基于電動汽車聚合商參與需求響應業務的配網能量優化控制*

邱朝明，曲大鵬，范晉衡，劉琦穎，劉 軒，湯清權

（1.廣州供電局有限公司，廣州 510620；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510630）

0 引言

近年來，由于低碳清潔、綠色出行理念的大力倡導，大中型城市電動汽車規模快速增長，大量的充電設施、換電站等接入城市配電網[1]。為方便電動汽車充電，政府及相關電動汽車充電樁廠商規劃建設了較為密集的充電設施接入城市電網[2]。面對激增的負荷，電網公司迎來了新的挑戰。而電動汽車作為一種特殊的移動儲能裝置，具有靈活可調，可雙向充放電的特性，因此成為負荷聚合商側優質的調節資源。

針對上述問題，宮鑫等[3]以上層目標為電動汽車聚合商利益最大化為目標，下層目標為發電商成本最低，建立了計及激勵型需求響應的雙層優化模型。杜習超等[4]和張明霞等[5]研究了配網中電動汽車不同接入位置及不同滲透率下對配網節點電壓的影響。侯建朝等[6]和吳巨愛等[7]分析了影響聚合商充/放電策略的因素，進而提出了可接納EV參與競爭的用戶充/放電合約及相應的市場機制；在此基礎上，構建了EV聚合商同時參與現貨和備用市場的優化問題。孫亮等[8]基于聚合商的服務運作模式，對空調負荷調度策略展開研究，正常運行過程中尋求負荷的平滑接入，削峰運行過程中尋求最優削峰效果。劉敦楠等[9]提出了充電負荷聚合商的定義及運營框架，并分析了針對充電負荷聚合商參與綠色證書交易市場的驅動力，構建了充電負荷聚合商內外2級綠色證書交易模式，并針對綠色證書交易與碳排放權交易、電力市場交易的耦合機理，建立了多市場協調機制。孫偉卿等[10]將具有一定調節能力的負荷資源作為虛擬儲能，并將其與儲能相結合，建立用戶側廣義儲能的不確定性響應模型，提出狹義儲能優先響應和虛擬儲能優先響應兩種負荷聚合商控制策略。

上述文獻在進行電動汽車負荷調度時大多數以電動汽車聚合商經濟利益為主要考慮目標，未考慮電網的經濟安全運行。基于此，本文首先概述電動汽車負荷聚合商的基本概念，以大型充電站為對象，分析了電力側、電動汽車聚合商側和電動汽車用戶三者之間的運作機制，接著分析了配網內負荷分布和配網有功損耗之間的關系，然后從電網公司的角度以配網網損最小為目標建立網商樁能量優化模型并介紹求解流程，最后結合算例驗證有效性。

1 電動汽車負荷聚合商的概念及運行機制

傳統負荷聚合商是一個整合用戶需求響應并提供給市場購買者的獨立組織，不僅可以為中小負荷提供參與市場調節的機會，還可以通過專業的技術手段充分發掘負荷資源，提供市場需要的輔助服務產品[11]。

電動汽車負荷聚合商是針對于電動汽車這一特殊充電負荷的負荷聚合商，相較于傳統的負荷聚合商，電動汽車類負荷具有數量龐大、可調度性強等特點。電動汽車負荷聚合商通過整合區域內電動汽車負荷資源提高電動汽車需求響應資源聚合管理支撐，對各類車主進行業務指導，提高認購、響應、結算等環節的效率[12-13]。

電動汽車負荷聚合商與區域內電動汽車充電站、私人電動汽車充電樁、電動汽車換電站等安裝智能充電控制設備，監控區域內電動汽車充電狀態，并通過遠程通信技術控制區域內電動汽車充電功率。電動汽車負荷聚合商通過與電網公司需求響應中心和電動汽車負荷簽署雙向協議，在電網側發布需求響應事件時電動汽車負荷聚合商調度區域電動汽車充電負荷完成需求響應事件[14-15]。電動汽車負荷聚合商運行機制如圖1所示。

圖1 電動汽車負荷聚合商運行機制

電網、電動汽車負荷聚合商和電動汽車用戶三者，以電動汽車負荷聚合商為樞紐，電網側注重電網的安全可靠經濟運行，負荷商則主要以經濟利益為目標，用戶側對充電費用及充電體驗較為敏感。三者以電網側為主導，電動汽車負荷聚合商為樞紐，電動汽車用戶為終端對象。

2 電動汽車接入配電網網損機理分析

一定規模的電動汽車接入配電網負載空間上的差異化分布會造成配電網潮流重新分布，引起配網的網損及電壓的波動[16]。

以典型輻射型配電網拓撲為例，對電動汽車接入配電網對其網損影響進行分析。低壓配電變壓器等值電路如圖2所示。配電網網損一般包括配變損耗及線路損耗，其中配變損耗ΔPT可分為銅耗PCu和鐵耗PFe兩部分，變壓器模型如下：

式中：U為變壓器高壓側運行電壓；UN為變壓器高壓側額定電壓；P0為配電變壓器空載損耗，P為配電變壓器接入負載，SN為變壓器額定容量；λ為功率因數，Pk為變壓器短路損耗。

