CN112651603A - 考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，步骤为：1)获取接入电动汽车充电站的配电网系统基础数据；2)建立考虑充电站耦合作用的容量评估模型；3)求解考虑充电站耦合作用的容量评估模型，得到配电网系统的充电站可用容量的可行域。本发明构建的考虑电动汽车充电站耦合作用的充电站容量评估模型更加准确的评估了运行中的充电站的可用容量。在考虑充电站之间的耦合作用之后，评估所得的充电站容量可行域更加准确，有助于指导电动汽车进行有效充电。

Description

考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体是考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法。

背景技术

电动汽车在解决能源短缺和环境危机方面发挥日益重要的作用。近年来，在国家政策的大力支持下，电动汽车产业蓬勃发展，也因此推动推动了电动汽车充电站的建设。然而，作为一种充电负荷，电动汽车的接入给配电网的供求平衡带来了巨大挑战。目前已经许多学者从各个角度研究了电动汽车接入对配电网络的影响。电动汽车不受控制的充电将显着增加配电网上的峰值需求，从而导致更大的电压降并增加变压器或线路过载的可能性。此外，较高的电动汽车渗透率会相应增大能源损耗，对高负荷密度地区提出更高投资要求。在此背景下，对充电站可用容量的准确评估有助于配电网的安全运行。已有许多文献对电动汽车充电站的容量评估做了一些研究，有些学者从电动汽车用户方面进行研究，考虑电动汽车的排队行为去估计充电站的可用容量，这类研究对配电网的安全运行考虑较少。有些学者考虑到了配电网系统的安全运行，并基于此对电动汽车充电站的容量作了评估研究。这些研究中都忽略了电动汽车充电站的耦合作用，即当充电站投入运行时，它的可用容量不仅受到配电网的安全运行的影响，还受到其余运行中充电站影响。忽略这种耦合作用所获得的充电站容量可行域不够准确，不能准确进行电动汽车的经济调度及维护配电网的安全运行。

发明内容

本发明的目的是提供考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，包括以下步骤：

1)获取接入电动汽车充电站的配电网系统基础数据。

所述配电网系统基础数据包括电动汽车充电站、发电机的数量及额定容量，配电网系统的拓扑结构、节点电压范围和传输功率范围。

2)建立考虑充电站耦合作用的容量评估模型。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的目标函数如下所示：

式中，N表示电动汽车充电站总数。f_i ⁽¹⁾代表第i个充电站的最大可用容量。f_ij ⁽²⁾表示第i和j个充电站的总可用容量。f_all ^(N)表示所有充电站的总可用容量。

表示有m个正在运行的充电站时第i个充电站的容量。m∈1,2,...,N。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的约束条件包括等值等式约束方程、等值不等式约束方程和考虑需求侧响应的约束方程。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的等值等式约束方程分别如下所示：

式中，P_i和Q_i分别表示没有电动汽车充电站接入的情况下节点 i的有功和无功注入功率。P_station,i是节点i处电动汽车充电站的有功功率。U_i、U_j、δ_ij分别是节点i的电压、节点j的电压、节点i与节点j之间的电压相角差。G_ij+B_ij是总线导纳矩阵的第i行和第j列的元素。N_A是分配网络节点的数量。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的等值不等式约束方程分别如下所示：

式中，P_l和Q_l是第l条支路的有功和无功传输功率。S_l是第l 条支路的容量。N_l是支路的总数。U_i∠δ_i是节点i的电压相量。

和

是节点i的电压幅值的上下限。

和

是节点i的电压角度的上下限。P_g,i和Q_g,i是第i台发电机的有功和无功输出。

和

分别是第i台发电机有功出力和无功出力的上下限。

是第i个充电站的额定容量。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型中考虑需求侧响应的约束方程如下所示：

(1-β_down)R₀≤R≤(1+β_up)R₀ (12)

式中，α是需求价格弹性。R表示电价。P_DR表示用电需求。P_DR0和R₀分别表示初始用电需求和初始电价。β_up和β_down分别为电价调整比例的上下限。ΔP_DR为用电需求变化量。ΔR为电价变化量。

3)求解考虑充电站耦合作用的容量评估模型，得到配电网系统的充电站可用容量的可行域。

值得说明的是，本发明考虑充电站的耦合作用，构建了与每个充电站容量相关的一系列目标函数以近似求解出充电站容量的可行域，从而实现考虑配电网运行约束下的电动汽车充电站容量评估。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明构建的考虑电动汽车充电站耦合作用的充电站容量评估模型更加准确的评估了运行中的充电站的可用容量。在考虑充电站之间的耦合作用之后，评估所得的充电站容量可行域更加准确，有助于指导电动汽车进行有效充电。

