CN114037463B - 一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法，包括构建以电动汽车收益最大化为目标的优化模型，其中所述优化模型考虑电动汽车同时参与日前发电市场与备用市场，所述备用市场收益包括确定性的日前备用容量收益和不确定性的备用电量收益，实现电动汽车同时参与日前发电市场与备用市场的联合调度优化。本发明实现了电动汽车参与发电市场与备用市场的联合调度优化；考虑了电动汽车参与备用市场时确定性的备用容量收益和不确定性的备用电量收益；实现了电动汽车参与发电市场与备用市场的收益最大化。

Description

一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法

技术领域

本发明涉及电力辅助服务市场技术领域，尤其涉及一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法。

背景技术

对于电力系统而言，实现“30·60”双碳目标的首要着力点就是电源侧的去碳化，因此，势必要在电源结构中增加风电、光伏等新能源发电的比重。备用是为了应对系统中发生故障、新能源出力波动等随机性事件引起的功率不平衡。由于新能源出力本质上的难以预测性，低可靠性新能源出力占比的提高带来备用需求的剧增，而传统发电机组(火电、水电等)占比的降低使得系统可信备用容量又大幅降低，系统备用容量、灵活性的供需矛盾日益突出。

电动汽车既是一类用电负荷单元，同时也是一类优良的可控的用户侧分布式储能资源。随着需求侧分布式储能的崛起，这为电力系统的灵活调节提供了技术、经济上可行的潜在方案。

由于电量与备用之间的耦合关系，存在3种能量与备用在市场中的协调优化方法：单独排序优化、顺序优化与联合优化。其中，单独排序优化即电量与备用在市场中独立出清，虽然易于理解与实施，但可能导致出清结果违反机组容量等物理约束；顺序优化方法即按顺序出清，等前一个市场成功出清后，再在下一个市场出清，此方法满足了机组容量约束，但会导致市场出清的总成本偏高；联合优化即以所有市场的总成本最低为目标同时优化能量与备用市场，该方法同样满足了机组容量约束，并且市场总成本最低，但优化模型较复杂。因此，为了满足机组容量约束，并且使市场运行总成本最低，亟待提出有效的电动汽车参与发电市场与备用市场的联合优化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑备用容量和备用电量收益的电动汽车参与日前发电市场与备用市场的联合调度优化方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提供了一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法，包括：

构建以电动汽车收益最大化为目标的优化模型；

其中所述优化模型包括电动汽车同时参与日前发电市场与备用市场，所述备用市场收益包括确定性的日前备用容量收益和不确定性的备用电量收益，实现电动汽车同时参与日前发电市场与备用市场的联合调度优化。

进一步地，所述优化模型的表达式如下：

其中，G为电动汽车的总收益；π_cu、π_cd、π_eu、π_ed分别为上备用容量收益、下备用容量收益、上备用电量收益、下备用电量收益；b_grid为电动汽车参与发电市场的电量费支出；

对时间轴离散化，将一个调度周期T分割为n个长度为Δt的时段，冻结Δt内电动汽车功率的时变性，则式(1)可分解为如下的式(2)：

其中，k为第k个时段；v(k)表示第k个时段EV是否接入电网的(0，1)整数变量，v(k)＝1表示在线，v(k)＝0表示离线；

分别表示上、下备用容量是否发生调用的(0，1)整数变量，1表示发生调用，0表示未发生调用；P_cu、P_cd分别为上、下备用容量，P_eu、P_ed分别为上、下备用电量；λ_cu、λ_cd分别为上、下备用容量价格；λ_eu、λ_ed分别为上、下备用电量价格；λ_e为电量价格；P为电动汽车的充/放电功率。

进一步地，一个调度周期T内备用容量最多被调用1次且服务时间为Δt，备用市场调度规则约束为：

进一步地，电动汽车的充/放电功率约束为：

其中，P_L.max、P_G.max分别为电动汽车的最大充电功率和最大放电功率。

进一步地，电动汽车的电池容量约束为：

0≤E(k)≤E_max (5)

其中，E(k)为第k个时段起始点电动汽车的实时电量，E(k)关于P(k)的时变函数如式(6)所示；E_max为电动汽车的电池容量；E_start为电动汽车的起始电量；k_start为电动汽车入网的时刻。

进一步地，电动汽车的充电需求约束为：

E(k)≥E_min(k),k_start<k≤k_end (7)

其中，E_min为电动汽车的最低电量约束；k_end为离网时刻；E_exp为电动汽车离网时的期望电量。

进一步地，电动汽车的上、下备用容量约束为：

0≤P_cu(k)≤P_cu.max(k) (9)

0≤P_cd(k)≤P_cd.max(k) (10)

