含電動(dòng)汽車的智能配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題探討

孫 益，張千斌，蔡 震，朱 翔

（國網(wǎng)湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

長期以來，石油都是汽車動(dòng)力的主要來源，但石油屬于不可再生能源，地殼中儲(chǔ)藏的石油資源總是有被開采殆盡的一天。所以，過分依賴石油并不是一個(gè)明智的行為，必須得尋找可替代石油的新途徑。另一個(gè)方面，石油在分解供能的過程中產(chǎn)生大量的溫室氣體，加劇了溫室效應(yīng)。不管是基于能源抑或是基于環(huán)境，都必須找到新的突破口。

電動(dòng)汽車以電力作為動(dòng)力來源，并不產(chǎn)生有害于環(huán)境的溫室氣體，同時(shí)是可再生的，可以說是以石油為動(dòng)力的內(nèi)燃汽車的較好替代品。

1 電動(dòng)汽車的現(xiàn)狀

追溯電動(dòng)汽車發(fā)展歷史可以到1828 年，在這一年，匈牙利的工程師設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)電傳動(dòng)裝置。一直以來，由于電池技術(shù)的限制，已有近兩百年發(fā)展歷史的電動(dòng)汽車仍然顯得小眾。

在今天，雖然電池技術(shù)已經(jīng)得到高速的發(fā)展，其他工程技術(shù)也取得了質(zhì)的飛躍，世界各國也在大力發(fā)展電動(dòng)汽車，但電動(dòng)汽車的推廣仍面臨著阻礙。電動(dòng)汽車離不開電能，離不開配電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。將電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)需要考慮其會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的各種影響。

2 電動(dòng)汽車接入對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的影響

2.1 影響電能質(zhì)量

接入配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車部分在工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)大功率的非線性負(fù)荷，在電動(dòng)汽車充電時(shí)伴隨著沖擊電流、諧波以及無功功率，雖然充電站的諧波對(duì)220 kV和500 kV 高壓主網(wǎng)基本不會(huì)產(chǎn)生影響，但是對(duì)低壓網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。

較大規(guī)模充電站諧波對(duì)380 V 母線電壓質(zhì)量影響較大，并且流入380 V 母線的5 次、7 次諧波電流超標(biāo)，對(duì)接入母線的低壓用戶產(chǎn)生用電影響。母線中的諧波電流會(huì)流入其他用戶，也會(huì)使得電壓畸變率超標(biāo)；同時(shí)，由于充電機(jī)高的功率，采用無源濾波手段濾波比較困難。

如果聽之任之，將使得配電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)損增加，電網(wǎng)設(shè)備的工作環(huán)境復(fù)雜化，引起設(shè)備過熱，加速設(shè)備老化；系統(tǒng)控制線路、通信線路等也會(huì)受到影響；同時(shí)電壓波形產(chǎn)生畸變、電源的功率因數(shù)降低，影響電網(wǎng)中的其他設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 影響負(fù)荷特性

負(fù)荷特性是為便于研究電動(dòng)汽車而建立的一套數(shù)學(xué)化模型，它的難點(diǎn)體現(xiàn)在計(jì)及電動(dòng)汽車的分散性、駕駛者習(xí)慣等人為因素。

負(fù)荷建模離不開分析電池充電特性、用戶行為、充電方式等?，F(xiàn)階段電網(wǎng)的電動(dòng)汽車接入規(guī)模有限，通常是通過仿真實(shí)驗(yàn)分析充電負(fù)荷的特性。此外，電動(dòng)汽車電池的充電過程電壓較為平穩(wěn)，因此在分析電動(dòng)汽車接入對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響時(shí)，電動(dòng)汽車負(fù)荷可以視為恒功率負(fù)荷。

