基于優(yōu)先權(quán)的電動(dòng)汽車集群充放電優(yōu)化控制策略

張 謙 蔡家佳 劉 超，2 李春燕

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 400044 2.華潤(rùn)置地(重慶)有限公司 重慶 400050)

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基于優(yōu)先權(quán)的電動(dòng)汽車集群充放電優(yōu)化控制策略

張 謙1蔡家佳1劉 超1，2李春燕1

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 400044 2.華潤(rùn)置地(重慶)有限公司 重慶 400050)

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車代理商與電動(dòng)汽車之間的互動(dòng)策略，針對(duì)目前電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)存在的問(wèn)題，計(jì)及電動(dòng)汽車用戶用車便利性，建立了基于優(yōu)先權(quán)的電動(dòng)汽車集群充放電優(yōu)化模型。論文分析了電動(dòng)汽車各項(xiàng)申報(bào)信息對(duì)代理商制定策略的影響，建立電動(dòng)汽車評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以電動(dòng)汽車申報(bào)容量和時(shí)段、誠(chéng)信度及電池?fù)p耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于熵權(quán)法確定電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)。電動(dòng)汽車代理商根據(jù)調(diào)度機(jī)構(gòu)制定的調(diào)度計(jì)劃，確定所轄區(qū)域電動(dòng)汽車具體優(yōu)化調(diào)度方案。通過(guò)算例仿真，表明該方法能夠綜合考慮電動(dòng)汽車多項(xiàng)指標(biāo)對(duì)調(diào)度策略的影響，可有效實(shí)現(xiàn)調(diào)度機(jī)構(gòu)為代理商擬定的調(diào)度計(jì)劃。

電動(dòng)汽車代理商與電動(dòng)汽車互動(dòng) 調(diào)度優(yōu)先權(quán) 最優(yōu)充放電計(jì)劃 控制策略

0 引言

電動(dòng)汽車規(guī)模化應(yīng)用并接入電網(wǎng)必將對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行和控制帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。對(duì)汽車行駛行為模式的研究表明，大多數(shù)家用汽車全年96%左右的時(shí)間處于停駛狀態(tài)[1]。因此，可通過(guò)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)(Vehicle-to-Grid，V2G)技術(shù)[2]來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)雙向互動(dòng)。

為了解決電動(dòng)汽車分布分散、數(shù)量大和管理困難等特點(diǎn)，文獻(xiàn)[3]提出了電動(dòng)汽車集群(Electric Vehicle Aggregator)的概念，也叫電動(dòng)汽車代理商。它是指一定數(shù)量的電動(dòng)汽車的聚集體，具有一定規(guī)模的可調(diào)度負(fù)荷和儲(chǔ)能容量，將成為電動(dòng)汽車充電控制和參與電力市場(chǎng)的重要形式。至此，V2G調(diào)度逐漸由電網(wǎng)直接調(diào)度向分級(jí)調(diào)度轉(zhuǎn)換，其示意圖如圖1所示。其中一級(jí)調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車代理商與電網(wǎng)(Aggregator-to-Grid，A2G)之間的調(diào)度，二級(jí)調(diào)度中心實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電動(dòng)汽車代理商(Vehicle-to-Aggregator，V2A)之間的調(diào)度。

圖1 電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)分級(jí)調(diào)度示意圖Fig.1 Schematic diagram of the V2G hierarchical scheduling