本发明构建的考虑电动汽车充电站耦合作用的充电站容量评估模型不仅考虑了配电网的安全运行约束，还计及了需求侧响应，在保证配电网安全运行的基础上，还研究了通过电价激励的方式协调用户侧的负荷需求以提高充电站的可用容量。

附图说明

图1为调整后的IEEE33节点测试系统图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，包括以下步骤：

1)获取接入电动汽车充电站的配电网系统基础数据。所述配电网系统基础数据包括电动汽车充电站、发电机的数量及额定容量，配电网系统的拓扑结构、节点电压范围和传输功率范围。

2)建立考虑充电站耦合作用的容量评估模型。

容量评估的目的是获取充电站容量的可区域。根据电动汽车充电站的总数N建立多个目标函数，首先建立任意一个电动汽车充电站可用容量最大的目标函数(f_i ⁽¹⁾)，一共N个；然后考虑充电站之间的耦合作用，建立任意充电站组合的最大可用容量目标函数

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的目标函数如下所示：

式中，N表示电动汽车充电站总数。f_i ⁽¹⁾代表第i个充电站的最大可用容量，其中，上标1表示有1个正在运行的充电站。。f_ij ⁽²⁾表示第i和j个充电站的总可用容量，其中，上标2表示有2个正在运行的充电站。f_all ^(N)表示所有充电站的总可用容量，其中，上标N 表示有N个正在运行的充电站。

表示有m个正在运行的充电站时第i个充电站的容量。m∈1,2,...,N。上标(1，2，...，N)表示正在运行的充电站数量。

表示有1个正在运行的充电站时第i个充电站的容量。

表示有2个正在运行的充电站时第i个充电站的容量。

表示有2个正在运行的充电站时第j个充电站的容量。

表示有N个正在运行的充电站时第i个充电站的容量。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的约束条件包括等值等式约束方程、等值不等式约束方程和考虑需求侧响应的约束方程。

电动汽车充电站可以看作是配电网中的有功负载，考虑电力系统功率平衡，所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的等值等式约束方程分别如下所示：

式中，P_i和Q_i分别表示没有电动汽车充电站接入的情况下节点 i的有功和无功注入功率。P_station,i是节点i处电动汽车充电站的有功功率。U_i、U_j、δ_ij分别是节点i的电压、节点j的电压、节点i与节点j之间的电压相角差。G_ij+B_ij是总线导纳矩阵的第i行和第j列的元素。N_A是分配网络节点的数量。G_ij、B_ij表示导纳。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的等值不等式约束方程分别如下所示：

式中，P_l和Q_l是第l条支路的有功和无功传输功率。S_l是第l 条支路的容量。N_l是支路的总数。U_i∠δ_i是节点i的电压相量，U_i为电压幅值，δ_i为电压相角。

和

是节点i的电压幅值的上下限。

和

是节点i的电压角度的上下限。P_g,i和Q_g,i是第i台发电机的有功和无功输出。

和

分别是第i台发电机有功出力和无功出力的上下限。

是第i个充电站的额定容量。式 (4)-(9)包含配电网系统支路潮流、节点电压、发电机出力和充电站容量的上下限。

所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型中考虑需求侧响应的约束方程如下所示：

(1-β_down)R₀≤R≤(1+β_up)R₀ (12)

式中，α是需求价格弹性。R表示电价(元/MW·h)。P_DR表示用电需求(MW·h)。P_DR0和R₀分别表示初始用电需求和初始电价。β_up和β_down分别为电价调整比例的上下限。ΔP_DR为用电需求变化量。ΔR为电价变化量。式(10)-(12)包含自身价格弹性、负荷与日前电价的关系和电价约束。

3)利用内点法解算考虑充电站耦合作用的容量评估模型，得到配电网系统的充电站可用容量的可行域，解算工具为MATLAB的 IPOPT工具。

实施例2：

考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法的验证试验，包括以下步骤：

1)基础数据准备：如图1所示，调整后的IEEE33节点系统包括32条支路，其中构建了3个电动汽车充电站和2台额外发电机。充电站和发电机组的容量分别为0.5MW和0.6MW。主网最多可传输10MW的功率(主网节点1处视作安装一台发电机)，电压范围为0.9-1.05p.u.。配电网络基础数据参见IEEE33节点标准系统。需求侧响应中自身价格弹性设为-0.2，电价波动取为20％。调整后的 IEEE33节点系统负荷如表1所示：

