗传算法等对各种电力数据比例进行优化，确定充电桩最优配置比例，提高充电桩利用率和微电网自治能力，降低储能安装容量，从根本上不占用原有用户配变容量，实现更为优化的电力结构，实现充电桩高功率容量优化配置。

在一个实施例中，所述充电桩系统的初始投资成本C_C通过如下公式求取：

C_C＝(C_wt+C_po+C_bs)×f_cr (6)

式(6)-(7)中，C_wt为充电桩的建设成本，C_po为电力路由系统建设成本， C_bs为微电网储能装置建设成本，f_cr为折旧系数，r为折旧率，L_f为工程年限。

其中，所述系统运行维护成本C_OM通过如下公式求取：

式(8)中，

和

分别为单位时间内充电桩、电力路由和储能装置的运行维护成本；t_wt、t_po、t_bs分别为充电桩、电力路由和储能装置的运行时间。

其中，当充电桩系统的寿命小于工程年限时，应考虑充电桩系统的置换成本，所述充电桩系统的置换成本C_R通过如下公式求取：

式(9)中，

分别为充电桩、电力路由和储能装置的置换成本。

其中，与大电网的交换功率成本C_GS主要包括微电网系统向电网的购电成本 C_gd和向大电网的售电成本C_sd，所述大电网交换功率的成本C_GS通过如下公式求取：

C_GS＝C_sd-C_gd (10)

若不实行分时电价政策，则购售电成本如下：

式(10)-(11)中，C_gd(t)和C_sd(t)分别为t时刻向电网购电和售电电价； P_gd(t)和P_sd(t)分别是t时刻向电网购电和售电的电量；

若实行分时电价政策，售电成本计算方法不变，购电成本表达式为：

式(12)中，C_{gd_p}(t)、C_{gd_f}(t)和C_{gd_v}(t)分别为峰、平和谷时刻向电网购电电价，P_{gd_p}(t)、P_{gd_f}(t)和P_{gd_v}(t)分别为峰、平和谷时刻向电网购电电量。

在一个实施例中，为降低一个周期内蓄电池的充放电循环频率，提高蓄电池的使用寿命，所述储能装置运行约束还包括单个工作日内的储能装置充放电次数约束条件，具体如下：

假设蓄电池的充放电状态为u(t)，1为蓄电池状态变化标志位s(t)：

式(15)-(16)中，充电限制次数N₁和放电限制次数N₂均为预先设置的常数，需要说明的是，N₁、N₂的具体取值可根据负荷预测情况、储能装置的寿命及其在系统运行中所发挥的作用等因素综合考虑确定。

蓄电池充放电速率与蓄电池当前荷电状态有密切关系，其关系可表示为：

式(17)-(18)中，α_in、β_in和λ_in为蓄电池充电速率的相关系数，α_out、β_out和λ_out为蓄电池放电速率的相关系数。

进一步地，针对所述优化目标函数的求解，本发明实施例优选采用遗传算法对各种电力数据比例进行优化，确定最优配置比例。如图3所示为微电网充电桩优化配置计算流程图，其中，N种容量配置方案是满足所有约束条件的，通过遗传算法进行迭代求解，首先是会随机优化出一些配置方案，然后再通过一层层迭代比较，淘汰N种配置方案中成本对比较高的方案，通过很多次的迭代，可能在优化N代代的时候以后的每次结果都是相同的，这个时候这个结果就是最优的结果。例如，选择种群个体数目为50，最大遗传代数为50代，代沟为 0.9，重组概率为0.7，变异概率采用变异函数默认概率，种群经过50代迭代后解的变化情况如图4所示，图4示出了储能装置容量大小随遗传迭代次数的增多而变小，本发明实施例中微电网中储能装置的容量优化配置技术，结合全年负荷数据，利用长过程仿真技术确定满足变压器容量、充电桩需求、综合总成本最低的充电桩容量及数量，经排列组合得到电源配置初步方案。