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)V2G調(diào)度問(wèn)題的研究，幾乎都是針對(duì)一級(jí)調(diào)度，且主要集中在以下3方面：①計(jì)及V2G的機(jī)組組合研究。R.J.Bessa等[3]探討了現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)下電動(dòng)汽車并網(wǎng)問(wèn)題，并初步分析了V2G控制下的系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題；A.Y.Saber等[4]構(gòu)建了計(jì)及電動(dòng)汽車充放電行為的機(jī)組組合模型，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和碳排放成本最低，并進(jìn)一步研究了風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電等新能源發(fā)電對(duì)調(diào)度的影響[1，5]；張舒等[6]將電動(dòng)汽車換電站引入傳統(tǒng)機(jī)組組合問(wèn)題中，計(jì)及了換電站的充放電效率、電量平衡和滿足日換電需求的最小儲(chǔ)能等約束，提出換電站與電網(wǎng)互動(dòng)的機(jī)組組合模型。②計(jì)及V2G的輔助服務(wù)研究。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出力，提供調(diào)頻、調(diào)峰及備用等輔助服務(wù)，而通過(guò)V2G控制也可達(dá)到相同效果，甚至更優(yōu)[7，8]。③V2G與可再生能源協(xié)同調(diào)度研究。通過(guò)充電控制，實(shí)現(xiàn)充電負(fù)荷對(duì)可再生能源出力變化的跟蹤，平抑可再生能源波動(dòng)并促進(jìn)電網(wǎng)對(duì)其的消納[5，9，10]。H.Lund等[11]認(rèn)為利用V2G技術(shù)可靈活地安排電動(dòng)汽車的充電時(shí)間，使其與風(fēng)能和太陽(yáng)能等潔凈能源供電的隨機(jī)性對(duì)應(yīng)，以此避免潔凈能源的浪費(fèi)。

上述研究?jī)H給出電動(dòng)汽車總體的充放電安排，尚未將控制分解到每輛電動(dòng)汽車[12]。實(shí)際上，每輛電動(dòng)汽車申報(bào)的可調(diào)度時(shí)段和容量不盡相同，如不采取適當(dāng)控制策略，可能出現(xiàn)部分電動(dòng)汽車在可調(diào)度時(shí)段并未參與調(diào)度，或電動(dòng)汽車在部分時(shí)段集中調(diào)度，而其他時(shí)段出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象。故必須進(jìn)一步研究電動(dòng)汽車集群的充放電優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，確定各電動(dòng)汽車最優(yōu)充放電時(shí)段，使電動(dòng)汽車可用容量得到更加充分合理的利用，才能有效實(shí)現(xiàn)V2G調(diào)度。

此外，目前的研究通常主觀假定調(diào)度模型中V2G的可用容量為固定值，并能夠滿足調(diào)度需求[13，14]，且大多是以對(duì)電動(dòng)汽車的直接調(diào)度為基本假設(shè)，認(rèn)為調(diào)度人員在電動(dòng)汽車申報(bào)可調(diào)度時(shí)段內(nèi)可完全控制其充放電過(guò)程，未考慮電動(dòng)汽車的隨機(jī)性。考慮到電動(dòng)汽車作為交通工具的主要特性，即電動(dòng)汽車用戶可能違背申報(bào)計(jì)劃，突然接入或脫離電網(wǎng)，這將影響可調(diào)度容量，甚至導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而目前的調(diào)度模型均未考慮該問(wèn)題。

本文在文獻(xiàn)[15]所建一級(jí)調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，計(jì)及電動(dòng)汽車用戶用車便利性，建立基于優(yōu)先權(quán)的電動(dòng)汽車集群充放電優(yōu)化模型。通過(guò)分析電動(dòng)汽車各項(xiàng)申報(bào)信息對(duì)代理商制定策略的影響，建立電動(dòng)汽車評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以電動(dòng)汽車申報(bào)容量和時(shí)段、誠(chéng)信度及電池?fù)p耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于熵權(quán)法確定電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)，從而得到電動(dòng)汽車代理商所轄區(qū)域電動(dòng)汽車集群充放電的優(yōu)化控制策略。最后，通過(guò)微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)本論文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 調(diào)度策略分析

1.1 影響調(diào)度的因素

電動(dòng)汽車用戶申報(bào)互動(dòng)計(jì)劃時(shí)，需要設(shè)定接入及離開電網(wǎng)的時(shí)間、離開電網(wǎng)時(shí)電池SOC上下限和申報(bào)狀態(tài)及相應(yīng)時(shí)段。理論上，電動(dòng)汽車在任意時(shí)段可能既申報(bào)充電計(jì)劃，也申報(bào)放電計(jì)劃。但實(shí)際上電動(dòng)汽車是根據(jù)電網(wǎng)需求申報(bào)計(jì)劃，而在某一時(shí)段，電網(wǎng)僅需要參與互動(dòng)的電動(dòng)汽車群充電或者放電。因此，本文假設(shè)單輛電動(dòng)汽車在每個(gè)時(shí)段的申報(bào)狀態(tài)只能是充電或放電中一種，但在接入電網(wǎng)的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)可申報(bào)不同狀態(tài)，且不要求每個(gè)時(shí)段均申報(bào)互動(dòng)計(jì)劃。計(jì)及電動(dòng)汽車用戶用車便利性，電動(dòng)汽車可出現(xiàn)多次接入和離開電網(wǎng)的情況，申報(bào)計(jì)劃時(shí)需設(shè)定每次的互動(dòng)信息。

