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含电动汽车充电负荷和分布式电源的配电网两阶段优化运行策略

该文受国家自然科学基金项目、国家重点基础研究发展计划资助。原文发表在《全球能源互联网》2018年第1卷第1期,欢迎品读。

本文引文信息

段小宇,胡泽春,宋永华,陈慧妙.含电动汽车充电负荷和分布式电源的配电网两阶段优化运行策略[J].全球能源互联网,2018,1(01):87-95.

Duan Xiaoyu, Hu Ze-chun, Song Yonghua, Chen Huimiao. Two-stage optimization of distributed network operation strategy with electric vehicle and distributed energy. Journal of Global Energy Interconnection, 2018, 1(01):87-95.


作者:段小宇,胡泽春,宋永华,陈慧妙

单位:清华大学电机工程与应用电子技术系


1. 研究背景



电动汽车作为一种清洁的交通工具,以其低能耗、低排放的特点,受到社会的广泛关注。随着电动汽车渗透率的提高,大规模电动汽车的充电负荷将成为电网运行中不可忽视的影响因素。尽管电动汽车的无序充电将加大电网调峰难度,但另一方面电动汽车作为柔性负荷,可通过有序调控实现削峰填谷、降低成本等多种目标。尤其在配电网层面,如何综合考虑接入配网的电动汽车充电负荷及分布式能源,通过负荷转移、无功补偿等方式改善电网运行环境,是值得研究的重要问题。


2. 研究现状



目前,针对配电网层面电动汽车与分布式能源的协同优化已有较多研究,围绕平滑负荷、降低成本、减小网损、消纳新能源等多种目标进行优化,但仍存在一定可改进的方向。

1)在优化建模方面,随着数学规划算法的发展,以二阶锥规划为代表的规划模型逐步应用到最优潮流、无功优化、储能配置与网络重构等多个方向的电力系统优化当中,具有应用在配网层级电动汽车优化的潜力。

2)在优化对象方面,现有研究主要针对有功功率进行优化,很少与配网的无功补偿与无功优化结合起来。


3. 主要研究内容



本文针对含电动汽车充电负荷、分布式电源及无功补偿装置的配电网络系统,提出了一种配电网两阶段优化运行策略。首先进行节点电动汽车负荷建模,并基于此以最小化总购电成本为目标建立了日前优化混合整数二阶锥规划模型。日内滚动优化同样以最小化总购电成本为目标,求解在日前无功补偿最优动作策略下分布式电源预测出力存在偏差时电动汽车功率的修正量。


3.1 节点电动汽车充电负荷建模

利用接入某节点电动汽车的具体信息(到达时间、离开时间、初始荷电状态、终止荷电状态等)可建立简单的节点充电负荷能量边界模型。某一时刻节点已完成充电电量应当不小于在此时刻前要离开的车辆需求电量之和,不大于在此时刻前接入的车辆需求电量之和。实际节点充电策略对应的充电电量曲线应当位于上述上下界之间区域内。

⬆图1 电动汽车节点充电能量边界示意


3.2 基于混合整数二阶锥规划的日前与日内优化模型

日前优化模型以最小化配电网总购电成本为优化目标,综合考虑充电需求、潮流约束、无功补偿关系约束等条件,在预测分布式电源出力场景下,求得最优无功补偿装置动作策略与电动汽车有序充电策略,并通过引入精确的二阶锥松弛来将交流潮流约束转换为二阶锥形式,建立了配电网日前运行优化的混合整数二阶锥规划模型。

与日前相同,日内滚动优化也需要考虑充电需求、潮流约束、分布式能源出力等约束条件,并以总购电成本最小为目标。日内的滚动优化仅针对电动汽车充电功率进行,无功补偿装置动作策略仍采用日前优化结果,因而不含有整数变量。


3.3 算例分析

采用33节点配电网系统进行分析,得到如下结论:以最小化购电成本为目标的电动汽车充电优化策略可以实现充电负荷向低电价时段转移;考虑无功补偿的电动汽车充电优化可以显著地降低配电网的网损,且随着电动汽车渗透率的增长,优化充电的效果也逐渐提升;电动汽车有序充电与无功补偿配合也可改善配电网节点电压。

⬆图2 不同场景的系统总有功负荷曲线


4. 结论



电动汽车以其灵活性为可以减小配电网负荷波动、降低运行成本提供了新的可能。本文提出了一种含电动汽车充电负荷、无功补偿装置与可再生能源的配电网两阶段优化策略,日前阶段以总购电成本最小为目标得到电动汽车最优充电策略与无功补偿装置动作策略,日内阶段以最小化购电成本为目标针对分布式能源出力偏差进行修正,可实现电动汽车充电负荷转移、削峰填谷、降低网损、改善配电网节点电压,增强电网运行经济性与安全性。


作者简介

段小宇


博士研究生


主要从事电动汽车充电设施规划与运行优化研究工作。Email:duanxy16@mails.tsinghua.edu.cn。

胡泽春


博士,副教授


主要从事智能电网、电动汽车、储能应用、电力系统优化规划与运行等相关技术研究工作。

Email:zechhu@tsinghua.edu.cn。

宋永华


博士,教授


英国皇家工程院院士,主要从事智能电网和电力市场等相关技术研究工作。

Email:yhsong@tsinghua.edu.cn。

陈慧妙


硕士研究生


主要从事智能电网及电动汽车接入电网等相关技术研究工作。

Email:chm15@mails.tsinghua.edu.cn。



编辑张鹏

审核:白恺


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