CN116707060A - 一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法。为了解决现有技术中的能源分配策略缺少对配电网层、电动汽车用户和充电站三方衡量模型的问题，本发明包括获取电动汽车参数并预测市电价，根据参数和市电价构造最低成本目标函数；根据参数约束电动汽车的充电功率，进行配电网阻塞调配并限制配电网电压，求解后得到动态配电网输电价格，进一步得到节点边际电价；基于节点边际电价建立电动汽车充电站和电动汽车充电用户的主从博弈模型；求解主从博弈模型的上下层目标函数，建立充电站的电价和电动汽车用户的充电管理方案。可实现对弹性负荷的配电网的阻塞管理，通过价格响应机制形成电动汽车最优充电管理方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源调配机制领域，尤其涉及一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法。
背景技术
“双碳”背景下,新能源在电网的渗透率不断提升，电动汽车的大规模接入势必对电力系统的规划和运行造成不可忽视的影响。电动汽车作为灵活的弹性负荷，既要考虑起充电过程中对电网运行的安全性和经济性冲击，也要考虑满足电动汽车用户本身的充电计划。因此需要通过调整充电站的充电价格，为用户分配充电时间段，从而避免由于电动汽车集中接入电网造成的冲击和影响。现有技术中针对电动汽车和电网之间的能源流动和价格策略主要利用凸优化理论等方式实现，多集中在充电站和电动汽车用户两侧给的目标函数和相关约束中，而缺少同时考虑配电网层、电动汽车和充电站的相关模型。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种基于多代理商的电动汽车有序充电方法”，其公告号CN107150601A，通过家庭代理商和变电站代理商协同工作，服务于电网代理商，分布式处理大量复杂的充电请求，并采用实时贪心算法调度电动汽车充电行为。该方法只需要当前电动汽车实时能量需求信息和充电时间安排，不需要将来接入电网电动汽车的信息，不需要复杂的预测方法和优化技术，并具有良好的扩展性，适用于电动汽车高渗透率情况。然而此方案没有完整考虑到电动汽车充电顺序以及充电量、充电功率对充电站和配电网层面的影响，因此缺少一定的全面性。
发明内容
本发明主要解决现有技术中的能源分配策略缺少对配电网层、电动汽车用户和充电站三方衡量模型的问题；提供一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，以多代理模型为分析框架，可实现对存在电动汽车为代表的弹性负荷的配电网的阻塞管理、对特定辖区内多个电动汽车充电站的充电价格制定，进而通过价格响应机制形成电动汽车最优充电管理方案。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明包括获取电动汽车参数并预测市电价，根据参数和市电价构造最低成本目标函数；根据参数约束电动汽车的充电功率，进行配电网阻塞调配并限制配电网电压，求解后得到动态配电网输电价格，进一步得到节点边际电价；基于节点边际电价建立电动汽车充电站和电动汽车充电用户的主从博弈模型；求解主从博弈模型的上下层目标函数，建立充电站的电价和电动汽车用户的充电管理方案。本方案利用多代理技术，将电动汽车的充电价格和最优充电管理问题中涉及到的主体视为多个代理，进而分析各代理之间的优化约束问题；并且，本方案考虑配电网运营商和电动汽车充电站的相互作用，引入动态配网输电价格，计算节点边际电价实现配电网阻塞管理；此外，本方案利用主从博弈模型分析充电站和电动汽车用户的双层联系，实现电动汽车充电价格制定和电动汽车最优充电管理方案的生成。将主从博弈模型利用KKT条件进行推导整合，转化为求解器可求解的混合整数线性规划问题。
作为优选，所述的所述参数包括电动汽车的：电池容量、核电状态限制、充电功率、最大充电功率、每公里耗电量和日行驶历程，并计算电动汽车每日不同时刻可充电的概率；所述市电价的预测公式为：yt＝ct+βPt (1)；其中，yt为预测的市电价，ct为基础电价，β为价格敏感度系数，Pt为t时刻所有电动汽车的充电功率；所述最低成本目标函数构造为：其中，pi,t为第i个充电站在第t时刻的充电功率，ct为基础电价，Bi,t价格敏感系数矩阵。此步骤中计算动态配网输电价格，以社会利益最大化即充电成本最小化为目标构造最低成本目标函数，充分考虑电动汽车的充电功率约束、电池荷电水平约束、配电网线路的容量约束和配电网线路电压幅值约束问题。