2.3 影響電氣設(shè)備

當(dāng)線路接入負(fù)載數(shù)量較少時(shí)，對(duì)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行合理的調(diào)度可以讓系統(tǒng)工作效率更高。當(dāng)大量負(fù)載接入電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，必定會(huì)在線路上產(chǎn)生大的電流，進(jìn)一步加重線路的負(fù)擔(dān)，線路的損耗也同時(shí)增加，從而嚴(yán)重影響末端的節(jié)點(diǎn)電壓。

2.4 無序充電的危害

由于居民日常工作生活習(xí)慣，夜間充電將會(huì)成為常態(tài)，充電汽車在此模式下工作，將會(huì)出現(xiàn)“峰上加峰”的結(jié)果。大規(guī)模的電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)將使問題更加明顯，電網(wǎng)運(yùn)行效率受到影響，同時(shí)還會(huì)增加發(fā)電機(jī)組運(yùn)維成本，尤其是配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗和電壓穩(wěn)定性受到很大影響。因此，為了配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及電動(dòng)汽車的推廣和應(yīng)用，電動(dòng)汽車充放電的優(yōu)化調(diào)度必不可少。

3 智能V2G 技術(shù)

V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)和電動(dòng)汽車之間智能的雙向流動(dòng)，控制中心通過V2G 智能管理調(diào)度接入配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車的充電行為，達(dá)到優(yōu)化節(jié)能的目的。

電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)，會(huì)打破原有配電網(wǎng)的電荷分布，這時(shí)，整個(gè)配電網(wǎng)的大部分負(fù)荷由電動(dòng)汽車組承擔(dān)，其運(yùn)行會(huì)極大影響配電網(wǎng)安全。電動(dòng)汽車本身就是通過儲(chǔ)備電能的方式支撐電動(dòng)汽車的運(yùn)行，當(dāng)眾多的電動(dòng)汽車集中在一起時(shí)，整個(gè)汽車集群像是一個(gè)巨大的儲(chǔ)能電站，這對(duì)配電網(wǎng)來說是一項(xiàng)龐大的資源，關(guān)鍵問題是如何合理地對(duì)其進(jìn)行分配調(diào)度，實(shí)現(xiàn)有效的利用。V2G 概念自然而然地被提了出來。在通常的情況下，電動(dòng)汽車通過充電網(wǎng)或充電樁接入配電網(wǎng)。V2G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的就是電動(dòng)汽車與電網(wǎng)充電系統(tǒng)之間能量的雙向流動(dòng)，具有實(shí)時(shí)、可控、高速的特點(diǎn)。

4 電動(dòng)汽車參與優(yōu)化調(diào)度

在2007 年美國特立華大學(xué)的一名教授提出了電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)的技術(shù)[1]。將電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)，采取一些技術(shù)手段可以使得谷峰相消，減輕電動(dòng)汽車接入對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)的影響。同時(shí)，智能電網(wǎng)通過充電站、充電樁將分散的儲(chǔ)能單元連接在了一起之后，分離儲(chǔ)能單元本身就成為了配電網(wǎng)的一個(gè)組成部分。

4.1 參與電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化

文獻(xiàn)[2]對(duì)比建立無序條件下電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線，仿真了“峰上加峰”，提出電動(dòng)汽車有序充電控制。通過建立基于電動(dòng)汽車有序充電的電網(wǎng)低谷調(diào)峰優(yōu)化模型，分析得出了采用分時(shí)電價(jià)，緩解低谷期間容量不足的問題，同時(shí)減少用戶的充電成本。此外，大量電動(dòng)汽車參與分時(shí)電價(jià)響應(yīng)，能夠有效地解決低谷調(diào)峰問題。

文獻(xiàn)[3]分析使用V2G 技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰，說明V2G 技術(shù)用于電網(wǎng)調(diào)峰的可行性。在電網(wǎng)調(diào)峰的關(guān)鍵性問題上，如響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)成本、調(diào)峰網(wǎng)損等方面都將V2G 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)同傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)峰方式作了詳細(xì)對(duì)比。可以看出V2G 在電網(wǎng)調(diào)峰中具有眾多優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的大電網(wǎng)調(diào)峰主要使用大容量機(jī)組，采用集中儲(chǔ)能裝置調(diào)峰，前期的建設(shè)、后期的維護(hù)都需要較高的成本。使用V2G 避開了高投入、低的靈活性的缺點(diǎn)，并且由于電動(dòng)車輛的集中，負(fù)荷分布密集，而具備調(diào)峰網(wǎng)損小的特點(diǎn)。

