基于MATLAB/GUI的電動汽車充電站有序充放電優(yōu)化調(diào)度仿真平臺

趙孟雨，王賢寧，徐康儀

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司 贛州分公司，江西 贛州 341000)

0 引言

近年來，電動汽車(Electric Vehicle，EV)的發(fā)展也帶動著該產(chǎn)業(yè)構(gòu)架的逐步完善[1-2]。隨著信息時代的到來，大數(shù)據(jù)技術(shù)對調(diào)度數(shù)據(jù)的收集、處理、集成顯示等技術(shù)的發(fā)展也起到了推動作用。因此，在研究EV充電站對EV有序充放電優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，設(shè)計與調(diào)度配套的仿真平臺具有較實用的研究價值。

各類仿真軟件已在電氣領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]在LabVIEW環(huán)境中試驗搭建EV的電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺。文獻(xiàn)[4]基于電磁暫態(tài)數(shù)字實時仿真系統(tǒng)HYPERSIM平臺建立了大規(guī)模電網(wǎng)的模型，并開發(fā)了一套可把BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為HYPERSIM電磁暫態(tài)模型的自動建模軟件。文獻(xiàn)[5]基于有限差分法和MATLAB圖形用戶界面(GUI)，開發(fā)了傳熱學(xué)課程虛擬實驗教學(xué)平臺。

已有學(xué)者研究EV的優(yōu)化調(diào)度仿真平臺，文獻(xiàn)[6]建立了計及EV充放電的單區(qū)域系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制模型，并將該模型擴(kuò)展為兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)，在MATLAB/Simulink中建模并進(jìn)行仿真分析。文獻(xiàn)[7]利用MATLAB中圖形用戶界面設(shè)計功能(GUI)建立了EV充電站優(yōu)化調(diào)度的仿真系統(tǒng)。上述文獻(xiàn)均涉及計及動態(tài)電價，對放電進(jìn)行約束的EV有序充放電的優(yōu)化調(diào)度仿真平臺。

本文將EV的充放電價作為決策變量，構(gòu)建以最大化充電站收益和最小化充電站與配電網(wǎng)之間交互功率波動為目標(biāo)的EV充電站優(yōu)化調(diào)度模型，并采用動態(tài)自適應(yīng)粒子群優(yōu)化(Dynamic Adaptive Particle Swarm Optimization，DAPSO)算法求解該多變量、高維度優(yōu)化問題，并與分時電價進(jìn)行對比，設(shè)計的仿真平臺可將上述不同電價的調(diào)度結(jié)果集中顯示出來，供充電站調(diào)度決策者參考。

1 EV充電站有序充放電優(yōu)化調(diào)度仿真平臺結(jié)構(gòu)

EV充電站作為服務(wù)類機(jī)構(gòu)，若能開發(fā)出與其運營、調(diào)度相匹配的仿真平臺，對其自身的運營管理的集成度、日常調(diào)度結(jié)果的可視化以及工程實踐都具有重要意義。本文基于MATLAB/GUI的界面設(shè)計功能，設(shè)計一個充電站優(yōu)化調(diào)度的仿真平臺，該仿真平臺主要由主界面中的各個模塊進(jìn)行顯示，主界面由基本信息模塊、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、分時電價調(diào)度模塊、DAPSO算法設(shè)置模塊、動態(tài)電價優(yōu)化調(diào)度模塊、節(jié)制放電優(yōu)化調(diào)度模塊以及調(diào)度結(jié)果顯示模塊這7個模塊組成。在輸入基本參數(shù)、DAPSO算法流程圖與分時電價等基本信息，基礎(chǔ)負(fù)荷數(shù)據(jù)、接入電網(wǎng)時間、離開電網(wǎng)時間、日行駛里程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，再以不同的充放電價進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，并分別運行對應(yīng)模塊的程序后，可得到對應(yīng)的負(fù)荷曲線、充電站收益以及最終的充放電價，充電站調(diào)度中心可直觀地對比不同方案對應(yīng)的調(diào)度結(jié)果，便于后續(xù)經(jīng)營模式的調(diào)整，使充電站更有效地運行。