作为优选，所述的约束电动汽车的充电功率在于考虑充电站的功率限制和充电站的核电状态限制；所述功率限制为：其中，分别为第i个充电站在第t时刻的充电功率上限和下限；NT为日前计划时间集合；NB为充电站的节点集合；所述荷电状态限制为：其中，/>分别为充电站荷电水平的上限和下限，/>为充电站初始荷电水平。充分考虑电池电荷水平约束，在配电网层面舒缓短时间大数量电动汽车充电造成的阻塞问题，对维持配电网运行的安全性和可靠性有着重要作用。
作为优选，所述的所述配电网阻塞调配即令配电网负荷小于等于配电网线路容量，包括：其中，D为配电网中功率传输分配系数，/>为某一充电站所在节点的其他负荷，ft为t时刻线路载荷的限制，Ei电动汽车到配电网节点的映射矩阵；限制配电网电压幅值包括：(6)；其中，V0为配电网节点的电压幅值，Vmin为电压幅值的下限，/>为除电动汽车外其他负荷的无功需求，R和X配电网络中节点导纳逆矩阵的实部和虚部部分；对公式(5)和(6)进行求解，得到动态配网输电价格，进而得到节点电价如下：/>(8)；其中，ρt为动态配网输电价格，其中λt与γt分别为配电网中负荷以及电压的约束的对偶变量，/>为充电站所在节点的边际节点电价。此步骤中分析配电网运营商和电动汽车充电站之间的联系，引入动态配网输电价格这一概念，在基础电价的基础上，叠加动态配网输电价格，通过价格初步引导电动汽车的充电行为。
作为优选，所述的将电动汽车充电站视为博弈模型的上层，电动汽车充电用户视为模型的下层，建立上层目标函数为：其中，ct为时段t的电动汽车充电价格，pit为第i量汽车在时刻t的充电功率，/>πt -分别为t时段日前市场的合同电价、实时市场的购买、售出电价；Et/>分别为日前市场t时段的购电量、t时段从实时市场的购入电量和t时段从实时市场的售出电量；下层目标函数为：将配电网运营商、电动汽车充电站和电动汽车用户等视为不同代理的进行建模，进而分析各个代理之间相互联系，使得电动汽车充电价格制定和最有充电管理方法的研究更加系统化和条理化。
作为优选，所述的上层目标函数中进一步对电动汽车充电价格范围约束：其中，/>和/>分别为t时段的最低电价和最高电价，cav为日平均电价；在任一时刻，电动汽车和实时市场间的电能交易为充电站向市场出售电能或充电站从市场购买电能，因此考虑充电站购电量和售电量的约束为：其中，zt是布尔变量，表示t时段能量交易状态；同时还要满足电能的瞬时平衡：/>其中，分别为充电站在t时段储能设备的充电量和放电量；考虑充电站设备的运行情况约束：/>电动汽车充电站模型为上层模型，考虑充电价格范围约束、电动汽车充电站购电量和售电量的约束、电能的瞬时平衡、充电站设备的运行情况约束等。
作为优选，所述的下层目标函数中对电动汽车充电用户的约束如下：考虑电动汽车充电功率范围的约束：其中，Pi m为第i辆电动汽车的最大充电功率；Ta为电动汽车的可充电时间段，括号内的变量为各条约束所对应的对偶变量；考虑电动汽车的充电量应满足其电池荷电水平的实际限制：/>其中，/>为第i量电动汽车的电池容量；/>为第i辆电动汽车的初始电量。电动汽车用户为下层模型，考虑电动汽车充电功率范围的约束、电池荷电水平的约束等。
作为优选，所述的求解上下层目标函数得到充电管理方案的过程包括将下层模型的约束用其KKT条件代替：
将式(22)和(23)转化为线性不等式如下：/>
其中M为一个极大的正数。
作为优选，整合上下层目标函数式，将主从博弈模型转化为混合整数线性规划：利用整合后的公式(30)结合公式(20)～(29)中的条件完成混合整数线性规划求解。将电动汽车充电站和电动汽车用户代理之间的问题描述为主从博弈模型，相较于仅考虑单一代理的约束问题，其决策更加全面系统。
本发明的有益效果是：
1.本发明的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，针对存在多个电动汽车充电站的特定辖区内的充电汽车管理情况，使用多代理分析技术，将配电网运营商、电动汽车充电站和电动汽车充电用户视为三层代理，分层分析每层代理之间的能量流动和有关约束，能够更加清晰全面地考虑到约束情况，合理地引导电动汽车充电。
2.本发明的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，考虑配电网运营商和电动汽车充电站`的相互作用，引入动态配网输电价格，计算节点边际电价实现配电网阻塞管理；进一步地利用主从博弈模型分析充电站和电动汽车用户的双层联系，实现电动汽车最优充电管理方案的生成。