4.2 電網(wǎng)調(diào)頻優(yōu)化

集中充電模式是現(xiàn)代技術(shù)在機(jī)動(dòng)車發(fā)展綜合應(yīng)用中的直接體現(xiàn)，集中充電模式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車電力資源存儲(chǔ)保持穩(wěn)定狀態(tài)，從而進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)代機(jī)動(dòng)車資源的綜合應(yīng)用。

研究分析電動(dòng)汽車的調(diào)頻問題便于建立更合理的數(shù)學(xué)模型，完成違反約束概率表的制定工作，讓充電計(jì)劃和服務(wù)容量都在系統(tǒng)的控制之下進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

首先基于蒙特卡洛抽樣方法分析了大規(guī)模電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷需求；然后，以含大規(guī)模電動(dòng)汽車接入的主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行成本最小化和負(fù)荷曲線方差最小化為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮電動(dòng)汽車的充電需求和配電網(wǎng)的運(yùn)行約束，構(gòu)建含規(guī)模化電動(dòng)汽車接入的主動(dòng)配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，采用帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-II）對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化得到的帕累托（Pareto）最優(yōu)解集規(guī)模大，蘊(yùn)含信息豐富，導(dǎo)致運(yùn)行人員難以決策的問題，提出一種基于模糊聚類的方法對(duì)多目標(biāo)Pareto 最優(yōu)解集進(jìn)行篩選。

4.3 參與電網(wǎng)配電網(wǎng)重構(gòu)優(yōu)化

配電網(wǎng)重構(gòu)指通過改變分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)，改變電網(wǎng)系統(tǒng)供電路徑，從而達(dá)到降低網(wǎng)損、消除過載、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等的目的。

配電網(wǎng)重構(gòu)技術(shù)能夠有效改善配電網(wǎng)網(wǎng)損。當(dāng)前，配電網(wǎng)的重構(gòu)優(yōu)模型[4]主要有通過分析電動(dòng)汽車的充電行為，模擬充電負(fù)荷曲線；分析車流量，采用數(shù)學(xué)建模方法，計(jì)算充電站的充電負(fù)荷；分析充電時(shí)刻和里程概率分布，預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車的日充電曲線；采用半不變量法和科尼什-費(fèi)雪級(jí)數(shù)解決機(jī)會(huì)約束重構(gòu)問題；基于分時(shí)電價(jià)分析的需求響應(yīng)重構(gòu)模型；基于空間分配的重構(gòu)優(yōu)化等優(yōu)化模型和方法。

4.4 參與電網(wǎng)機(jī)組組合優(yōu)化

電動(dòng)汽車大量接入電網(wǎng)，通過對(duì)電動(dòng)汽車的空間位置進(jìn)行聚類再聚類以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，降低模型維度。通過目標(biāo)綜合優(yōu)化，引入電動(dòng)汽車效用度；同時(shí)優(yōu)化電動(dòng)汽車空間分配方案。合理引導(dǎo)電動(dòng)汽車在空間位置上的分布，有效地降低無序充電對(duì)配電網(wǎng)的影響，優(yōu)化充電過程，同時(shí)降低電網(wǎng)運(yùn)維成本。

5 結(jié)論

汽車在人們出行方面扮演著重要的作用，而人們對(duì)汽車的依賴正與日俱增。相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃汽車，更清潔環(huán)保的電動(dòng)汽車有著無限美好的未來。因此，重點(diǎn)在于解決電動(dòng)汽車推廣過程中的關(guān)鍵性問題。