配電網電動汽車協調有序充電調度策略研究

李書雄，林明星，余興祥

(四川省電力公司甘孜公司，四川 康定 626300)

0 引言

近年來，全球對節能減排的關注顯著提升，對清潔能源的越來越重視。傳統的燃料汽車不僅大量消耗著日益減少、存量有限的化石燃料，并且排放大量的溫室氣體，從而對全球的環境和氣候造成極大的負面影響。在此背景下，電動汽車成為當今汽車發展的必然趨勢。其中，對電動汽車充電方式的研究是其中一個重要的課題［1，2］。

目前，國內外均采用非協調性無序充電方式對電動汽車進行充電，每輛電動汽車的充電曲線都是由各自的使用者決定的，使用者可以決定自己汽車充電的時間和功率。該充電方式沒有使電網的利用達到最優化，電網的功率損耗和電能質量都有很大的提升空間，并且在該無序充電方式下，進一步加大了電網負荷峰谷差。

針對以上問題，國內外學者作了一定研究。文獻［3］提出了一種平滑等效負荷波動的有序充電方式，但未考慮涉及對整個配電網損耗等方面的影響;文獻［4］建立了一種考慮功率損耗的協調性充電方式，但僅從定性上進行了分析;文獻［5］詳細分析了協調性充電方式對電網損耗、電壓偏移等的影響，建立了一種提高配電網電能質量的充電方式，但未考慮對系統等效負荷峰谷差帶來的巨大影響。

綜上問題和研究，分析了一種新的電動汽車充電方式——協調性充電調度策略。該充電方式從經濟性和安全性兩方面出發，使汽車的充電和電網的利用達到最優，從而使網絡的功率損耗降到最小，同時減小等效負荷峰谷差。最后，通過IEEE標準配電網33母線測試系統驗證了該模型的有效性。

1 電動汽車對配電網的影響

電動汽車在充電時會消耗大量電能，從而大大增加峰值負荷，對電網造成不利的影響。電動汽車的充電地點主要有三個:其一是加油站，其二是停車場，最后一個是車主的家中。這里討論的情況主要是電動汽車的集聚效應，也即所有電動汽車被安排在充電站進行充電。從配電網運行者的角度考慮，電動汽車充電時電網的功率損耗關系到經濟收益，因此，應該使電網的功率損耗減小到最小。另外，電動汽車充電時會造成負荷大量增加，因此，避免變壓器和饋線的過負荷也是必須考慮的問題。在電動汽車充電期間，除了功率損耗之外，電能質量(包括電壓分布、電力電量不平衡、諧波等問題)以及等效負荷峰谷差也是配電網運行者和用戶關心的重要問題。過大的電壓偏移以及峰谷差會使電力系統的可靠性受到威脅。

在深夜讓電動汽車充電能夠增加基荷發電站的負荷，也能平滑日負荷曲線，并且避免發電機的啟動，從而提高整體能效。如果讓車主完全按照自己的意愿給電動汽車充電，隨意地確定充電時間和充電功率，且配電網運行者不對所有電動汽車的充電時間和充電功率加以協調，那么配電網將會受到極大的影響。因為，如果不經過協調，大量電動汽車可能集中在同一時間段進行充電，造成該時段峰值負荷大大增加，從而增加功率損耗，加劇電壓偏移，降低配電網運行的經濟性與可靠性。

2 協調性有序充電方式優化模型

2.1 協調性有序充電方式基本原理

在協調性有序充電方式下，電動汽車使用者不能控制汽車的充電功率隨時間變化的曲線，汽車的充電調度策略曲線由配電網中一個專門的控制系統來控制。這個控制系統的控制目標是使配電網的功率損耗以及負荷峰谷差最小，該系統的控制依據是根據最優化方法計算出的各個汽車最優充電功率隨時間變化的曲線。在該協調性充電方式下，各個充電動力汽車之間存在著某種程度上的配合關系，它們的配合使配電網中的功率損耗最小，進而使電能質量得到相應提高，同時降低了系統等效負荷峰谷差。

2.2 電動汽車充電負荷模型

集中研究電動汽車充電的集群效應，即大量電動汽車在充電站接入后對配電網的影響，假設每輛電動汽車充電時間服從正態分布，且不受其他電動汽車影響，相互獨立，因此采用蒙特卡洛模擬方法來研究電動汽車的充電行為。設第t時段第k輛電動汽車的充電功率為Pk，則總的充電功率為