其中，P_cu.max(k)和P_cd.max(k)分别为第k个时段电动汽车上备用容量和下备用容量的最大值，表达式如下：

其中，P_G.max+P(k)为功率边界的影响；E(k)–E_min(k+1)为第k个时段内的最大可放电量，(E(k)–E_min(k+1))/Δt+P(k)则为考虑当前工况下电动汽车的可放电量潜力，反映出电量边界的影响；E_min(k)为第k个时段起始点电池的最低电量约束。

进一步地，电动汽车的上、下备用电量约束为：

0≤P_eu(k)≤P_cu.max(k) (13)

0≤P_ed(k)≤P_cd.max(k) (14)。

进一步地，所述优化模型的求解方法包括：

在日前阶段，不考虑备用容量发生调用，对式(2)进行优化求解；

得到EV的最优充/放电功率作为日前初始充/放电策略p_ori；

计算初始充/放电策略下电动汽车的日前备用容量收益π_ori；

在实时阶段，假设时段j发生备用缺额事件，电动汽车的备用容量被调用，将此时段j电动汽车的充放电策略表示为p_dispatch，此时段电动汽车的备用电量收益为π_dispatch；

在时段1至时段j-1的充/放电策略已按p_ori执行，依据备用市场的调度规则约束，一个调度周期内不考虑后续时段电动汽车的备用容量被再次调用，按式(15)优化时段j后续时段的充/放电策略，将时段j+1至时段T/Δt的充/放电策略记为p_latter；

进一步地，电动汽车总收益的计算方法为：

如果备用容量发生调用，结合不同时间段的充/放电策略(p_ori(1≤k≤j-1)、p_dispatch(k＝j)、p_latter(j+1≤k≤T/Δt))计算电动汽车支付给电网的充电费用b_grid，此时电动汽车的总收益G＝π_ori+π_dispatch-b_grid；

如果备用容量未发生调用，则所有时段都按策略p_ori(1≤k≤T/Δt)计算电动汽车支付给电网的充电费用b_grid,此时电动汽车的总收益G＝π_ori-b_grid。

本发明的有益效果如下：

本发明实现了电动汽车参与发电市场与备用市场的联合调度优化；

本发明考虑了电动汽车参与备用市场时确定性的备用容量收益和不确定性的备用电量收益；

本发明实现了电动汽车参与发电市场与备用市场的收益最大化。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法的流程框图；

图2为根据本发明实施例提供的一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法中优化模型的求解流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种考虑备用容量和备用电量收益的电动汽车参与日前发电市场与备用市场的联合调度优化方法，包括以下步骤：

步骤1，考虑电动汽车同时参与日前发电市场与备用市场，备用市场收益包括确定性的日前备用容量收益和不确定性的备用电量收益，构建以电动汽车收益最大化为目标的优化模型，如式(1)所示。

其中，G为电动汽车的总收益；π_cu、π_cd、π_eu、π_ed，分别为上备用容量收益、下备用容量收益、上备用电量收益、下备用电量收益；b_grid为电动汽车参与发电市场的电量费支出，即支付给电网的充电费用。

对时间轴离散化，将一个调度周期T分割为n个长度为Δt的时段，冻结Δt内电动汽车功率的时变性，则式(1)可分解为式(2)。

其中，k为第k个时段；v(k)表示第k个时段EV是否接入电网的(0，1)整数变量，v(k)＝1表示在线，v(k)＝0表示离线；

分别表示上、下备用容量是否发生调用的(0，1)整数变量，1表示发生调用，0表示未发生调用；P_cu、P_cd分别为上、下备用容量，P_eu、P_ed分别为上、下备用电量，λ_cu、λ_cd分别为上、下备用容量价格，λ_eu、λ_ed分别为上、下备用电量价格，λ_e为电量价格；P为电动汽车的充/放电功率。

步骤2，给出备用市场调度规则约束。

电动汽车参与备用市场时，一个调度周期内备用容量最多被调用1次且服务时间为Δt，备用市场调度规则约束如式(3)所示。

步骤3，给出电动汽车的充/放电功率约束。

电动汽车的充/放电功率受自身最大充/放电功率约束，而且考虑到频繁放电对电池寿命的影响，由于发电市场中放电为高频事件，而备用容量发生调用为低频小概率事件，因此电动汽车参与发电市场时不参与放电，仅在备用市场中参与放电，电动汽车的充/放电功率约束如式(4)所示。

其中，P_L.max、P_G.max分别为电动汽车的最大充电功率和最大放电功率。

步骤4，给出电动汽车的电池容量约束。

电动汽车在充/放电过程中，受到电池容量边界的约束，如式(5)所示。

0≤E(k)≤E_max (5)