实施本发明实施例的具有以下有益效果：

1、本发明实施例充电桩系统将不同类型的充电桩系统接入微电网内不同电压等级的馈线，实现充电桩系统的有序接入。

2、本发明实施例充电桩系统将重要负荷布置于内层微电网，可以为其供电提供双重保障，满足了不同程度负荷对可靠性的要求。

3、本发明实施例提供一种充电桩系统的优化规划方法，可以提高所述充电桩系统的充电桩利用率和微电网自治能力，降低储能安装容量。

4、本发明实施例可以实现更为优化的电力结构，实现充电桩高功率容量优化配置。

本发明实施例中系统及其优化规划方法中未展开的部分，可参考以上实施例的系统及其优化规划方法的对应部分，在此不再详细展开。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”的描述意指结合所述实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种具有嵌套式微电网的充电桩系统的优化规划方法，其特征在于，所述具有嵌套式微电网的充电桩系统包括多个嵌套式低压微电网，所述嵌套式低压微电网包括低压母线和若干个充电桩，所述若干个充电桩通过电力电子接口连接至所述低压母线；所述低压母线与一交流母线电连接，所述交流母线通过一变压器与中压母线连接，所述交流母线与所述多个嵌套式低压微电网电连接；所述中压母线通过电力电子接口与若干充电桩连接；所述嵌套式低压微电网还包括第一重要负荷、储能装置和光伏发电装置，所述第一重要负荷与所述低压母线电连接，所述储能装置和光伏发电装置通过逆变器与所述低压母线电连接；

所述优化规划方法包括如下步骤：

建立优化目标函数：

min f＝min(C_C+C_OM+C_R+C_GS) (1)

式(1)中，min f为系统总成本最小值，C_C为充电桩系统的初始投资成本，C_OM为系统运行维护成本，C_R为充电桩系统的置换成本，C_GS为大电网交换功率的成本；

建立约束条件，包括潮流约束、充电桩系统输出功率约束、微电网与主网交互容量约束和储能装置运行约束；

其中，所述潮流约束表达式为：

式(2)中，N_s为总节点号集合；G_ij、B_ij为节点i、j之间的导纳系数；V_i为节点i的电压幅值；V_j为节点j的电压幅值；P_Pi、Q_Pi分别为节点i的发电机的有功出力和无功出力；P_Li、Q_Li分别为节点i的有功和无功负荷；

其中，所述充电桩系统输出功率约束表达式为：

P_{min_i}≤P_i≤P_{max_i} (3)

式(3)中，P_{min_i}和P_{max_i}分别是向大电网售电功率的下限和上限；

其中，所述储能装置运行约束表达式为：

SOC_min≤SOC≤SOC_max (4)

式(4)中，SOC_min为储能装置放电最低荷电状态，SOC_max为储能装置最高荷电状态；

所述储能装置运行约束还包括单个工作日内的储能装置充放电次数约束条件，具体如下：

假设蓄电池的充放电状态为u(t)，s(t)为蓄电池状态变化标志位,

式(14)-(15)中，充电限制次数N₁和放电限制次数N₂均为预先设置的常数；

蓄电池充放电速率与蓄电池当前荷电状态有密切关系，其关系可表示为：

式(16)-(17)中，α_in、β_in和λ_in为蓄电池充电速率的相关系数，α_out、β_out和λ_out为蓄电池放电速率的相关系数；

根据优化目标函数和约束条件，确定系统总成本最小的储能装置安装容量和最多数量的充电桩。

2.如权利要求1所述的具有嵌套式微电网的充电桩系统的优化规划方法，其特征在于，所述充电桩系统的初始投资成本C_C通过如下公式求取：

C_C＝(C_wt+C_po+C_bs)×f_cr (5)

式(5)-(6)中，C_wt为充电桩的建设成本，C_po为电力路由系统建设成本，C_bs为微电网储能装置建设成本，f_cr为折旧系数，r为折旧率，L_f为工程年限。

3.如权利要求1所述的具有嵌套式微电网的充电桩系统的优化规划方法，其特征在于，所述系统运行维护成本C_OM通过如下公式求取：

式(7)中，

和

分别为单位时间内充电桩、电力路由和储能装置的运行维护成本；t_wt、t_po、t_bs分别为充电桩、电力路由和储能装置的运行时间。

4.如权利要求1所述的具有嵌套式微电网的充电桩系统的优化规划方法，其特征在于，所述充电桩系统的置换成本C_R通过如下公式求取：

式(8)中，

分别为充电桩、电力路由和储能装置的置换成本。

5.如权利要求1所述的具有嵌套式微电网的充电桩系统的优化规划方法，其特征在于，所述大电网交换功率的成本C_GS通过如下公式求取：

C_GS＝C_sd-C_gd (9)

若不实行分时电价政策，则购售电成本如下：

式(10)中，C_gd(t)和C_sd(t)分别为t时刻向电网购电和售电电价；P_gd(t)和P_sd(t)分别是t时刻向电网购电和售电的电量；

若实行分时电价政策，售电成本计算方法不变，购电成本表达式为：

式(11)中，C_{gd_p}(t)、C_{gd_f}(t)和C_{gd_v}(t)分别为峰、平和谷时刻向电网购电电价，P_{gd_p}(t)、P_{gd_f}(t)和P_{gd_v}(t)分别为峰、平和谷时刻向电网购电电量。

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