式中，Pt為第t時段總的充電功率;k為電動汽車編號;t為時段編號;N為電動汽車總量。

2.3 目標函數

由第1節知，該協調性充電方式從經濟性和安全性兩個方面來進行整個配電網的優化，經濟性體現在系統網損方面，安全性體現在等效負荷峰谷差方面。因此，優化目標為配電網功率損耗以及等效負荷的方差最小。目標函數為

其中，f1、f2分別為網損和等效負荷峰谷差目標函數;T、N分別為優化時段數和系統節點數;Ui，t為節點 i第 t時段的節點電壓;θij，t為節點 i、j的相角差;Pi，t、Pi，tload為節點i第t時段的充電功率和負荷功率;μ為所有時段電網等效負荷的平均值。即

另外，由于上述兩個目標函數的量綱不同，在計算過程中采用自適應權重法，并結合式(2)和式(3)，將其歸一轉為單目標函數，得到如下形式。

式中，λ1、λ2為網損和等效負荷方差目標函數的權重系數。

2.4 約束條件

(1)充電功率約束

Pi，min、Pi，max分別為節點 i的充電器功率最小、最大限制;Ii為節點狀態量，當節點n有充電器時，其值為1，否則其值為0。

(2)電池容量約束

式中，Ci，min、Ci，max為電動汽車電池電量的上下限;Ci，start為電動汽車充電初始時刻電量;η為充電效率;Δt為時間間隔。式(7)和式(8)表示電量不能超過最大容量限值，也不能低于用戶的最小電量需求。式(9)表示若用戶要求一次性在規定時間內充滿電的約束式。

(3)網絡安全約束

式中，Ui，min、Ui，max、Pij，min、Pij，max分別為節點電壓和支路功率的上下限。

2.5 算法求解

針對上述所建模型，采用普遍應用的遺傳算法進行求解。

(1)編碼。選取各節點每個時段電動汽車充電功率作為染色體個體，進行編碼。

(2)適應度函數。按照遺傳算法適應度函數要求，需要將目標函數轉化為最大值問題，因此結合式(5)，構造適應度函數f'。

(3)遺傳操作。根據種群個體適應值，并結合潮流約束條件滿足情況，執行相應遺傳操作(選擇、變異和交叉)。由適應度函數知，f1、f2越小，對應的適應度函數值越大，相應個體被選擇的概率越高。同時，采用較高個體適應度的單點交叉作為交叉算子。由于遺傳操作(選擇、交叉和變異)具有隨機性，為了防止最優解在進化過程中被破壞，采取最優保留策略，直接復制到下一代，從而提高了算法收斂的可靠性。

(4)算法流程。根據上述循環迭代過程可得協調性有序充電結果，具體流程如圖1。

3 算例分析

3.1 模型參數與假設

這里λ1=λ2=0.5，采用IEEE配電網33母線系統進行算例分析，如圖2，該母線系統是一個住戶型的輻射配電網絡，節點與支路參數見文獻［3，7］。線路阻抗的大小是根據能承受的電壓偏移和網絡功率損耗而確定的。隨機選取這些節點中的其中一些節點，作為電動汽車的充電節點。根據統計選擇三個重要的充電時段。第一個充電時段是用電高峰期(18:00～22:00)，該充電時間段和晚間的峰值負荷發生的時間段是一致的。第二個充電時段是在傍晚和夜里(23:00～6:00)，該時段大多數電動汽車都在家里，更愿意在此時段充電，進而降低充電費用，并且電網負荷處于低谷階段。第三個充電時時段是上班時段(7:00～17:00)，該時段通常在城市地區的小型辦公室內充電。

圖1 算法流程圖

對于電網負荷，從某地區的居民配電網歷史數據中，選取一系列負荷曲線，將選取的大量日負荷曲線分為兩組，一組是冬季用電負荷曲線，另一組是夏季用電負荷曲線。圖3為冬季某一天單戶家庭的日負荷曲線。

圖2 IEEE 33母線系統結構圖

圖3 冬季家庭日負荷曲線圖

3.2 模型結果

算例分析了電動汽車不同接入比例下(10%、20%和30%)的系統網絡損耗、電壓偏移以及對等效負荷的影響。表1、表2分別為各充電時段在不同電動汽車接入比例下的系統網損和電壓偏移。

表1 協調性有序充電方式下網絡功率損耗占總功率的比例

從表1數據可以看出，隨著電動汽車接入比例的增大，配電網功率損耗也隨之增大，這是由于電動汽車比例增大時，意味著整個配電網網絡的總負荷增加，進而導致整個配電網網絡的功率損耗也會隨之增加。