3.本发明的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，舒缓了高弹性负荷渗透率对配电网的阻塞影响，提高了配电网运行的稳定性；以合理电价引导电动汽车的充电行为，制定了电动汽车最优充电安排方案。
附图说明
图1是本发明的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，如图1所示，包括：步骤1、获取电动汽车相关参数：
相关参数包括电池容量，荷电状态的限制，最大充电功率，每公里耗电量以及每日行驶里程，以及电动汽车每日不同时刻可充电的概率。
步骤2、预测日前市场电价：
包括获取基础电价信息，对日前市场电价进行预测。具体公式为：yt＝ct+βPt(1)；
其中，yt为预测的市场电价，ct为基础电价，β为价格敏感度系数，Pt为t时刻所有电动汽车的充电功率。
步骤3、依据预测得到的电价，以社会经济运行最低成本即最低充电花费为目标构造目标函数：
以社会最大福利也就是充电最低成本为目标构造目标函数：
其中，pi,t为第i个电动汽车充电站在第t时刻的充电功率，ct为基础电价，Bi,t价格敏感系数矩阵。
步骤4、依据得到的电动汽车的信息对电动汽车的充电功率进行约束：4-1：考虑电动汽车充电站充电功率限：其中，/>分别为第i个电动汽车充电站在第t时刻的充电功率上下限；NT为日前计划时间集合；NB为电动汽车充电站的节点集合。
4-2：考虑电动汽车充电站荷电状态限制：(4)；其中，/>分别为电池荷电水平的上下限，/>为电池初始荷电水平。
步骤5、进行配电网阻塞管理以及电压限制，求解后得到动态配网输电价格，进而得到节点边际电价：5-1：考虑配电网节点中的其他负荷，进行配电网阻塞管理，即保证配电网的负荷不会超过配电网线路的容量：其中，D为配电网络中功率传输分配系数，pi,t为该充电站所在节点的其他负荷，ft为t时刻线路载荷的限制，Ei电动汽车到配电网节点的映射矩阵；
考虑配电网中电压幅值限制：其中，V0为配电网节点电压幅值，Vmin为电压幅值的下限，/>为除电动汽车外其他负荷的无功需求，R和X配电网络中节点导纳逆矩阵的实部和虚部部分。
5-2：对上述的数学模型进行求解，得到动态配网输电价格，进而得到节点电价：
其中，ρt为动态配网输电价格，其中λt与γt分别为配电网中负荷以及电压的约束的对偶变量，为充电站所在节点的边际节点电价。
步骤6：基于步骤5计算的节点边际电价，建立电动汽车充电站和电动汽车充电用户的主从博弈模型：
6-1：将电动汽车充电站视为博弈模型的上层，电动汽车充电用户视为模型的下层，上层目标函数为：其中，ct为时段t的电动汽车充电价格，pit为第i量汽车在时刻t的充电功率，/>分别为t时段日前市场的合同电价、实时市场的购买、售出电价；Et、/>分别为日前市场t时段的购电量、t时段从实时市场的购入电量和t时段从实时市场的售出电量。
6-2：下层目标函数为：
步骤7：考虑上层模型，即电动汽车充电站的有关约束问题：
7-1：考虑充电价格范围约束：
其中，和/>分别为t时段的最低、最高电价；cav为日平均电价。
7-2：考虑电动汽车充电站购电量和售电量的约束，即在任一时刻电动汽车和实时市场间的电能交易只能为一种情况，电动汽车充电站向市场出售电能或电动汽车充电站从实时市场购买电能；
其中，zt是布尔变量，表示t时段能量交易状态；
同时还要满足电能的瞬时平衡，其中，/>分别为电动汽车充电站在t时段储能设备的充、放电量。
7-3：考虑充电站设备的运行情况约束：
步骤8：考虑下层模型，即电动汽车充电用户的有关约束问题：8-1：考虑电动汽车充电功率范围的约束，
其中，Pi m为第i辆电动汽车的最大充电功率；Ta为电动汽车的可充电时间段，括号内的变量为各条约束所对应的对偶变量。
8-2：考虑电动汽车的充电量应满足其电池荷电水平的实际限制，(19)；其中，/>为第i量电动汽车的电池容量；/>为第i辆电动汽车的初始电量。
步骤9：求解得到电动汽车充电站的充电价格和电动汽车用户的充电管理方案：9-1：将下层模型的约束用其KKT条件代替：
9-2：将式(22)和(23)转化为线性不等式如下：
其中M为一个极大的正数。
9-3：整合上下层目标函数式，将主从博弈模型转化为混合整数线性规划：
9-4：使用步骤9-3整合的单一目标函数式和步骤9-1、步骤9-2用KKT条件代替的约束条件进行混合整数线性规划求解。
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，包括：
获取电动汽车参数并预测市电价，根据参数和市电价构造最低成本目标函数；
根据参数约束电动汽车的充电功率，进行配电网阻塞调配并限制配电网电压，求解后得到动态配电网输电价格，进一步得到节点边际电价；
