基于集群電動(dòng)汽車(chē)接入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)電壓的綜合優(yōu)化控制*

范晉衡，邱朝明，曲大鵬，劉琦穎，黃國(guó)華，湯清權(quán)

（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

隨著全球碳排放的急劇增加，溫室效應(yīng)帶來(lái)的影響受到世界各國(guó)的密切關(guān)注[1]。而電動(dòng)汽車(chē)由于其綠色低碳的出行特點(diǎn)受到各國(guó)政府的歡迎因而一些國(guó)家為降低碳排放鼓勵(lì)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展相應(yīng)地出臺(tái)了電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)貼政策甚至一些國(guó)家本國(guó)禁售燃油車(chē)時(shí)間表[2]，因此綜合來(lái)看電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)將會(huì)成為交通出行的主流方式。

對(duì)城市配電網(wǎng)而言，電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模無(wú)序接入對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)[3]。尤其是在負(fù)荷高峰時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模接入會(huì)造成區(qū)域重過(guò)載等問(wèn)題，從而直接造成用戶(hù)低電壓?jiǎn)栴}，影響用電體驗(yàn)[4]。由于電動(dòng)汽車(chē)具有時(shí)空調(diào)節(jié)的靈活性，在區(qū)域供電能力及可調(diào)資源有限的條件下，對(duì)集群電動(dòng)汽車(chē)的調(diào)控為成為了配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的一種手段[5-6]。

蘇粟[7]利用電動(dòng)汽車(chē)無(wú)功補(bǔ)對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，策略通過(guò)有效調(diào)節(jié)充電機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)改變充電有功功率，從而在保證節(jié)點(diǎn)電壓安全穩(wěn)定的同時(shí)又不降低配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。王曉梅、胡標(biāo)等[8-9]提出了一種利用電動(dòng)汽車(chē)的電池能量管理和分布式光伏陣列的無(wú)功、有功控制，來(lái)調(diào)節(jié)光伏發(fā)電滲透率較高的配電網(wǎng)中的電壓。趙興勇等[10]基于風(fēng)光儲(chǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)，考慮電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)空分布特性，提出一種動(dòng)態(tài)電價(jià)調(diào)整策略。根據(jù)可再生能源出力和負(fù)荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，求出當(dāng)前微電網(wǎng)中的不平衡功率，根據(jù)當(dāng)前不平衡率，發(fā)布對(duì)應(yīng)的電價(jià)信息，充分調(diào)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)參與微電網(wǎng)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中可再生能源和電動(dòng)汽車(chē)間的協(xié)調(diào)控制。程杉、趙玉、陳中等[11-13]提出基于動(dòng)態(tài)電價(jià)的電動(dòng)汽車(chē)充電站有序充放電控制方法，將電動(dòng)汽車(chē)的充放電價(jià)與充放電狀態(tài)及功率作為決策變量，構(gòu)建以最大化充電站收益和最小化充電站與配電網(wǎng)交互功率波動(dòng)為目標(biāo)的電動(dòng)汽車(chē)充放電優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型。

通過(guò)不同的策略直接或間接的方式調(diào)控電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)充放電。本文擬通過(guò)調(diào)節(jié)集群電動(dòng)汽車(chē)充電功率對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行改善。因此本文首先分析了配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓機(jī)理，接著闡述了電動(dòng)汽車(chē)集群控制模式，建立了區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并介紹了控制流程，最后結(jié)合算例算例驗(yàn)證本策略的有效性。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電站有序充電控制運(yùn)行機(jī)制

1.1 配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓機(jī)理

圖1 交流配電線(xiàn)路等效示意圖

圖2 電壓降落向量圖

于是網(wǎng)絡(luò)元件的電壓降落可以表示為：

用功率代替電流，則式可表示為：

則：

由于城市配電網(wǎng)中配電線(xiàn)路大多為電纜線(xiàn)路，相較于輸電線(xiàn)路常用的架空線(xiàn)，輸電線(xiàn)路的線(xiàn)路阻抗比較大，因此城市配電網(wǎng)對(duì)區(qū)域節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)時(shí)，在無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力有限的情況下，可通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的有功功率來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓。

1.2 集群有序充電控制模式

集群有序充電控制器首先需要監(jiān)測(cè)配變的負(fù)載狀態(tài)，采集配變低壓側(cè)的電氣量，包括各相電壓、電流；其次需要通過(guò)光纖、CAN總線(xiàn)等和集群電動(dòng)汽車(chē)充電樁建立通信連接，以監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)充電樁狀態(tài)及對(duì)其下發(fā)控制指令；同時(shí)集群有序充電控制器通過(guò)5G等通信技術(shù)與上層調(diào)度中心建立連接，接收指令及反饋配變及電動(dòng)汽車(chē)充電站狀態(tài)。

集群有序充電控制器作為連接電動(dòng)汽車(chē)充電樁和上層調(diào)度中心的主體，在調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車(chē)充電站有功功率環(huán)節(jié)，對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)承擔(dān)重要的作用。如圖3所示。

圖3 集群有序充電結(jié)構(gòu)

2 區(qū)域配電網(wǎng)電壓優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和求解步驟

2.1 區(qū)域配電網(wǎng)電壓優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

結(jié)合上述分析，通過(guò)對(duì)接入配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)充電站的充電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)可對(duì)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此建立以電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)偏差最小為目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)如下所示：

配電網(wǎng)的安全為穩(wěn)定運(yùn)行需滿(mǎn)足潮流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束。