表2 協調性有序充電方式下配電網最大電壓偏移

根據表2分析可得，協調性充電方式下，當電動汽車的比例為0%時，和電動汽車的比例為10%的電壓偏移的差別不大。出現這種現象的原因是，當電動汽車的比例為0%時，最大電壓偏移出現在家庭負荷的高峰時段。當電動汽車的比例為10%時，由于采用了協調性充電方式，汽車幾乎都能被安排到家庭負荷的非高峰時段。這樣，電動汽車的充電幾乎不會明顯增加高峰時段的負荷量，因此，電壓偏移程度只比電動汽車比例為0%時略微高一些。當電動汽車的比例為20%時，由于充電的汽車數量增多，汽車充電時間的分布性就更強。于是，被安排到高峰時期充電的汽車數量高于比例為0%時的情況，因而增加了高峰時期的總負荷，所以電壓偏移比起比例為0%、10%時的程度高。同樣的道理，當電動汽車比例為30%時，最大電壓偏移的值比起0%、10%、20%都有所增高。

系統冬季某天各時段充電負荷和等效負荷曲線如圖4。

圖4 協調性有序充電方式下等效負荷

3.3 模型對比分析

采用傳統的非協調性自由充電模式進行算例對比分析。表3和表4為非協調性充電方式下的系統網損和電壓偏移。

表3 非協調性無序充電方式下網絡功率損耗占總功率的比例

表4 非協調性無序充電方式下配電網最大電壓偏移

由上表中數據對比分析可得，由于冬季整個配電網網絡負荷高于夏季，功率損耗比夏季整個配電網網絡功率損耗稍高。

圖5 不同充電方式下等效負荷對比

從圖5可以看出:在自由充電模式下，采用蒙特卡洛隨機模擬，車主更多地選擇在上班時間(7:00～17:00)或者用電高峰期(18:00～22:00)進行隨機充電，在該模式下勢必會惡化電網的峰谷差，增加電網的負擔。采用協調性有序充電后，將大量的充電負荷轉移安排在夜間用電低谷時段(即23:00～6:00)，這有效降低了負荷峰谷差，平滑了負荷曲線。

表5 相比自由無序充電協調性有序充電方式下網絡功率損耗減少比例

從表5可知:①沒有電動汽車充電時，協調性充電方式與非協調性充電方式下都不會對配電網的網絡功率損耗造成影響;②不同充電時間段、不同的電動汽車比例的情況下，協調性充電方式比非協調性充電方式的優越性程度不同，也就是說，在不同情況下，協調性充電方式比非協調性方式充電減小的配電網功率損耗的程度不同，隨著電動汽車比例的增加，協調性充電方式比非協調性方式充電的優越性更加顯著，減少的網損更多。因此，采用協調性有序充電方式后，在不同電動汽車接入比例下整個配電網系統網損均有所降低，提高了電網的經濟性。

從表2和表4對比以及圖4可得，在同樣的情況下，電動汽車以協調性充電方式充電比非協調性充電方式充電的電壓偏移量有較大程度的減小。比如，在冬季的18:00～22:00以及23:00～6:00這兩個時段，當電動汽車的比例為30%時，以協調性充電方式充電比以非協調性充電方式充電的電壓偏移小1.3%和1.4%。出現這種現象的原因是，用協調性方式充電，能使各個電動汽車被安排在合理的時間充電，盡量避開高峰負荷，減小高峰負荷的增量，有效降低了負荷峰谷差，從而減小電壓偏移，該充電調度策略降低了電壓偏移，提高了電能質量，避免了無序自由充電下對負荷峰谷差的惡化，提高了電網的安全性。

4 結論

建立了以減小配電網功率損耗和峰谷差為目標的協調性有序充電調度策略。通過配電網33節點系統算例分析表明了該協調性有序充電調度策略能將大量的充電負荷轉移安排在夜間用電低谷時段，有效地平滑了等效負荷曲線，避免了非協調性充電方式下峰值負荷的增加以及電壓偏移的加劇，提高了配電網的安全性。同時，該充電策略降低了配電網功率損耗，提高了整體能效，夜間充電也能有效增加基荷發電站的負荷，提高了系統經濟性。

該充電調度策略需要安裝專門的控制系統，控制系統的安裝會帶來一定的成本，綜合評估成本與整個配電網經濟效益是下一步研究的內容。

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