0 引言

　　規(guī)模化的電動(dòng)汽車[1]（Electric Vehicle，EV）充電負(fù)荷接入配電網(wǎng)[2]后成為電網(wǎng)中的大功率負(fù)荷[3]，將造成電網(wǎng)負(fù)荷的重新分布，從而引起網(wǎng)絡(luò)潮流變化和網(wǎng)損增加，潮流計(jì)算[4]的結(jié)果可以很好地為建設(shè)布局提供可參考數(shù)據(jù)，根據(jù)電網(wǎng)中的負(fù)荷分布情況，計(jì)算規(guī)劃方案中電力系統(tǒng)[5]各節(jié)點(diǎn)的電壓、電流等能否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)規(guī)模化EV充電負(fù)荷，潮流計(jì)算可以分析充電負(fù)荷改變對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響[6]。

　　本文采用牛頓-拉夫遜法[7]，有效解決了由于配網(wǎng)總體的阻抗[8]較大導(dǎo)致的潮流計(jì)算不收斂問題，在典型配電網(wǎng)模型中建立電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型，利用PSASP[9]仿真平臺(tái)計(jì)算了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷接入以后配電網(wǎng)潮流的分布情況，結(jié)合潮流校驗(yàn)[10]，提出了基于潮流計(jì)算且滿足削峰填谷和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度策略，并通過計(jì)算案例對(duì)研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 含EV充電負(fù)荷的配電網(wǎng)潮流計(jì)算

　　1.1 潮流計(jì)算數(shù)學(xué)模型

　　配電網(wǎng)系統(tǒng)的組成部分包括發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路及各類負(fù)荷，結(jié)合配電網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，潮流計(jì)算中通常采用節(jié)點(diǎn)分析法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含4個(gè)變量：有功功率、注入無功功率、節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角。從數(shù)學(xué)理論角度，潮流計(jì)算的實(shí)質(zhì)即求解由各節(jié)點(diǎn)潮流方程構(gòu)成的多元非線性方程組，通過推導(dǎo)得到電力系統(tǒng)潮流方程極坐標(biāo)形式，具體數(shù)學(xué)方程如下：

　　1.2 含EV充電負(fù)荷的潮流計(jì)算

　　本文進(jìn)行潮流計(jì)算時(shí)，將濟(jì)南某智能示范園區(qū)內(nèi)的所有電動(dòng)汽車作為整體考慮。本文以4節(jié)點(diǎn)2機(jī)組系統(tǒng)為例，進(jìn)行含規(guī)模化電動(dòng)汽車的配網(wǎng)潮流計(jì)算，分析充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響，簡(jiǎn)化的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中G1、G2表示發(fā)電機(jī)，Load表示各類負(fù)荷，其中包含EV充電負(fù)荷，編號(hào)1～4表示母線節(jié)點(diǎn)編號(hào)。系統(tǒng)中的線路參數(shù)、發(fā)電機(jī)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷與電壓參數(shù)根據(jù)智能園區(qū)配電網(wǎng)的實(shí)際參數(shù)錄入。

　　本文利用PSASP，根據(jù)EV充電行為及充電負(fù)荷大小，分3種情形：(1)智能園區(qū)所有電動(dòng)汽車同時(shí)在節(jié)點(diǎn)3所在配網(wǎng)區(qū)充電；(2)智能園區(qū)所有電動(dòng)汽車同時(shí)在節(jié)點(diǎn)2所在配網(wǎng)區(qū)充電；(3)智能園區(qū)一部分的電動(dòng)汽車在節(jié)點(diǎn)2所在配網(wǎng)區(qū)充電，另一部分的電動(dòng)汽車在節(jié)點(diǎn)3所轄區(qū)域充電。經(jīng)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到每種情形下各支路的潮流情況，詳細(xì)潮流計(jì)算結(jié)果見表1。

　　由表1可知，當(dāng)配網(wǎng)中含有一定數(shù)量電動(dòng)汽車充電負(fù)荷時(shí)，充電負(fù)荷對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行帶來巨大沖擊，可能造成配網(wǎng)因線路傳輸容量不足造成的系統(tǒng)崩塌。但是，若能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車的充電行為加以控制，對(duì)電網(wǎng)造成的影響會(huì)小得多。如采用合理引導(dǎo)措施，可以減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊，甚至對(duì)原有電網(wǎng)有一定改善。因此需要引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶在合理的時(shí)間、合理的地點(diǎn)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行有序充電調(diào)度。

2 基于潮流計(jì)算的EV充電優(yōu)化調(diào)度

　　2.1 EV充電負(fù)荷調(diào)度目標(biāo)

　　為了減小配網(wǎng)負(fù)荷曲線峰谷差值，同時(shí)考慮時(shí)段階梯電價(jià)，降低充電成本，本文構(gòu)建了EV充電負(fù)荷調(diào)度模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見式(3)和式(4)。