根據(jù)以上信息，可得到該電動(dòng)汽車的可調(diào)度時(shí)段和可調(diào)度容量(對(duì)于充電計(jì)劃，為用戶設(shè)定電量上限與剩余電量的差值；對(duì)于放電計(jì)劃，為剩余電量與用戶設(shè)定電量下限的差值)。其中，電量上下限可根據(jù)電動(dòng)汽車用戶所設(shè)定的離開電網(wǎng)時(shí)電池SOC上下限及電動(dòng)汽車的電池容量計(jì)算得到。電動(dòng)汽車代理商接收的信息還應(yīng)包括電動(dòng)汽車電池?fù)p耗(與電池壽命相關(guān)，隨著電池?fù)p耗增加，可調(diào)度電量降低)。在申報(bào)可調(diào)度時(shí)段內(nèi)，用戶需接入電網(wǎng)以供調(diào)度。電動(dòng)汽車代理商應(yīng)建立每輛電動(dòng)汽車的歷史互動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，包含每輛電動(dòng)汽車的歷史申報(bào)可調(diào)度時(shí)段、可調(diào)度容量及歷史實(shí)際被調(diào)度情況。

針對(duì)電動(dòng)汽車用戶用車便利性問(wèn)題，本文中基于模糊數(shù)學(xué)理論，將“誠(chéng)信度”引入可調(diào)度容量計(jì)算，定義電動(dòng)汽車用戶參與調(diào)度的“誠(chéng)信”為其模糊集，δ(x)表示其隸屬函數(shù)。若電動(dòng)汽車按申報(bào)計(jì)劃接入和離開電網(wǎng)，則電動(dòng)汽車誠(chéng)信隸屬度(以下簡(jiǎn)稱誠(chéng)信度)為1；若電動(dòng)汽車在計(jì)劃外突然接入或突然脫離電網(wǎng)，設(shè)定其隸屬度函數(shù)δ(x)為申報(bào)容量與計(jì)劃外容量(脫離電網(wǎng)缺失的可用容量)之差與其申報(bào)容量的比值。定義用戶誠(chéng)信度為

(1)

根據(jù)電動(dòng)汽車誠(chéng)信度，將電動(dòng)汽車申報(bào)容量按照一定的規(guī)則計(jì)入電動(dòng)汽車代理商的可用容量，如圖2所示，其中ρ為用戶誠(chéng)信度。誠(chéng)信度很高時(shí)(大于ρ2)，申報(bào)容量全部計(jì)入可用容量；誠(chéng)信度過(guò)低時(shí)(小于ρ1)，申報(bào)容量不計(jì)入可用容量；其他情況下(誠(chéng)信度位于區(qū)間[ρ1，ρ2])，申報(bào)容量按誠(chéng)信度比例計(jì)入可用容量。

圖2 用戶申報(bào)容量計(jì)入可用容量規(guī)則Fig.2 Estimated principles of available capacity

1.2 電動(dòng)汽車集群調(diào)度策略

對(duì)于某一時(shí)段而言，每輛電動(dòng)汽車只能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷或出力中一種狀態(tài)。電動(dòng)汽車代理商統(tǒng)計(jì)分析用戶信息后，根據(jù)電動(dòng)汽車誠(chéng)信度、可調(diào)度時(shí)段、可調(diào)度容量和電池?fù)p耗等確定各電動(dòng)汽車的調(diào)度優(yōu)先權(quán)，并據(jù)此將電動(dòng)汽車分為優(yōu)先調(diào)度、備用調(diào)度和不調(diào)度3類，如圖3所示。電動(dòng)汽車代理商向優(yōu)先調(diào)度類電動(dòng)汽車發(fā)送調(diào)度指令，制定電動(dòng)汽車最優(yōu)充放電計(jì)劃，容量需求不足時(shí)調(diào)用備用調(diào)度的電動(dòng)汽車，而優(yōu)先權(quán)較低的電動(dòng)汽車暫不參與調(diào)度。