圖1 仿真平臺結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the simulation platform

1.1 仿真平臺結(jié)構(gòu)

EV充電站有序充放電優(yōu)化調(diào)度仿真平臺運行機(jī)制如圖1所示。在仿真平臺運行時，首先將基本參數(shù)、求解流程圖、分時電價等基本信息與基礎(chǔ)負(fù)荷、EV的出行參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到平臺中；然后，充電站調(diào)度中心對優(yōu)化算法進(jìn)行基本的參數(shù)設(shè)置，在獲取上述信息之后，根據(jù)不同的調(diào)度方式運行程序，獲取相應(yīng)的負(fù)荷曲線圖以及最大收益；最后將以上結(jié)果以圖形、數(shù)據(jù)的形式展示在平臺界面上，實現(xiàn)可視化。

1.2 基礎(chǔ)信息的獲取

該仿真平臺的基礎(chǔ)信息主要是通過模塊1與模塊2上傳，它們是為調(diào)度模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的模塊。

1.2.1 基本信息模塊

基本信息模塊主要包含充放電邊界模型、電池容量、額定充放電功率、充放電效率、配網(wǎng)容量上限、分時電價。

1.2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊主要包括EV的出行特性：日行駛里程、接入電網(wǎng)時間、離開電網(wǎng)時間以及配電網(wǎng)日負(fù)荷數(shù)據(jù)等，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[8]。根據(jù)各個出行特性的概率分布函數(shù)，通過蒙特卡洛模擬抽樣即可得到。具體流程圖如圖2所示。

圖2 蒙特卡洛模擬抽樣流程圖Fig.2 The flow chart of Monte-Carlo simulation sampling

2 EV充電站有序充放電優(yōu)化調(diào)度仿真平臺的建立

2.1 基于MATLAB/GUI的平臺界面設(shè)計

本文的算例仿真是在MATLAB軟件中建立與運行的，仿真平臺是基于MATLAB的GUI[9]建立的，其中的控制面板有各種控件與參數(shù)設(shè)置，可實現(xiàn)計算機(jī)操作界面設(shè)計。

2.2 仿真平臺的建立

在仿真平臺的運行主界面中共有7個模塊，如圖3所示。7個模塊具體內(nèi)容如下。

圖3 仿真平臺運行界面Fig.3 The operation interface of the simulation platform

圖4 DAPSO算法流程圖Fig.4 The flow chart of DAPSO algorithm

模塊1：基本信息。基本信息包括充放電行為邊界模型、基本參數(shù)、DAPSO算法流程圖、分時電價，它們均設(shè)置為控制按鈕，在m文件中均對應(yīng)winopen函數(shù)，比如，單擊“分時電價”按鈕對應(yīng)的是在該按鈕的回調(diào)函數(shù)中輸入并執(zhí)行語句“winopen(‘分時電價.pdf’)”，即打開指定文件。其中，DAPSO算法流程圖如圖4所示。

模塊2：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在當(dāng)前m文件的模塊中，通過在其對應(yīng)按鈕的回調(diào)函數(shù)中輸入子程序文件名，運行該子程序得出相應(yīng)的變量，并使用load指令將該變量調(diào)到當(dāng)前m文件中。比如，單擊“日行駛里程”按鈕，執(zhí)行的是“run road.m”“axes(handles.axes2)”以及plot語句，首先運行蒙特卡洛模擬日行駛里程的函數(shù)并得到數(shù)據(jù)，然后設(shè)置該圖顯示在2號坐標(biāo)軸中，最后，日行駛里程圖會出現(xiàn)在第二個坐標(biāo)軸中。