由此可知變壓器的鐵損與運行電壓大小有關，但在通常運行方式下是一個很小的量；變壓器的銅損與配變的負載大小成正比。

圖2 低壓配電變壓器等值電路

圖3 輻射型配電網拓撲

輻射型配電網拓撲如圖3所示。

假設線路單位電阻值為r，則該段線路的有功損耗為：

式中：R為線路電阻；P為輸送功率；U為運行電壓；λ為功率因數；r為單位線路電阻；l為線路長度。

電動汽車一般認為恒功率負載，一定規模電動汽車接入配電網節點第k處并網后，整條饋線的網損ΔP為：

式中：PEV為電動汽車接入配網的充電功率；U為變壓器運行電壓；UN為變壓器額定運行電壓；SN為變壓器額定容量；P0為變壓器空載損耗；Pk為變壓器短路損耗n≠k，m≠k。

由于配網線路及配變等元器件參數的差異，由上式可知，一定數量的電動汽車同時接入配電網時，負載分布的位置及大小的差異會造成的有功損耗差別也會較大，因此電動汽車聚合商在電網側發布需求響應時，根據各充電站響應能力，合理分配功率可達到配網節能降損的目的。

3 網商樁能量優化數學模型和步驟

3.1 網商樁能量優化數學模型

結合上文分析，在配網不同位置通過調節電動汽車接入負載大小可有效優化配網網損，因此電動汽車負荷聚合商根據需求響應中心發布的需求響應事件及各充電站反饋的可響應負荷量[17-20]。

以電網為主體，以各電動汽車負荷聚合商響應量為約束，通過建立以電網網損最小為目標的優化模型并對其求解，對各電動汽車負荷聚合商分配需求響應量。

目標函數：

式中：Ii為第i條支路的電流，Ri為第i條支的電阻。

配電網的安全為穩定運行需滿足潮流約束、節點電壓約束。

（1）網絡潮流約束

（2）節點電壓約束

式中：Vmin為節點電壓幅值下限；Vi為節點i的電壓幅值；Vmax為節點電壓幅值上限。

（3）需求響應約束

為保證充電站安全運行，各充電站的充電功率需小于配變額定容量，同時參與需求響應的各充電站需求響應功率之和需等于需求響應中心發布的需求響應量。

式中：PDR為對負荷聚合商下發的需求響應量；PSTAi為負荷聚合商對第i個充電站分配的功率。

（4）電動汽車充電站容量約束

式中：PSTAi為第i個電動汽車充電站的充電功率；SNi為第i個電動汽車充電站配變的額定功率；cosφ為充電站變壓器額定功率因數，一般取0.95。

3.2 求解流程

根據網商樁能量優化模型及目標函數，采用蒙特卡洛模擬進行尋優，利用對各個充電站的功率分配達到配網能量優化。具體步驟如下。

（1）網架搭建及負荷低谷時期任一時刻潮流數據。

（2）設置蒙特卡洛總模擬次數K，記模擬次數i=1。

（3）蒙特卡洛模擬分配各充電站功率分配方案，并記蒙特卡洛模擬次數i=i+1。

（4）在各電動汽車充電站初始負載功率基礎上疊加步驟（3）中分配給各充電站分配的功率，判斷是否超過配變容量，若是，則返回步驟（3），若否，則執行步驟（5）。

（5）根據電動汽車充電站功率分配方案，代入網商樁能量優化模型求解，求解配網網損，并篩選最優方案。

（6）篩選最優方案。

求解流程如圖4所示。

4 算例仿真

本算例選取南方地區某變電站其中一條10 kV線路，該線路為城鎮負荷，全線共有30個負荷點，如圖5所示，其中節點22、30、38、42、50分布電動汽車充電站，各充電站容量如表1所示。

圖4 求解流程

圖5 10 kV線路拓撲結構

表1 電動汽車充電站位置及配變容量

考慮目前V2G技術不成熟，且實際應用較少，因此本文不考慮電動汽車V2G模式。本算例中選取線路負荷低谷時期某一時刻網架潮流，根據區域配電網電動汽車充電站需求響應能力，需求響應中心下發的需求響應量為500 kW，根據區域配電網電動汽車充電站需求響應能力具體方案如表2所示，方案1將需求響應量均勻分布給5個充電站，方案2～4隨機分配區域配網內充電站，方案5為根據本文所提策略為區域內各充電站分配的功率。

表2 各充電站容量分配方案kW

在算例網架結構及初始潮流數據基礎上，根據上述分配方案重新進行潮流計算，不同方案下配網網損如圖6所示。

圖6 不同方案下配網網損對比

通過對比分析可知，本方案下網損量低于其他4種方案平均網損量約14.57%，最大可達到17.97%。因此，本文所提方法通過電動汽車充電站功率分配方案有效降低配網的網損，且一定程度上提高配網運行安全性。

5 結束語

本文首先概述電動汽車負荷聚合商和分析配網有功功率網損機理，接著建立了網商樁能量優化模型，并闡述了求解流程。最后結合南方地區某變電站其中一條10 kV線路進行算例仿真。結果表明，不同電動汽車充電站功率分配方案結果對比下，采用本方案相較于其他方案下的配網網損平均降低約14.57%，能量優化效果顯著。

該模型計算速度快，求解流程簡單，能適應區域配網內多電動汽車充電站參與需求響應業務等場景，對電網公司調度及需求響應中心有一定參考價值。下一階段可在基于電動汽車聚合商參與需求響應業務的配網能量優化控制的基礎上考慮電動汽車負荷聚合商的經濟利益，建立雙層優化模型，通過協同控制達到電網側和電動汽車負荷聚合商互利共贏的目標。