圖3 電動(dòng)汽車優(yōu)先權(quán)調(diào)度方案Fig.3 Priority scheduling scheme for electric vehicles

電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)與該電動(dòng)汽車的剩余調(diào)度容量及剩余可調(diào)度時(shí)段相關(guān)，因此對(duì)于多時(shí)段而言，某時(shí)段的調(diào)度計(jì)劃將會(huì)影響電動(dòng)汽車下一時(shí)段的調(diào)度優(yōu)先權(quán)。一級(jí)調(diào)度仍采用文獻(xiàn)[15]中的前提條件及方法，將電動(dòng)汽車成本分成可調(diào)度容量補(bǔ)償成本、實(shí)際調(diào)度電量補(bǔ)償成本和電池?fù)p耗補(bǔ)償成本3部分。綜合以上信息，二級(jí)調(diào)度策略即為：根據(jù)電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)排序，以一定裕度將調(diào)度優(yōu)先權(quán)高的列入調(diào)度計(jì)劃，電動(dòng)汽車代理商從中選取足夠數(shù)量的電動(dòng)汽車參與互動(dòng)計(jì)劃。

這里考慮電動(dòng)汽車調(diào)度容量裕度，是為了防止出現(xiàn)電動(dòng)汽車用戶因故用車而違背計(jì)劃，造成調(diào)度容量不足的情況。容量裕度的取值要適當(dāng)，過(guò)大將造成容量補(bǔ)償成本較高；過(guò)小可能造成容量不足而導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃無(wú)法實(shí)施。其值的設(shè)定主要與電動(dòng)汽車用戶整體誠(chéng)信度相關(guān)，當(dāng)用戶整體誠(chéng)信度較高時(shí)，容量裕度可取較低值；當(dāng)用戶整體誠(chéng)信度較低時(shí)，可取較高值。本文容量裕度取值范圍為10%～30%，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2 調(diào)度優(yōu)先權(quán)的確定

2.1 優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法

在評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)之前，需要對(duì)電動(dòng)汽車用戶申報(bào)信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。常用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法[16]可分為直線型(極值法和標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法)、折線型和曲線型(半升Γ型分布和半正態(tài)型分布)幾類。通常為了遵循簡(jiǎn)單易行原則，盡量使用直線型標(biāo)準(zhǔn)化處理公式，常用公式為

(2)

式中：xij為第i個(gè)對(duì)象(本文指各電動(dòng)汽車)第j項(xiàng)指標(biāo)；max和min為所有對(duì)象同一指標(biāo)的最大值和最小值；dij為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)。前者適用于正向指標(biāo)，后者則適用于逆向指標(biāo)，逆向指標(biāo)也可轉(zhuǎn)換為正向指標(biāo)。

2.2 優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

需要標(biāo)準(zhǔn)化處理的指標(biāo)包括用戶誠(chéng)信度、電動(dòng)汽車可用容量、可用時(shí)段及電池?fù)p耗。用戶初始申報(bào)可用容量應(yīng)不高于申報(bào)可調(diào)度時(shí)段內(nèi)最大可調(diào)用容量(即申報(bào)時(shí)段內(nèi)額定功率下的容量)。

對(duì)于電動(dòng)汽車誠(chéng)信度指標(biāo)，如果從調(diào)度機(jī)構(gòu)方便性的角度考慮，誠(chéng)信度越高越優(yōu)先調(diào)度，可避免多次修改調(diào)度計(jì)劃。不過(guò)隨之產(chǎn)生的問(wèn)題也不容忽視，假如誠(chéng)信度較高的電動(dòng)汽車在調(diào)度周期前面部分時(shí)段集中調(diào)度，勢(shì)必造成其他時(shí)段可能出現(xiàn)誠(chéng)信度總體偏低情況，這將增加電動(dòng)汽車代理商無(wú)法順利完成調(diào)度計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)。這里給出兩種處理方式：