（1）網(wǎng)絡(luò)潮流約束

（2）節(jié)點(diǎn)電壓約束

式中：Vmin為節(jié)點(diǎn)電壓幅值下限；Vi為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值；Vmax為節(jié)點(diǎn)電壓幅值上限。

（3）電動(dòng)汽車(chē)充電站有序充電約束

為保證各節(jié)點(diǎn)電動(dòng)汽車(chē)充電站安全運(yùn)行，各充電站的充電功率需小于配變額定容量，同時(shí)參與需求響應(yīng)的各充電站需求響應(yīng)功率之和需等于需求響應(yīng)中心發(fā)布的需求響應(yīng)量。

電動(dòng)汽車(chē)充電站充電功率

其中：

式中：PEVCS-i為第i個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站的充電功率；SNi為第i個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站配變的額定功率；βmax為配變負(fù)載率上限，此處取0.8；cosφ為充電站變壓器額定功率因數(shù)，一般取0.95；PDC-ij為第i個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)第j臺(tái)直流充電樁的充電功率；PDC-gear為直流充電樁每檔的充電功率，本文取20 kW；NDC-ij為第i個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)第j臺(tái)直流充電樁的充電檔位；PAC-ij為第i個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)第j臺(tái)交流充電樁的充電功率；PAC-gear為交流充電樁每檔的充電功率，本文取20 kW；NAC-ij為第i個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)第j臺(tái)交流充電樁的充電檔位。

分組投切電容器Ctotal,i,t是離散變量，其運(yùn)行約束條件如下：

式中：Ctotal,i,t為節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻電容器的投切容量；Cper為單組電容的容量；N t為t時(shí)刻投入電容器的數(shù)量。

2.2 求解步驟

圖4 求解流程

根據(jù)優(yōu)化模型及目標(biāo)函數(shù)，在節(jié)點(diǎn)電壓越限時(shí)，通過(guò)優(yōu)化算法，給充電站內(nèi)各充電樁進(jìn)行功率分配。具體步驟包括：（1）網(wǎng)架搭建及負(fù)荷低谷時(shí)期任一時(shí)刻潮流數(shù)據(jù)；（2）監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)充電站電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否越限；（3）根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓越限情況計(jì)算電容器投切數(shù)量；（4）節(jié)點(diǎn)電容器投切后，判斷節(jié)點(diǎn)電壓情況，若節(jié)點(diǎn)電壓合格，則結(jié)束；若節(jié)點(diǎn)電壓不合格，則執(zhí)行步驟6；（5）根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓情況，計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)充電站充電調(diào)整功率，通過(guò)優(yōu)化模型分配各充電樁功率分配方案。

3 算例仿真

以IEEE33節(jié)點(diǎn)為例，不同類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)充電站接入位置如圖5所示，不同位置電動(dòng)汽車(chē)充電樁接入情況如表1所示。

圖5 電動(dòng)汽車(chē)接入IEEE33節(jié)點(diǎn)

表1 充電站接入位置及其配置參數(shù)

選取某一時(shí)間斷面下節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)電壓如下所示，圖6可知，由于節(jié)點(diǎn)10及節(jié)點(diǎn)29電壓越下限導(dǎo)致其后節(jié)點(diǎn)電壓均越下限。

圖6 各節(jié)點(diǎn)初始電壓

因此首先通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)10及節(jié)點(diǎn)29附近的電容器進(jìn)行投入，各節(jié)點(diǎn)電容器投入情況如表2所示。

表2 各節(jié)點(diǎn)電容器投入容量

投切后各節(jié)點(diǎn)電壓情況如圖7所示，由圖可知，電容器投入后，節(jié)點(diǎn)10及節(jié)點(diǎn)29電壓略有提升，但由于調(diào)節(jié)能力有限，仍有部分節(jié)點(diǎn)電壓不合格。因此，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行降負(fù)荷操作，具操作如表3所示。

圖7 各節(jié)點(diǎn)電壓一次調(diào)節(jié)情況

調(diào)節(jié)后各節(jié)點(diǎn)電壓如圖8所示，由圖可知在電壓一次調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上通過(guò)區(qū)域電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)控制模型優(yōu)化模型對(duì)部分節(jié)點(diǎn)的電動(dòng)汽車(chē)充電站的充電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)可有效改善節(jié)點(diǎn)電壓，提升電壓水平。

圖8 各節(jié)點(diǎn)初始電壓二次調(diào)節(jié)情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析配電網(wǎng)有功及無(wú)功功率對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓的影響，其次闡述了電動(dòng)汽充電站集群有序充電控制模式，然后建立了區(qū)域配電網(wǎng)電壓優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并介紹了求解步驟，最后通過(guò)算例仿真驗(yàn)證了所提策略的有效性。由上述研究分析可知，區(qū)域節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量不合格時(shí)，在配電網(wǎng)原有無(wú)功調(diào)壓資源基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)集群電動(dòng)汽車(chē)的充電功率可一定程度改善部分區(qū)域節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量。也即通過(guò)協(xié)調(diào)配電網(wǎng)內(nèi)無(wú)功資源及有功資源，優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布，可一定程度改善區(qū)域節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量。因此對(duì)于電網(wǎng)公司而言，通過(guò)調(diào)動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)的無(wú)功及電動(dòng)汽車(chē)資源，使其協(xié)調(diào)配合其出力，可有效降低電網(wǎng)公司配電網(wǎng)改善電能質(zhì)量投資金額，提升客戶(hù)用電滿(mǎn)意度。