基于节点边际电价建立电动汽车充电站和电动汽车充电用户的主从博弈模型；
约束求解主从博弈模型的上下层目标函数，建立充电站的电价和电动汽车用户的充电管理方案。
2.根据权利要求1所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，所述参数包括电动汽车的：电池容量、核电状态限制、充电功率、最大充电功率、每公里耗电量和日行驶历程，并计算电动汽车每日不同时刻可充电的概率；
所述市电价的预测公式为：yt＝ct+βPt (1)；
其中，yt为预测的市电价，ct为基础电价，β为价格敏感度系数，Pt为t时刻所有电动汽车的充电功率；
所述最低成本目标函数构造为：
其中，pi,t为第i个充电站在第t时刻的充电功率，ct为基础电价，Bi,t价格敏感系数矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，约束电动汽车的充电功率在于考虑充电站的功率限制和充电站的核电状态限制；
所述功率限制为：
其中，分别为第i个充电站在第t时刻的充电功率上限和下限；NT为日前计划时间集合；NB为充电站的节点集合；
所述荷电状态限制为：
其中，分别为充电站荷电水平的上限和下限，/>为充电站初始荷电水平。
4.根据权利要求3所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，所述配电网阻塞调配即令配电网负荷小于等于配电网线路容量，包括：
其中，D为配电网中功率传输分配系数，为某一充电站所在节点的其他负荷，ft为t时刻线路载荷的限制，Ei电动汽车到配电网节点的映射矩阵；
限制配电网电压幅值包括：
其中，V0为配电网节点的电压幅值，Vmin为电压幅值的下限，为除电动汽车外其他负荷的无功需求，R和X配电网络中节点导纳逆矩阵的实部和虚部部分；
对公式(5)和(6)进行求解，得到动态配网输电价格，进而得到节点电价如下：
其中，ρt为动态配网输电价格，其中λt与γt分别为配电网中负荷以及电压的约束的对偶变量，πt d为充电站所在节点的边际节点电价。
5.根据权利要求4所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，将电动汽车充电站视为博弈模型的上层，电动汽车充电用户视为模型的下层，建立上层目标函数为：
其中，ct为时段t的电动汽车充电价格，pit为第i量汽车在时刻t的充电功率， 分别为t时段日前市场的合同电价、实时市场的购买、售出电价；Et、分别为日前市场t时段的购电量、t时段从实时市场的购入电量和t时段从实时市场的售出电量；下层目标函数为：/>
6.根据权利要求5所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，在上层目标函数中对电动汽车充电价格范围约束：
其中，和/>分别为t时段的最低电价和最高电价，cav为日平均电价；
在任一时刻，电动汽车和实时市场间的电能交易为充电站向市场出售电能或充电站从市场购买电能，因此考虑充电站购电量和售电量的约束为：Et≥0，
其中，zt是布尔变量，表示t时段能量交易状态；
同时还要满足电能的瞬时平衡：
其中，rt +，rt -分别为充电站在t时段储能设备的充电量和放电量；
考虑充电站设备的运行情况约束：
7.根据权利要求6所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，下层目标函数中对电动汽车充电用户的约束如下：
考虑电动汽车充电功率范围的约束：
其中，Pi m为第i辆电动汽车的最大充电功率；Ta为电动汽车的可充电时间段，括号内的变量为各条约束所对应的对偶变量；
考虑电动汽车的充电量应满足其电池荷电水平的实际限制：
其中，为第i量电动汽车的电池容量；/>为第i辆电动汽车的初始电量。
8.根据权利要求1所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，求解上下层目标函数得到充电管理方案的过程包括将下层模型的约束用其KKT条件代替：
将式(22)和(23)转化为线性不等式如下： 其中M为一个极大的正数。
9.根据权利要求8所述的一种考虑配电网阻塞的电价和电动汽车最优充电管理方法，其特征在于，整合上下层目标函数式，将主从博弈模型转化为混合整数线性规划：
利用整合后的公式(30)结合公式(20)～(29)中的条件完成混合整数线性规划求解。
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