1)申報(bào)計(jì)劃內(nèi)電動(dòng)汽車規(guī)模較小時(shí)，為了調(diào)度策略穩(wěn)定性，確保可調(diào)度容量足夠大，用戶誠(chéng)信度為逆向指標(biāo)，越小越好。

2)當(dāng)申報(bào)計(jì)劃內(nèi)電動(dòng)汽車數(shù)量足夠多時(shí)，為了代理商控制便利性，用戶誠(chéng)信度為正向指標(biāo)。

對(duì)于電動(dòng)汽車電池?fù)p耗參數(shù)，由于電池?fù)p耗越大對(duì)實(shí)際可調(diào)度的容量影響越大，對(duì)電能傳輸效率也有影響，因而電池?fù)p耗越小越好。

對(duì)于電動(dòng)汽車可調(diào)用容量和時(shí)段，不能直接采用上述公式進(jìn)行處理，原因如下：假定有兩輛電動(dòng)汽車，A車申報(bào)容量可供調(diào)度5個(gè)時(shí)段，且申報(bào)可調(diào)度時(shí)段數(shù)為5；B車申報(bào)容量可供調(diào)度1個(gè)時(shí)段，且申報(bào)可調(diào)度時(shí)段數(shù)為1；若直接采用式(2)處理這兩項(xiàng)指標(biāo)，在不考慮其他指標(biāo)的情況下，則會(huì)造成兩車的調(diào)度優(yōu)先權(quán)相差較大。而實(shí)際上，以資源充分利用為原則，兩車被調(diào)度的迫切程度相等，調(diào)度優(yōu)先權(quán)也應(yīng)該相等。顯然，這兩項(xiàng)指標(biāo)有一定聯(lián)系，因此對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)需要先進(jìn)行一定轉(zhuǎn)換。

定義1 可用容量比φS為電動(dòng)汽車剩余可用容量與剩余可調(diào)度時(shí)段內(nèi)至多調(diào)用容量的比值，反映了電動(dòng)汽車剩余可用電能在剩余申報(bào)時(shí)段內(nèi)被調(diào)用的迫切程度。當(dāng)剩余可用容量比剩余時(shí)段至多調(diào)度容量大時(shí)，可調(diào)度容量比取值1，可表示為

(3)

式中：S0和H0分別為電動(dòng)汽車初始可用容量和時(shí)段數(shù)；S1和H1分別為電動(dòng)汽車已被調(diào)用容量和已過(guò)去時(shí)段數(shù)；P為電動(dòng)汽車充/放功率。

定義2 可用時(shí)段比φT為電動(dòng)汽車剩余可調(diào)度時(shí)段數(shù)與剩余可調(diào)度容量至多調(diào)用時(shí)段數(shù)的比值，反映了電動(dòng)汽車剩余申報(bào)時(shí)段內(nèi)完成剩余申報(bào)容量的程度，且可用時(shí)段比取值不小于1，即

(4)

可以看出，φS和φT呈反比關(guān)系，因此只需要關(guān)心其中一項(xiàng)即可，本文以可用容量比為指標(biāo)。可用容量比越大電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)越高。

綜上所述，建立如下優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系：電池?fù)p耗程度為逆向指標(biāo)，即電池?fù)p耗程度越小越優(yōu)先調(diào)度；可用容量比為正向指標(biāo)，即可用容量比越大越優(yōu)先調(diào)度；可用時(shí)段比為逆向指標(biāo)，即可用時(shí)段比越小越優(yōu)先調(diào)度；用戶誠(chéng)信度為正向指標(biāo)，即誠(chéng)信度越大越優(yōu)先調(diào)度。

2.3 優(yōu)先權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法的確定

電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)是多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題的關(guān)鍵是如何確定各指標(biāo)的權(quán)重。本文在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重。第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵Ej為

(5)

計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重wj為

(6)

對(duì)各電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為

(7)

