基于集群電動汽車接入?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)帶來的影響受到世界各國的密切關(guān)注[1]。而電動汽車由于其綠色低碳的出行特點受到各國政府的歡迎因而一些國家為降低碳排放鼓勵電動汽車發(fā)展相應(yīng)地出臺了電動汽車補貼政策甚至一些國家本國禁售燃油車時間表[2]，因此綜合來看電動汽車未來將會成為交通出行的主流方式。

對城市配電網(wǎng)而言，電動汽車的大規(guī)模無序接入對配電網(wǎng)的安全運行帶來了一定的挑戰(zhàn)[3]。尤其是在負荷高峰時電動汽車的大規(guī)模接入會造成區(qū)域重過載等問題，從而直接造成用戶低電壓問題，影響用電體驗[4]。由于電動汽車具有時空調(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，對集群電動汽車的調(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]利用電動汽車無功補對區(qū)域配電網(wǎng)的電壓進行調(diào)節(jié)，策略通過有效調(diào)節(jié)充電機的運行功率因數(shù)，對節(jié)點進行無功補償?shù)耐瑫r改變充電有功功率，從而在保證節(jié)點電壓安全穩(wěn)定的同時又不降低配電網(wǎng)經(jīng)濟性。王曉梅、胡標等[8-9]提出了一種利用電動汽車的電池能量管理和分布式光伏陣列的無功、有功控制，來調(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]基于風光儲的微電網(wǎng)系統(tǒng)，考慮電動汽車的時空分布特性，提出一種動態(tài)電價調(diào)整策略。根據(jù)可再生能源出力和負荷的實時數(shù)據(jù)，求出當前微電網(wǎng)中的不平衡功率，根據(jù)當前不平衡率，發(fā)布對應(yīng)的電價信息，充分調(diào)動電動汽車參與微電網(wǎng)的調(diào)度，實現(xiàn)微電網(wǎng)中可再生能源和電動汽車間的協(xié)調(diào)控制。程杉、趙玉、陳中等[11-13]提出基于動態(tài)電價的電動汽車充電站有序充放電控制方法，將電動汽車的充放電價與充放電狀態(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)交互功率波動為目標的電動汽車充放電優(yōu)化調(diào)度數(shù)學模型。

通過不同的策略直接或間接的方式調(diào)控電動汽車入網(wǎng)充放電。本文擬通過調(diào)節(jié)集群電動汽車充電功率對配電網(wǎng)節(jié)點電壓進行改善。因此本文首先分析了配電網(wǎng)節(jié)點電壓機理，接著闡述了電動汽車集群控制模式，建立了區(qū)域配電網(wǎng)優(yōu)化數(shù)學模型并介紹了控制流程，最后結(jié)合算例算例驗證本策略的有效性。

1 電動汽車充電站有序充電控制運行機制

1.1 配電網(wǎng)節(jié)點電壓機理

圖1 交流配電線路等效示意圖

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)中配電線路大多為電纜線路，相較于輸電線路常用的架空線，輸電線路的線路阻抗比較大，因此城市配電網(wǎng)對區(qū)域節(jié)點電壓調(diào)節(jié)時，在無功功率調(diào)節(jié)能力有限的情況下，可通過調(diào)節(jié)節(jié)點負荷的有功功率來調(diào)節(jié)節(jié)點電壓。

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)測配變的負載狀態(tài)，采集配變低壓側(cè)的電氣量，包括各相電壓、電流；其次需要通過光纖、CAN總線等和集群電動汽車充電樁建立通信連接，以監(jiān)測電動汽車充電樁狀態(tài)及對其下發(fā)控制指令；同時集群有序充電控制器通過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汽車充電站狀態(tài)。

集群有序充電控制器作為連接電動汽車充電樁和上層調(diào)度中心的主體，在調(diào)節(jié)電動汽車充電站有功功率環(huán)節(jié)，對區(qū)域配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)承擔重要的作用。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)學模型和求解步驟

2.1 區(qū)域配電網(wǎng)電壓優(yōu)化數(shù)學模型

結(jié)合上述分析，通過對接入配電網(wǎng)的電動汽車充電站的充電功率進行調(diào)節(jié)可對節(jié)點節(jié)點電壓進行調(diào)節(jié)，因此建立以電網(wǎng)節(jié)點偏差最小為目標函數(shù)。目標函數(shù)如下所示：

配電網(wǎng)的安全為穩(wěn)定運行需滿足潮流約束、節(jié)點電壓約束。

（1）網(wǎng)絡(luò)潮流約束

（2）節(jié)點電壓約束

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

（3）電動汽車充電站有序充電約束

為保證各節(jié)點電動汽車充電站安全運行，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(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。

電動汽車充電站充電功率

其中：

式中：PEVCS-i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；βmax為配變負載率上限，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個電動汽車充電站內(nèi)第j臺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個電動汽車充電站內(nèi)第j臺直流充電樁的充電檔位；PAC-ij為第i個電動汽車充電站內(nèi)第j臺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個電動汽車充電站內(nèi)第j臺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，其運行約束條件如下：

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

2.2 求解步驟

圖4 求解流程

根據(jù)優(yōu)化模型及目標函數(shù)，在節(jié)點電壓越限時，通過優(yōu)化算法，給充電站內(nèi)各充電樁進行功率分配。具體步驟包括：（1）網(wǎng)架搭建及負荷低谷時期任一時刻潮流數(shù)據(jù)；（2）監(jiān)測電動汽車充電站電壓監(jiān)測點是否越限；（3）根據(jù)節(jié)點電壓越限情況計算電容器投切數(shù)量；（4）節(jié)點電容器投切后，判斷節(jié)點電壓情況，若節(jié)點電壓合格，則結(jié)束；若節(jié)點電壓不合格，則執(zhí)行步驟6；（5）根據(jù)節(jié)點電壓情況，計算電動汽車充電站充電調(diào)整功率，通過優(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)點為例，不同類型電動汽車充電站接入位置如圖5所示，不同位置電動汽車充電樁接入情況如表1所示。

圖5 電動汽車接入IEEE33節(jié)點

表1 充電站接入位置及其配置參數(shù)

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

圖6 各節(jié)點初始電壓

因此首先通過對節(jié)點10及節(jié)點29附近的電容器進行投入，各節(jié)點電容器投入情況如表2所示。

表2 各節(jié)點電容器投入容量

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

圖7 各節(jié)點電壓一次調(diào)節(jié)情況

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

圖8 各節(jié)點初始電壓二次調(diào)節(jié)情況

4 結(jié)束語

本文首先分析配電網(wǎng)有功及無功功率對節(jié)點電壓的影響，其次闡述了電動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)學模型并介紹了求解步驟，最后通過算例仿真驗證了所提策略的有效性。由上述研究分析可知，區(qū)域節(jié)點電壓質(zhì)量不合格時，在配電網(wǎng)原有無功調(diào)壓資源基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)集群電動汽車的充電功率可一定程度改善部分區(qū)域節(jié)點電能質(zhì)量。也即通過協(xié)調(diào)配電網(wǎng)內(nèi)無功資源及有功資源，優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布，可一定程度改善區(qū)域節(jié)點電能質(zhì)量。因此對于電網(wǎng)公司而言，通過調(diào)動配電網(wǎng)內(nèi)的無功及電動汽車資源，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，提升客戶用電滿意度。