其中，E(k)为第k个时段起始点电动汽车的实时电量，

E_start为电动汽车的起始电量，k_start为电动汽车入网的时刻；E_max为电动汽车的电池容量。

步骤5，给出电动汽车的充电需求约束。

为了满足电动汽车在离网时至少充电至需求的电量，每个时段电动汽车都有一个最低电量要求，如式(6)所示，否则将无法满足在离网时达到期望电量。

E(k)≥E_min(k),k_start<k≤k_end (6)

其中，E_min为电动汽车的最低电量约束，其表达式如式(7)所示；k_end为离网时刻。

其中，E_exp为电动汽车离网时的期望电量。

步骤6，给出电动汽车的上、下备用容量约束。

电动汽车可提供的上、下备用容量受最大上、下备用容量约束，如式(8)、式(9)所示。

0≤P_cu(k)≤P_cu.max(k) (8)

0≤P_cd(k)≤P_cd.max(k) (9)

其中，P_cu.max(k)和P_cd.max(k)分别为第k个时段电动汽车上备用容量和下备用容量的最大值，电动汽车的最大上、下备用容量受其充/放电的功率边界和电量边界的影响，最大上备用容量如式(10)所示，最大下备用容量如式(11)所示。

其中，P_G.max+P(k)为功率边界的影响，E(k)–E_min(k+1)为第k个时段内的最大可放电量，(E(k)–E_min(k+1))/Δt+P(k)则为考虑当前工况下电动汽车的可放电量潜力，反映出电量边界的影响。

步骤7，给出电动汽车的上、下备用电量约束。

电动汽车可提供的上、下备用电量受最大上、下备用容量影响，电动汽车的上、下备用电量约束如式(12)、式(13)所示。

0≤P_eu(k)≤P_cu.max(k) (12)

0≤P_ed(k)≤P_cd.max(k) (13)

步骤8，给出步骤1中式(2)的求解流程。

如图2所示，步骤1中式(2)的求解流程为：1)在日前阶段，不考虑备用容量被实际调用，即对目标函数

进行优化求解；2)得到电动汽车的最优充/放电功率作为日前初始充/放电策略p_ori，计算初始充/放电策略下电动汽车的日前备用容量收益π_ori；3)在日内实时调度阶段，假设时段j发生备用缺额事件，电动汽车的备用容量被调用，将此刻时段j电动汽车的充放电策略称为p_dispatch，此时段电动汽车的备用电量收益为π_dispatch；4)由于时段1至时段j-1的充/放电策略已按p_ori执行，而且一个调度周期内不再考虑后续时段电动汽车的备用容量被再次调用，因此只需按目标函数/>

优化时段j后续时段的充/放电策略即可，将时段j+1至时段T/Δt的充/放电策略记为p_latter。

步骤9，给出参与日前发电市场与备用市场时电动汽车最大收益的计算方法。

电动汽车的备用容量收益均按日前充/放电策略p_ori(1≤k≤T/Δt)计算；如果电动汽车备用容量发生调用，按不同时间段的充/放电策略(p_ori(1≤k≤j-1)、p_dispatch(k＝j)、p_latter(j+1≤k≤T/Δt))计算电动汽车支付给电网的充电费用b_grid，此时电动汽车的总收益G＝π_ori+π_dispatch-b_grid；如果备用容量没有发生调用，则所有时段都按策略p_ori(1≤k≤T/Δt)计算电动汽车支付给电网的充电费用b_grid，此时电动汽车的总收益G＝π_ori-b_grid。

为了进一步说明上述方法，将其应用于某辆电动汽车参与日前发电市场与备用市场，仿真算例设置如下：充/放电时段为19:00～次日07:00，t_start＝19:00，t_end＝07:00，电池容量E_max＝50kW·h，起始电池电量E_start＝20％E_max，期望电量E_exp＝95％E_max，最大充电功率P_L.max＝6kW，最大放电功率P_G.max＝6kW，时间尺度Δt＝1小时，市场的电量价格λ_e如表1所示(以2021年7月22日12:00-7月23日12:00PJM现货市场的实时电价为例，货币单位已折算为人民币)，上、下备用容量价格λ_cu＝λ_cd＝10％λ_e，上、下备用电量价格λ_eu＝λ_ed＝λ_e。

表1各时段的电量价格

目标函数式(2)，约束条件(3)～约束条件(13)，求解流程步骤8，根据步骤9计算电动汽车的最大收益：不考虑电动汽车参与备用市场时，电动汽车的最大收益(即最少的充电电费支出)为-59.81元；考虑电动汽车同时参与日前发电市场与日前备用时，如果电动汽车备用容量不发生调用，则电动汽车的最大是收益为-35.98元；假设22:00-23:00时段电动汽车的上备用容量全部发生调用，则电动汽车的最大是收益为-16.30元。