3 電動(dòng)汽車集群充放電計(jì)劃優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

為了能夠滿足電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)給定的調(diào)度計(jì)劃，電動(dòng)汽車代理商通過(guò)控制所管轄區(qū)域電動(dòng)汽車充放電狀態(tài)，使其實(shí)際負(fù)荷/出力匹配調(diào)度機(jī)構(gòu)給定的計(jì)劃。因此，模型目標(biāo)函數(shù)為各電動(dòng)汽車代理商管轄區(qū)域電動(dòng)汽車在各時(shí)段總充放電功率與調(diào)度機(jī)構(gòu)給定調(diào)度計(jì)劃的最小差方和。對(duì)于第m個(gè)電動(dòng)汽車代理商，其目標(biāo)函數(shù)可表示為

(8)

式中：Pm,n(t)為時(shí)段t電動(dòng)汽車代理商m下第n輛電動(dòng)汽車的實(shí)際功率；Nk,m(t)為未考慮容量裕度時(shí)代理商m時(shí)段t調(diào)度電動(dòng)汽車總數(shù)；Pv,m(t)為調(diào)度機(jī)構(gòu)給定的時(shí)段t時(shí)第m個(gè)代理商的調(diào)度計(jì)劃。

除了滿足電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)為代理商制定的計(jì)劃外，應(yīng)當(dāng)在計(jì)及電動(dòng)汽車備用裕度后，調(diào)度可靠性(即為電動(dòng)汽車代理商調(diào)度計(jì)劃成功實(shí)施的概率)最高，因此，除了式(8)外，目標(biāo)函數(shù)還應(yīng)有

maxfreliability(t)=

(9)

式中：Nr,m(t)為考慮調(diào)度裕度時(shí)代理商m時(shí)段t的電動(dòng)汽車需求量；i1,i2,…,iq為集合{1,2,…,nv(t)}中q個(gè)元素的組合，nv(t)為時(shí)段t含備用調(diào)度電動(dòng)汽車的數(shù)量；pi0，pi1，…,pi1分別為編號(hào)i1,i2,…,iq的電動(dòng)汽車用戶誠(chéng)信度，且q=Nr,m(t)-Nk,m(t)。

3.2 約束條件

1)充/放電數(shù)量約束。

由于電動(dòng)汽車在每個(gè)時(shí)段的申報(bào)狀態(tài)只能是充電或放電中一種，每個(gè)代理商所轄區(qū)域申報(bào)充電計(jì)劃或放電計(jì)劃的電動(dòng)汽車總數(shù)量一定。電動(dòng)汽車代理商實(shí)際需要調(diào)度的電動(dòng)汽車數(shù)量與申報(bào)計(jì)劃的電動(dòng)汽車數(shù)量滿足如下關(guān)系

(10)

2)容量約束。

每個(gè)電動(dòng)汽車代理商所轄區(qū)域可調(diào)度的電動(dòng)汽車容量也有限，因此

(11)

3)可調(diào)度總量約束。

由于代理商所轄區(qū)域的電動(dòng)汽車總量也有限，每個(gè)代理商所能調(diào)度的電動(dòng)汽車總量有上限，即

(12)

考慮裕度時(shí)電動(dòng)汽車數(shù)量為

nrc,m(t)=γnc,m(t)，nrdc,m(t)=γndc,m(t)

(13)

式中：nrc,m(t)和nrdc,m(t)分別為考慮裕度時(shí)時(shí)段t電動(dòng)汽車代理商m下制定充電計(jì)劃和放電計(jì)劃的電動(dòng)汽車需求量；γ為裕度。

4 算例分析

以4節(jié)點(diǎn)2機(jī)組系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)見附錄。各節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷如附表4所示，各節(jié)點(diǎn)無(wú)功負(fù)荷分別為0.199Mvar、0.235Mvar、0.194Mvar和0.158Mvar。假設(shè)參與互動(dòng)的電動(dòng)汽車總數(shù)為150輛，可以在節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3所代表的電動(dòng)汽車代理商所轄區(qū)域充放電，且每個(gè)代理商的電動(dòng)汽車數(shù)量不超過(guò)總量的70%。

以節(jié)點(diǎn)2為例，通過(guò)文獻(xiàn)[15]中的模型，可計(jì)算得到代理商2的調(diào)度優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)2一級(jí)調(diào)度優(yōu)化結(jié)果