　　式(3)中，目標(biāo)函數(shù)F為EV充電功率方差，其中T為充電周期，通常為24 h，Pt為EV充電負(fù)荷t時(shí)刻的充電功率，為周期內(nèi)充電功率平均值，F(xiàn)數(shù)值越小，說明電網(wǎng)峰谷差越小；式(4)中，目標(biāo)函數(shù)COST為一個(gè)充電周期的EV充電成本最小值，本文為保證計(jì)算精度，將24 h分為480個(gè)3 min，St是t時(shí)刻的充電電價(jià)，N為充電站數(shù)量，Pit為t時(shí)刻第i個(gè)充電站的充電功率，Tt+1-Tt表示充電時(shí)間段。

　　2.2 EV充電調(diào)度策略

　　結(jié)合EV充電負(fù)荷調(diào)度模型，本文提出了考慮多目標(biāo)的電動(dòng)汽車有序充電優(yōu)化調(diào)度策略，包含三部分：(1)削峰填谷策略，實(shí)時(shí)監(jiān)視配電網(wǎng)負(fù)荷功率方差，通過合理有序調(diào)整EV充電功率，確保方差在合理區(qū)間；(2)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，以充電成本最小為目標(biāo)，充分考慮電動(dòng)汽車集群空間分布特性，合理制定各電動(dòng)汽車總體充電計(jì)劃；(3)潮流計(jì)算校核，重點(diǎn)監(jiān)視是否存在過載的設(shè)備、節(jié)點(diǎn)電壓是否在合理區(qū)間，確保配電網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

　　2.2.1 削峰填谷策略

　　以削峰填谷為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度，主要目的是通過對(duì)電動(dòng)汽車充電時(shí)段的控制，為了拉平負(fù)荷曲線。

　　(1)區(qū)域服務(wù)網(wǎng)絡(luò)控制

　　削峰填谷的優(yōu)化目標(biāo)為：

　　其中，T為控制時(shí)段數(shù)；plt為第t時(shí)段電網(wǎng)原負(fù)荷功率，prt為第t時(shí)段的儲(chǔ)能部分功率，pct為第t時(shí)段充電部分功率，po為負(fù)荷平均功率。

　　模型約束條件為：

　　①單站傳輸專線的功率約束

　　充電站的傳輸專線容量限制了充電站的最大充電功率，這里假設(shè)充電站數(shù)量為N，則其中單站j站的傳輸功率約束為pjt≤pjlmax。其中，pjt為j充電站t時(shí)刻的充電量，其包括prt、pct兩個(gè)部分；pjlmax為j站的傳輸最大功率。

　　②單站的單時(shí)段充電功率約束

　　單站的單時(shí)段充電功率必須介于單站的最小充電能力與最大充電能力之間，這里，假設(shè)最小充電功率為0，則單站單時(shí)段充電功率約束可以表示為0≤pjt≤pjcmax。其中pjcmax為j站的最大充電功率。

　　利用以上兩式得到單站的每個(gè)時(shí)段充電功率，將該指令下發(fā)給下一級(jí)的充電站，然后下級(jí)充電站得到上級(jí)的指標(biāo)命令后，控制站內(nèi)充電樁進(jìn)行充電。

　　(2)充換電站控制

　　將充電站站內(nèi)有序充電的目標(biāo)定為在第一層調(diào)度所得調(diào)度指令一定偏離范圍內(nèi)充電站充電樁數(shù)量變動(dòng)最小。假設(shè)該充電站內(nèi)共有B類充電樁，此目標(biāo)函數(shù)可以解析表達(dá)為如下的表達(dá)式：

　　式中xkt為類型為k的充電樁t時(shí)段充電樁數(shù)量。

　　2.2.2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略

　　以購電經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度，根據(jù)不同時(shí)段的買電價(jià)格存在差異性，模型的目標(biāo)函數(shù)為使得充電站的購電成本最低，用函數(shù)表達(dá)式可以表達(dá)為：

　　在第一步得到了單站的每個(gè)時(shí)段的充電功率后，與削峰填谷模型相同，將該指令下發(fā)給充電站，指導(dǎo)充電站進(jìn)行有序充電，實(shí)現(xiàn)充電成本最低。

     2.2.3 潮流計(jì)算校核

　　在滿足削峰填谷和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行基礎(chǔ)之上，進(jìn)行含電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的區(qū)域配網(wǎng)潮流計(jì)算，檢查是否存在設(shè)備利用率低或者設(shè)備過載情況、是否存在低電壓、過電壓、諧波等電能質(zhì)量問題，具體潮流計(jì)算及分析過程如上一章所示。

　　2.3 優(yōu)化調(diào)度流程

　　結(jié)合EV充電調(diào)度模型和優(yōu)化調(diào)度策略，本文基于潮流計(jì)算的EV充電優(yōu)化調(diào)度流程如下所示：

　　(1)初始化區(qū)域內(nèi)各母線節(jié)點(diǎn)負(fù)荷曲線、EV充電負(fù)荷、電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)EV充電需求；