模塊3：分時電價。該模塊由運行程序、負(fù)荷曲線、充電站最大收益三部分組成，其中運行程序與負(fù)荷曲線的按鈕都與模塊2中的按鈕操作一致，充電站最大收益是在運行程序按鈕執(zhí)行之后，得到的變量以revenue_TOU表示，通過在m文件中輸入set(hendles.edit12,‘string’，revenue_TOU)，即在該模塊運行程序后此變量對應(yīng)的數(shù)值就被輸入到指定的可編輯文本框中。

模塊4：DAPSO算法設(shè)置。該部分是算法參數(shù)的設(shè)置，迭代次數(shù)設(shè)為100?？赏ㄟ^下拉菜單設(shè)置粒子數(shù)量，還可自定義迭代次數(shù)供三個電價模塊使用。

模塊5與模塊6的操作設(shè)計均與模塊3類似。

模塊7：調(diào)度結(jié)果顯示區(qū)域。該模塊設(shè)置3個坐標(biāo)軸，用于顯示模塊2、模塊3、模塊5、模塊6的運行仿真圖。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

配電網(wǎng)的基礎(chǔ)負(fù)荷數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[10]中的數(shù)據(jù)，將一天24小時分成24個時段Ti，T1～T24的基礎(chǔ)負(fù)荷如表1所示。負(fù)荷峰值為1 069.3 kW，配電網(wǎng)選用S13型變壓器，額定容量為1 250 kV·A。充電站的售電電價CCS和向電網(wǎng)購電電價CG采用表2給出的分時電價[10-11]，EV的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表1 配電網(wǎng)基礎(chǔ)負(fù)荷

表2 分時電價Tab.2 Time-of-use electricity price 元/(kW·h)

表3 EV參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameters of EV

3.2 運行仿真

利用蒙特卡洛法抽樣模擬某地區(qū)一天之內(nèi)50輛EV的充放電行為，分別在分時電價、動態(tài)電價、節(jié)制放電這三種運行模式下，運用DAPSO算法[12-13]進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，對這三種調(diào)度方式得到的負(fù)荷曲線、充電站最大收益進(jìn)行對比。在仿真平臺上的運行結(jié)果如圖5所示；配電網(wǎng)負(fù)荷曲線如圖6所示；充電站收益、配電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差、均方差的對比如表4所示。

圖5 仿真平臺運行結(jié)果Fig.5 The operation result of the simulation platform圖6 三種策略下配電網(wǎng)負(fù)荷曲線Fig.6 Load curves of the distribution network in three different price strategies

表4 三種策略下充電站收益、配電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差、均方差Tab.4 The charging station revenue， the valley-to-peak and standard deviation of distribution network for three different price strategies

由圖5、圖6和表4可看出，對比分時電價，動態(tài)電價策略和節(jié)制放電策略下EV有序充放電在保證充電站收益小幅增長的前提下，具有較強(qiáng)的削峰功能；節(jié)制放電策略針對次尖峰時段(T8～T15)的削峰效果更為明顯。采用動態(tài)電價策略和節(jié)制放電策略得到的充電站收益分別提高了6.2%，1.1%，峰谷差分別降低了7.55%，9.78%，均方差分別降低了9.9%，11.9%。由此可見，在動態(tài)電價的前提下，同時對EV放電進(jìn)行一定程度的限制可顯著降低負(fù)荷曲線的峰谷差，并且不損害充電站的利益，利用電價信號能夠更靈活地引導(dǎo)EV的充放電行為，使EV能夠更好地為實現(xiàn)平抑負(fù)荷波動提供服務(wù)。

4 結(jié)論

本文基于MATLAB中的GUI設(shè)計了一個EV充電站有序充放電優(yōu)化調(diào)度仿真平臺，并以50輛EV到站進(jìn)行充放電需求作為基礎(chǔ)算例進(jìn)行仿真模擬。該平臺可直觀地體現(xiàn)三種不同調(diào)度方式各自對應(yīng)的負(fù)荷曲線和充電站最大收益，還可直觀地看出不同調(diào)度方式下本地的負(fù)荷波動情況，有利于充電站通過分析運營中的問題，制定出更加合理高效的調(diào)度策略。