表1系统负荷表

2)建立考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估模型

调整后的IEEE33节点配电系统中共有3个充电站，以充电站可用容量最大为目标函数；针对IEEE33节点系统的所有节点可列写 33个节点有功功率平衡方程和33个无功功率平衡方程作为等式约束；考虑发电机的容量约束、充电站的容量约束、节点电压约束和线路传输功率约束，可以列写1个发电机出约束(2个额外发电站固定出力500kW)、3个充电站可用容量约束、33个节点电压约束和 32个线路传输功率约束。模型中变量的不等式约束上下限如表2及表3所示：

表2不等式约束上下限(a)

表3不等式约束上下限(b)

3)求解考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估模型

为了体现所提出方法的准确性和有效性，在调整后的的IEEE33 节点配电系统上实现了以下3种方法，其中M0和M1参与了比较。

M0：仅考虑运行中单个充电站的容量评估。

M1：考虑充电站容量总和最大的容量评估。

M2：本发明所提方法。

容量评估结果:采用M0-M2的容量评估方法对调整后的IEEE33 节点系统进行计算，采用M0-M2的计算结果皆涵盖在表4中。其中前三个结果为M0所得评估，最后一个结果为M1所得评估，M2则包含了所有计算结果。分析三种方法所得结果可知，M0忽略了充电站之间的耦合作用，在它的场景下，所有充电站都按照额定功率投入运行；M1则粗浅的考虑到了充电站全部投入运行后的场景，但没有更深层次的考虑充电站两两之间的耦合作用。M2充分考虑了电动汽车充电站之间的耦合作用，由此评估出的充电站可用容量可行域更加准确。

表4充电站可用容量可行域

综上所述，本发明提出了一种容量评估方法来计算电动汽车充电站的可用容量。首先，考虑了电动汽车充电站之间的耦合作用建立了容量评估的目标函数；其次，考虑配电网系统的节点电压约束、发电机出力约束、传输功率约束等以及需求侧响应，建立了配电网的约束等值模型；最后，采用内点法对所建立的充电站容量评估模型进行求解，得到充电站可用容量的可行域。以调整后的IEEE33 节点系统作为实例实现仿真分析。通过仿真结果可知，本发明所提出的考虑充电站之间耦合作用的容量评估方法能够更准确的获取电动汽车充电站可用容量的可行域。

Claims (7)

1.考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取接入电动汽车充电站的所述配电网系统基础数据；

2)建立考虑充电站耦合作用的容量评估模型。

3)求解考虑充电站耦合作用的容量评估模型，得到配电网系统的充电站可用容量的可行域。

2.根据权利要求1所述的考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，其特征在于：所述配电网系统基础数据包括电动汽车充电站、发电机的数量及额定容量，配电网系统的拓扑结构、节点电压范围和传输功率范围。

3.根据权利要求1所述的考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，其特征在于：所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的目标函数如下所示：

式中，N表示电动汽车充电站总数；f_i ⁽¹⁾代表第i个充电站的最大可用容量；f_ij ⁽²⁾表示第i和j个充电站的总可用容量；f_all ^(N)表示所有充电站的总可用容量；

表示有m个正在运行的充电站时第i个充电站的容量；m∈1，2，...，N。

4.根据权利要求1所述的考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，其特征在于：所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的约束条件包括等值等式约束方程、等值不等式约束方程和考虑需求侧响应的约束方程。

5.根据权利要求4所述的考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，其特征在于，所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的等值等式约束方程分别如下所示：

式中，P_i和Q_i分别表示没有电动汽车充电站接入的情况下节点i的有功和无功注入功率；P_station，i是节点i处电动汽车充电站的有功功率；U_i、U_j、δ_ij分别是节点i的电压、节点j的电压、节点i与节点j之间的电压相角差；G_ij+B_ij是总线导纳矩阵的第i行和第j列的元素；N_A是分配网络节点的数量。

6.根据权利要求4所述的考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，其特征在于，所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型的等值不等式约束方程分别如下所示：

式中，P_l和Q_l是第l条支路的有功和无功传输功率；S_l是第l条支路的容量；N_l是支路的总数；U_i∠δ_i是节点i的电压相量；

和

是节点i的电压幅值的上下限；

和

是节点i的电压角度的上下限；P_g，i和Q_g，i是第i台发电机的有功和无功输出；

和

分别是第i台发电机有功出力和无功出力的上下限。

是第i个充电站的额定容量。

7.根据权利要求4所述的考虑电动汽车充电站耦合作用的容量评估方法，其特征在于，所述考虑充电站耦合作用的容量评估模型中考虑需求侧响应的约束方程如下所示：

(1-β_down)R₀≤R≤(1+β_up)R₀ (12)

式中，α是需求价格弹性；R表示电价；P_DR表示用电需求；P_DR0和R₀分别表示初始用电需求和初始电价；β_up和β_down分别为电价调整比例的上下限；ΔP_DR为用电需求变化量；ΔR为电价变化量。

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