　　(2)更新各次循環(huán)后的最優(yōu)調(diào)度配置庫；

　　(3)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配網(wǎng)負(fù)荷曲線、EV充電負(fù)荷曲線，記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以備進(jìn)行充電功率方差計(jì)算；

　　(4)與(3)同步進(jìn)行，結(jié)合時(shí)段階梯電價(jià)，計(jì)算EV充電成本，以備進(jìn)行成本校驗(yàn)；

　　(5)計(jì)算充電功率方差，判斷是否在合理區(qū)間，若在合理區(qū)間，轉(zhuǎn)向步驟(7)，否則給出告警提示(峰谷過大)，適當(dāng)降低EV充電功率；

　　(6)計(jì)算EV充電成本，判斷成本是否降低且在合理區(qū)間，若是，更新EV充電成本數(shù)據(jù)指標(biāo)集合，否則給出告警提示（成本過高），有序安排充電時(shí)間；

　　(7)記錄功率方差最大值時(shí)刻，調(diào)整充電負(fù)荷；

　　(8)潮流計(jì)算校驗(yàn)，對(duì)符合削峰填谷和降低充電成本的策略進(jìn)行校驗(yàn)，檢查是否會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備過載。若存在過載設(shè)備，給出告警提示，否則，更新并保存最優(yōu)調(diào)度配置，不斷優(yōu)化配置庫，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度；

　　(9)周期結(jié)束檢查，若在周期內(nèi)，轉(zhuǎn)向步驟（2），否則結(jié)束流程。具體流程如圖2所示。

3 實(shí)例分析

　　本文實(shí)例以濟(jì)南某電動(dòng)汽車較為集中的智能園區(qū)所在配電網(wǎng)典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)負(fù)荷，仿真實(shí)例中電動(dòng)汽車高滲透率較高，未采用基于潮流計(jì)算的優(yōu)化調(diào)度策略，從而形成了規(guī)模化電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后隨機(jī)充電的負(fù)荷曲線，如圖3所示。

　　圖3中曲線一是電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)后隨機(jī)充電下的電網(wǎng)負(fù)荷曲線，它是由曲線二和曲線三疊加而成，曲線二是配電區(qū)域基礎(chǔ)負(fù)荷曲線(不含電動(dòng)汽車隨機(jī)充電負(fù)荷)，曲線三是電動(dòng)汽車隨機(jī)充電情形下的充電功率曲線。由曲線圖可以看出，隨著電動(dòng)汽車的接入，日最大負(fù)荷從1 031 MW增加到1 181 MW，增長了14.55%，峰谷差從297 MW增加到426 MW，增長了43.43%。可見，無電動(dòng)汽車充電優(yōu)化調(diào)度時(shí)，電動(dòng)汽車的隨機(jī)充電使得電網(wǎng)的峰負(fù)荷和峰谷差都增大了，影響了電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

　　下面采納本文提出的基于潮流校驗(yàn)的優(yōu)化調(diào)度策略，對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷實(shí)施優(yōu)化調(diào)度，執(zhí)行電動(dòng)汽車充電優(yōu)化調(diào)度后的負(fù)荷曲線如圖4所示。

　　由圖4可知，日最大負(fù)荷從1 193 MW減小到1 086 MW，峰谷差從526 MW減小到271 MW。可見，在電動(dòng)汽車充電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度實(shí)施后，峰谷差得到極大的減小，電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)更小，負(fù)荷曲線的平滑性得到了極大的改善。

　　根據(jù)表2的對(duì)比分析，可以看出，在沒有優(yōu)化調(diào)度實(shí)施的情況下，電動(dòng)汽車的無序充電加重了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)；而在實(shí)施了優(yōu)化調(diào)度后，峰負(fù)荷、峰谷差以及電動(dòng)汽車的電費(fèi)得到了大幅的減少。仿真算例結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析顯示：優(yōu)化調(diào)度實(shí)施之后，電網(wǎng)中過載運(yùn)行的電力設(shè)備明細(xì)減少或消除，母線電壓在保持在限值之內(nèi)，可見，潮流校驗(yàn)在電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行中起到了積極有效作用。

4 結(jié)論

　　本文構(gòu)建了含規(guī)模化EV充電負(fù)荷的潮流計(jì)算模型，進(jìn)行了多情形下的潮流計(jì)算，定量分析了電動(dòng)汽車隨機(jī)充電對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行造成的不利影響；深入研究了EV充電調(diào)度策略，對(duì)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行積極探索，結(jié)合潮流校驗(yàn)，提出了基于潮流計(jì)算的EV充電負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度策略，為電動(dòng)汽車快速發(fā)展和電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了理論支撐。

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