面向新能源消纳的主动配电网电动汽车充放电功率和网络重构协调优化调度

面向新能源消纳的主动配电网电动汽车充放电功率和网络重构

协调优化调度

赵德仁;丁雷;徐立华;金宇飞;宋季冬;李冰冰

【摘要】针对新能源发电和电动汽车大量接入配电网,给配电网的经济运行带来严峻挑战的现状,提出了一种基于电动汽车充放电功率和网络重构两种手段,以消纳新能源为目标的主动配电网两阶段协调优化调度策略.第1阶段建立日前优化调度模型,以弃风功率最小以及网络损耗最小为目标函数,优化电动汽车充电站24 h的调度策略并进行日前网络动态重构,通过基于判断矩阵的混合粒子群算法求解;第2阶段以日前调度结果为基础,建立集中型充电站10 min时间尺度的实时平滑控制策略,通过SOC自动调节原理,利用模糊控制算法,降低风功率曲线的波动.结果表明,通过两阶段调度,能够在满足用户需求的基础上,充分实现网络重构和电动汽车充放电功率间的协调,提高新能源的消纳能力.

【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》

【年(卷),期】2019(031)008

【总页数】8页(P94-101)

【关键词】电动汽车;优化调度;新能源;两阶段协调

【作者】赵德仁;丁雷;徐立华;金宇飞;宋季冬;李冰冰

【作者单位】国网辽阳供电公司,辽阳 111000;国网辽阳供电公司,辽阳 111000;国网铁岭供电公司,铁岭 112000;国网辽宁经济技术研究院,沈阳 110000;国电华研(北

京)电力咨询有限公司,北京 102200;国电华研(北京)电力咨询有限公司,北京102200

【正文语种】中文

【中图分类】TM71

我国能源消费长期以煤炭为主，大规模煤炭直接燃烧造成了严重的大气污染，是雾霾产生的最主要原因。国家发改委、国家能源局发布的《电力发展“十三五”规划》中提出立足能源清洁化发展和大气污染防治，以电能替代散烧煤、燃油为抓手，不断提高电能占终端能源消费比重、可再生能源占电力消费比重及电煤占煤炭消费比重。

然而，基于风、光等可再生能源的新能源发电大量接入给配电网的经济安全运行带来了严峻挑战。因电网潮流倒送导致的节点电压和支路功率越限会限制新能源的消纳能力。此外，电动汽车的充放电功率同样影响着网络潮流的分布情况，随着规模的不断增加将给电网带来不可忽视的影响[1-10]。

网络重构是配电网实现潮流优化的重要手段，通过开关的投切改变配电网网络拓扑结构，进而优化功率分布。然而开关无法实现实时调节，通常需要在长时间尺度下进行优化并确定投切方案。而电动汽车充换电站具备短时间的功率调节能力，可以通过优化充换电功率在短时间尺度优化网络潮流分布。

为了实现两种手段间的协调，最大程度消纳可再生能源，在长时间尺度下（通常为日前）需要综合考虑网络重构方案和充放电功率的优化；而在短时间尺度下（通常为内日）需要在日前确定的调度基础上，根据实际情况对电动汽车充放电功率进行二次优化，实现对新能源出力不确定性的平抑。因此，需要一种能够充分实现二者协调的两阶段优化方法，进一步提高配电网新能源发电的消纳能力。

近年来关于充电站与电网之间关系的研究已有很多，这些主要基于换电模式，将充电站看作负载，用于电网的削峰填谷[11-15]。文献[16-17]以换电站充电功率为控制对象，建立了以平抑负荷波动、电网负荷率和负荷曲线峰谷差为目标函数的调度策略数学模型；文献[18]基于分时电价机制，在满足用户换电需求的约束下，以充电费用及日负荷曲线波动最小为目标函数，建立了两种换电模式下的有序充电优化模型。该模型以各时刻充电站的充电功率为优化对象，未考虑充电站的放电能力；文献[19]以租赁模式下的电动汽车集中充电站为模型，以规划区域内所有集中充电站的整体运营成本最经济为目标函数，优化各时刻各充电桩的充电功率；文献[2]以满足车辆的换电需求为条件，将问题分为换电优化和充电优化两部分，第1部分以充电成本最小为目标，第2部分在第1部分的基础上，以减小充电负荷波动为目标；文献[20]以充电站运营收益最大化为目标，以配电变压器容量及最大限度满足用户充电需求为约束条件，建立了充电站内电动汽车有序充电的数学模型。重构方面，文献[21]以提高分布式电源渗透率为目标，从静态和动态两个方面建立了主动配电网网络重构模型；文献[22]提出了一个多目标的配电网重构模型，以网络损耗最小和分布式电源接入最大为优化目标，优化结果证明了网络重构对于消纳分布式电源的有效性。然而，以上文献大多是将网络重构与电动汽车充放电功率优化分开进行，没有考虑二者的协调，可能造成不必要的弃风弃光。

本文考虑电池组荷电状态的限制和用户需求，提出了一种面向新能源消纳的主动配电网电动汽车充放电功率和网络重构两阶段协调优化调度方法。第1阶段建立日前优化调度模型，以满足电动汽车用户需求为基础，通过协调优化网络中开关的状态以及充电站的充放电功率，获得配电网最优的经济效益，同时提高可再生能源的渗透率；第2阶段以日前调度结果为参考，基于模糊控制建立集中型充电站10 min实时平滑控制策略。模型仿真结果表明，本文所提的两阶段调度策略，能够在满足电动汽车用户需求的同时，充分利用配电网已有的开关设备，实现重构和电

动汽车充放电功率的协调，提高配电网对新能源发电的消纳能力。

1 电动汽车充换电功率和网络重构日前协调优化调度模型

当风机等新能源发电的渗透率较高时，可能出现电压越上限的情况，传统的解决方法是通过弃风来保证系统的安全性。在本文中，日前调度阶段以新能源出力和电动汽车用户需求预测值为基础，在满足电动汽车用户需求的前提下，通过对网络中开关的状态以及充电站充放电功率的协调优化，获得配电网最优的经济效益，同时提高可再生能源的渗透率，减少弃风现象，保证系统的经济性与安全性。

1.1 目标函数

日前调度目标函数包含两部分内容：系统中弃风功率最小以及网络损耗最小，分别表示为

式中：ΔPws(t)为配电网t时刻的弃风功率；L为网络中的支路总数；Pj和Qj分别为流过支路j的有功功率和无功功率；Rj为支路j的支路电阻；vj为支路j的末端电压；Δt为单位时间，本文取1 h。

1.2 约束条件

集中型充电站实现充电调度的约束条件主要包括充放电功率最大、最小限度、站内电池电量及调度周期结束时需满足的电动汽车用户需求三方面。另外也要满足潮流约束条件以及重构的约束条件。

（1）充放电功率约束：为保护集中型充电站充电桩和电池，不能以任意功率进行充放电，需对充放电功率加以限制，任意时刻的充放电功率均不能超过其允许充放电的限度，即

式中：分别为集中型充电站最小、最大充电功率；分别为集中型充电站最小、最大放电功率。