選取時(shí)段9～時(shí)段11三個(gè)負(fù)荷高峰時(shí)段，采用本文提出的控制策略進(jìn)行二級(jí)調(diào)度優(yōu)化。假設(shè)代理商2所轄區(qū)域內(nèi)申報(bào)供電的電動(dòng)汽車總數(shù)量為20輛，其申報(bào)信息及歷史互動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電動(dòng)汽車申報(bào)信息及歷史互動(dòng)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)及式(2)～式(4)可以得到各電動(dòng)汽車指標(biāo)，其中F1為可用容量比，F(xiàn)2為誠(chéng)信度，F(xiàn)3為電池?fù)p耗。時(shí)段9電動(dòng)汽車指標(biāo)數(shù)值如表3所示，其中“—”表示未申報(bào)計(jì)劃。時(shí)段10和時(shí)段11的指標(biāo)數(shù)值也可用同樣方法獲得。

表3 時(shí)段9各電動(dòng)汽車指標(biāo)

對(duì)于每個(gè)時(shí)段，僅對(duì)計(jì)劃內(nèi)(申報(bào)了該時(shí)段互動(dòng)計(jì)劃且有剩余可調(diào)度容量)的電動(dòng)汽車確定調(diào)度優(yōu)先權(quán)，各電動(dòng)汽車指標(biāo)根據(jù)式(2)標(biāo)準(zhǔn)化之后的決策矩陣結(jié)果見表4，其中“—”表示未在計(jì)劃內(nèi)。

表4 時(shí)段9初始決策矩陣標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表

根據(jù)式(5)和式(6)得到各指標(biāo)信息熵Ej和權(quán)重wj如表5所示。

表5 時(shí)段9各指標(biāo)信息熵和權(quán)重

根據(jù)式(7)即可得到各電動(dòng)汽車優(yōu)先調(diào)度權(quán)并排序，各時(shí)段根據(jù)優(yōu)先權(quán)由高到低依次調(diào)度，代理商各電動(dòng)汽車優(yōu)先權(quán)及排序如表6所示。用前述調(diào)度策略進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)不考慮備用時(shí)，只需根據(jù)目標(biāo)函數(shù)式(8)的結(jié)果確定調(diào)度計(jì)劃具體控制電動(dòng)汽車的充放電行為，9、10、11三個(gè)時(shí)段電動(dòng)汽車調(diào)度計(jì)劃見表7。其中1表示被調(diào)度，0表示未被調(diào)度，“—”表示未申報(bào)該時(shí)段調(diào)度計(jì)劃，T1、T2和T3分別代表9、10、11三個(gè)時(shí)段。

表8分析了各電動(dòng)汽車的申報(bào)容量及被調(diào)度情況，其中S0為申報(bào)容量，S1為調(diào)度容量。

對(duì)比表2中電動(dòng)汽車申報(bào)信息，可發(fā)現(xiàn)完全未被調(diào)用的電動(dòng)汽車(編號(hào)為3、5、7、9、10)至少有兩項(xiàng)指標(biāo)偏低，且除電動(dòng)汽車9外，其余誠(chéng)信度均未超過(guò)0.5，電池?fù)p耗均在10%以上；未完全被調(diào)用的電動(dòng)汽車(編號(hào)為15、17、18、19)有一項(xiàng)或以上指標(biāo)較差，影響了綜合評(píng)價(jià)值；完全被調(diào)用的電動(dòng)汽車各項(xiàng)指標(biāo)較好且較為均衡。因此，調(diào)度結(jié)果較好地反映了用戶申報(bào)信息的情況，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車集群的充放電優(yōu)化控制策略。

在考慮備用時(shí)，需要同時(shí)考慮目標(biāo)函數(shù)一和目標(biāo)函數(shù)二。假設(shè)電動(dòng)汽車遵守計(jì)劃的概率服從正態(tài)分布N(0.85,0.12)， 考慮電動(dòng)汽車裕度為10%時(shí)，含備用的調(diào)度結(jié)果如表9所示。

