不同負(fù)荷滲透率下的快充電站功率補(bǔ)償設(shè)備配置優(yōu)化策略

嚴(yán)曉彬，吳慶禮，施念，康慨，陳岑，陶貴生，隨權(quán)，林湘寧，李正天

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100036；2. 湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040；3. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074)

電動(dòng)汽車作為解決交通、能源和環(huán)境問題的重要手段，是未來(lái)汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向，也是未來(lái)主動(dòng)配電網(wǎng)的研究重點(diǎn)[1-3]。目前電動(dòng)汽車的充電方式分為慢速充電(慢充)、快速充電(快充)和更換電池3種，隨著城市電動(dòng)汽車滲透率的不斷提高以及生活節(jié)奏的不斷加快，快充因其便捷性和靈活性受到青睞。同時(shí)，基于深入發(fā)展新能源汽車的國(guó)家戰(zhàn)略方針和能源互聯(lián)網(wǎng)概念，覆蓋全國(guó)城市的快充網(wǎng)絡(luò)正在加速形成[4]，快充電站被廣泛接入配電網(wǎng)。由于電動(dòng)汽車快充具有功率較大、隨機(jī)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，其大規(guī)模接入將帶來(lái)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量顯著下降等一系列問題[5-7]，給電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大沖擊。因此，采取適當(dāng)?shù)膬?yōu)化措施以最小成本降低快充電站對(duì)電能質(zhì)量的污染，滿足電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求，已成為時(shí)下的研究熱點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于快充電站對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的研究眾多。文獻(xiàn)[8]研究了不同電動(dòng)汽車滲透率和充電方式下，電動(dòng)汽車充電引起的電網(wǎng)電壓下降問題，結(jié)果表明，電壓下降隨著滲透率的升高而加劇，并且快充模式帶來(lái)的電壓降落問題比慢充模式更為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[9]考慮多臺(tái)充電樁與電網(wǎng)之間的交互影響，分析了各次諧波電流幅值隨充電樁臺(tái)數(shù)增加的變化規(guī)律及考慮背景諧波后的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]指出大量電動(dòng)汽車充電站與公用電網(wǎng)集成會(huì)產(chǎn)生諧波，影響電能質(zhì)量，并從電力需求、諧波、電壓暫降和變壓器功率損耗等方面分析了電動(dòng)汽車充電站對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的影響。

綜合目前快充電站對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量主要影響的相關(guān)研究，本文將分析的落腳點(diǎn)放在電動(dòng)汽車快充對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷水平和電壓質(zhì)量的影響上。文獻(xiàn)[11]兼顧交通和電網(wǎng)2個(gè)利益主體，提出了基于集分割模型及其最優(yōu)車次鏈的電動(dòng)公交有序充電策略，以減小電動(dòng)汽車充電對(duì)配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[12-15]則對(duì)電動(dòng)汽車有序充電引導(dǎo)問題進(jìn)行了深入研究，并采用粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization，PSO)等多種優(yōu)化算法對(duì)不同控制引導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行比較。文獻(xiàn)[16]基于用戶個(gè)體需求和意愿，將電動(dòng)汽車群體充電策略分散到個(gè)體，減少每輛電動(dòng)汽車充電次數(shù)，起到了電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷的效果。上述研究從引導(dǎo)電動(dòng)汽車的充電行為出發(fā)，能夠在一定程度上緩解快充電站的壓力，然而隨著電動(dòng)汽車滲透率的不斷提高，快充負(fù)荷的剛性需求逐漸增加，難以僅靠引導(dǎo)用戶行為來(lái)避免“峰上加峰”的現(xiàn)象，于是，大量研究轉(zhuǎn)而從快充電站自身配置優(yōu)化的角度出發(fā)來(lái)解決問題。文獻(xiàn)[17]基于排隊(duì)理論提出了一種快充電站儲(chǔ)能配置容量的計(jì)算方法，通過(guò)量化儲(chǔ)能充電樁的數(shù)量來(lái)提高經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[18-19]將充電站和儲(chǔ)能站相結(jié)合，構(gòu)成充放儲(chǔ)一體化站，配合電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電站之間的靈活能量互動(dòng)，證明了儲(chǔ)能裝置在快充電站的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[20]將靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator，SVG)應(yīng)用于充電站，通過(guò)仿真證明SVG的無(wú)功補(bǔ)償能很好地抑制充電站的電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[21-22]通過(guò)儲(chǔ)能和無(wú)功補(bǔ)償裝置協(xié)同配置來(lái)抑制配電網(wǎng)電壓波動(dòng)等問題，但未能考慮經(jīng)濟(jì)性因素。上述研究的思路主要集中在儲(chǔ)能和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備2個(gè)方面：在儲(chǔ)能方面，往往忽視其功率特性對(duì)充電站電壓質(zhì)量的積極作用；在無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備方面，多未考慮經(jīng)濟(jì)性因素。同時(shí)，上述研究較少考慮電動(dòng)汽車行業(yè)的動(dòng)態(tài)發(fā)展，場(chǎng)景較為單一。因此，如何平衡經(jīng)濟(jì)性和電壓指標(biāo)要求，分析不同場(chǎng)景下的負(fù)荷特性并提出相應(yīng)的快充電站優(yōu)化策略，成為本文研究的重點(diǎn)。