综上所述，上述方法可以考虑确定性备用容量收益和不确定性备用电量收益，实现电动汽车参与日前发电市场与备用市场的联合调度优化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法，其特征在于，所述方法包括：

构建以电动汽车收益最大化为目标的优化模型；

其中所述优化模型包括电动汽车同时参与日前发电市场与备用市场，所述备用市场收益包括确定性的日前备用容量收益和不确定性的备用电量收益，实现电动汽车同时参与日前发电市场与备用市场的联合调度优化；

所述优化模型的表达式如下：

max G＝π_cu+π_cd+π_eu+π_ed-b_grid (1)

其中，G为电动汽车的总收益；π_cu、π_cd、π_eu、π_ed分别为上备用容量收益、下备用容量收益、上备用电量收益、下备用电量收益；b_grid为电动汽车参与发电市场的电量费支出；

对时间轴离散化，将一个调度周期T分割为n个长度为Δt的时段，冻结Δt内电动汽车功率的时变性，则式(1)可分解为如下的式(2)：

其中，k为第k个时段；v(k)表示第k个时段EV是否接入电网的(0，1)整数变量，v(k)＝1表示在线，v(k)＝0表示离线；

分别表示上、下备用容量是否发生调用的(0，1)整数变量，1表示发生调用，0表示未发生调用；P_cu、P_cd分别为上、下备用容量，P_eu、P_ed分别为上、下备用电量；λ_cu、λ_cd分别为上、下备用容量价格；λ_eu、λ_ed分别为上、下备用电量价格；λ_e为电量价格；P为电动汽车的充/放电功率；

电动汽车的充/放电功率约束为：

其中，P_L.max、P_G.max分别为电动汽车的最大充电功率和最大放电功率；

电动汽车的电池容量约束为：

0≤E(k)≤E_max (5)

其中，E(k)为第k个时段起始点电动汽车的实时电量，E(k)关于P(k)的时变函数如式(6)所示；E_max为电动汽车的电池容量；E_start为电动汽车的起始电量；k_start为电动汽车入网的时刻；

电动汽车的充电需求约束为：

E(k)≥E_min(k),k_start<k≤k_end (7)

其中，E_min为电动汽车的最低电量约束；k_end为离网时刻；E_exp为电动汽车离网时的期望电量；

电动汽车的上、下备用容量约束为：

0≤P_cu(k)≤P_cu.max(k) (9)

0≤P_cd(k)≤P_cd.max(k) (10)

其中，P_cu.max(k)和P_cd.max(k)分别为第k个时段电动汽车上备用容量和下备用容量的最大值，表达式如下：

其中，P_G.max+P(k)为功率边界的影响；E(k)–E_min(k+1)为第k个时段内的最大可放电量，(E(k)–E_min(k+1))/Δt+P(k)则为考虑当前工况下电动汽车的可放电量潜力，反映出电量边界的影响；E_min(k)为第k个时段起始点电池的最低电量约束；

电动汽车的上、下备用电量约束为：

0≤P_eu(k)≤P_cu.max(k) (13)

0≤P_ed(k)≤P_cd.max(k) (14)

所述优化模型的求解方法包括：

在日前阶段，不考虑备用容量发生调用，对式(2)进行优化求解；

得到EV的最优充/放电功率作为日前初始充/放电策略p_ori；

计算初始充/放电策略下电动汽车的日前备用容量收益π_ori；

在实时阶段，假设时段j发生备用缺额事件，电动汽车的备用容量被调用，将此时段j电动汽车的充放电策略表示为p_dispatch，此时段电动汽车的备用电量收益为π_dispatch；

在时段1至时段j-1的充/放电策略已按p_ori执行，依据备用市场的调度规则约束，一个调度周期内不考虑后续时段电动汽车的备用容量被再次调用，按式(15)优化时段j后续时段的充/放电策略，将时段j+1至时段T/Δt的充/放电策略记为p_latter；

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法，其特征在于，一个调度周期T内备用容量最多被调用1次且服务时间为Δt，备用市场调度规则约束为：

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车参与发电与备用市场的联合调度优化方法，其特征在于，电动汽车总收益的计算方法为：

如果备用容量发生调用，结合不同时间段的充/放电策略(p_ori(1≤k≤j-1)、p_dispatch(k＝j)、p_latter(j+1≤k≤T/Δt))计算电动汽车支付给电网的充电费用b_grid，此时电动汽车的总收益G＝π_ori+π_dispatch-b_grid；

如果备用容量未发生调用，则所有时段都按策略p_ori(1≤k≤T/Δt)计算电动汽车支付给电网的充电费用b_grid,此时电动汽车的总收益G＝π_ori-b_grid。

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