表6 各電動(dòng)汽車優(yōu)先調(diào)度權(quán)及排序

表7 3個(gè)時(shí)段電動(dòng)汽車調(diào)度計(jì)劃

表8 各時(shí)段電動(dòng)汽車容量調(diào)度情況

表9 含裕度為10%的調(diào)度計(jì)劃

考慮電動(dòng)汽車裕度分別為0%、10%、20%和30%時(shí)，各時(shí)段調(diào)度計(jì)劃可靠性如表10所示。對(duì)比4種情形可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不考慮裕度時(shí)，各時(shí)段代理商調(diào)度可靠性非常低，隨著備用調(diào)度的電動(dòng)汽車規(guī)模增加，代理商調(diào)度可靠性也隨之增加，該算例中當(dāng)備用達(dá)到30%時(shí)，各時(shí)段調(diào)度可靠性均超過(guò)90%。4種備用情形下，時(shí)段11的擬調(diào)度電動(dòng)汽車數(shù)量均為3輛，故可靠性沒(méi)有變化。

表10 4種情況下的調(diào)度可靠性

當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，考慮一定裕度更加適合各代理商制定調(diào)度計(jì)劃。當(dāng)電動(dòng)汽車規(guī)模較大時(shí)，由于調(diào)度需求較大，備用的電動(dòng)汽車數(shù)量相對(duì)較多，更加利于改善調(diào)度可靠性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車集群的充放電控制策略，以多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法中的熵權(quán)法為基礎(chǔ)，建立基于電動(dòng)汽車優(yōu)先調(diào)度權(quán)的最優(yōu)充放電調(diào)度模型。該模型充分考慮了電動(dòng)汽車用戶的申報(bào)容量、申報(bào)時(shí)段、電池?fù)p耗及歷史互動(dòng)情況，分析了各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)調(diào)度優(yōu)先權(quán)的影響，并建立電動(dòng)汽車調(diào)度優(yōu)先權(quán)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的客觀權(quán)重及調(diào)度優(yōu)先權(quán)。最后通過(guò)算例，對(duì)V2G調(diào)度模型進(jìn)行分析驗(yàn)證，對(duì)比調(diào)度結(jié)果可看出，該模型可有效為電動(dòng)汽車代理商制定合適的充放電控制計(jì)劃，驗(yàn)證了本文提出的電動(dòng)汽車集群充放電優(yōu)化模型的可行性和有效性。

附 錄 算例數(shù)據(jù)

附圖1 4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖App.Fig.1 Topologic structure of the 4-bus system

支路編號(hào)首節(jié)點(diǎn)末節(jié)點(diǎn)阻抗(pu)電抗(pu)電納(pu)潮流上限/MW1120.010080.05040.102552130.007440.03720.077563240.007440.03720.077584340.012720.06360.12757

附表2 4節(jié)電系統(tǒng)負(fù)荷及電壓參數(shù)

附表3 4節(jié)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)參數(shù)

附表4 4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各時(shí)段節(jié)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)

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Optimal Control Strategy of Cluster Charging and Discharging of Electric Vehicles Based on the Priority

ZhangQian1CaiJiajia1LiuChao1，2LiChunyan1

(1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University) Chongqing 400044 China 2.China Resources Land (Chongqing) Company Limited Chongqing 400050 China)

Considering the problems of (vehicle-to-grid) V2G scheduling and electric vehicle users’ convenience，an optimization model of cluster charging and discharging of electric vehicles based on the priority is presented to achieve the interactive strategies of vehicle-to-aggregator (V2A).This paper analyzes the influence of declaring information on aggregator’s strategies and establishes the evaluation index system for electric vehicles，which takes reporting capacity，time，battery depletion and integrity as the indices.Then the scheduling priority of electric vehicles based on the entropy method is determined.Aggregator can determine the local optimized scheduling scheme according to the schedule plan made by the scheduling organization.The simulation results show that the impact of multiple indices of electric vehicles on scheduling strategy are considered and the scheduling plan provided by the scheduling organization for the aggregator can be obtained through the proposed method.

Vehicle-to-aggregator，scheduling priority，optimal charge and discharge plan，control strategy

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展 (863)計(jì)劃(2011AA05A110)、國(guó)家自然科學(xué)基金(51247006)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(CDJZR13150075，CDJXS12151105)資助項(xiàng)目。

2014-12-07 改稿日期2015-04-03

TM714

張 謙 女，1980年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏κ袌?chǎng)與電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)。

蔡家佳 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)。