為應(yīng)對(duì)上述問題，本文基于深入發(fā)展新能源汽車的戰(zhàn)略方針，根據(jù)負(fù)荷滲透率將電動(dòng)汽車行業(yè)的不同發(fā)展階段劃分為不同場(chǎng)景，分析不同場(chǎng)景下的負(fù)荷特性，然后對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)和SVG進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，提出快充電站的ESS和SVG協(xié)同配置優(yōu)化策略，并構(gòu)建相應(yīng)的雙層優(yōu)化模型。最后，以IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)不同負(fù)荷滲透率場(chǎng)景進(jìn)行仿真，對(duì)所提策略的經(jīng)濟(jì)性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 ESS和SVG建模

1.1 SVG

1.1.1 SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕驹?/p>

SVG作為能快速響應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，適用于含沖擊性負(fù)荷的系統(tǒng)?？斐潆娬九渲肧VG的作用主要包括：提高快充電站供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低快充電站內(nèi)部的功率損耗；穩(wěn)定快充電站內(nèi)供電電壓、輸出端和輸電線路節(jié)點(diǎn)的電壓，提升快充電站的電能質(zhì)量，增強(qiáng)快充電站的運(yùn)行穩(wěn)定性；在站內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生三相不平衡的場(chǎng)合下，及時(shí)平衡有功和無(wú)功負(fù)載，減少站內(nèi)諧波，提升充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

SVG實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕驹頌椋篠VG內(nèi)部含有由大量電力電子器件組成的橋式電路，將其直接并聯(lián)到快充電站節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)或連接電抗器后再并聯(lián)到電網(wǎng)上，SVG通過(guò)調(diào)節(jié)橋式電路的電壓幅值和相位，或者利用控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)無(wú)功電流的調(diào)節(jié)，滿足實(shí)時(shí)的無(wú)功功率補(bǔ)償需求。圖1為SVG接入快充電站示意圖，其中，US為上層電網(wǎng)的電壓，R為輸電線路電阻，L為SVG接入線路電感，C為SVG補(bǔ)償電容。

圖1 SVG接入快充電站示意圖

圖2為不計(jì)損耗下SVG的單相等效電路及矢量圖，其中，UL為電抗器的電壓，U為SVG輸出電壓，I為SVG輸出的無(wú)功補(bǔ)償電流。

圖2 不計(jì)損耗下SVG單相等效電路及矢量圖

在理想狀態(tài)下電抗器損耗忽略不計(jì)，SVG可視為只進(jìn)行無(wú)功交換的負(fù)載，在這種條件下，保持US和U同相，改變U大小即可控制SVG的電流是超前電壓還是滯后電壓，并控制電流的大小。當(dāng)U>US時(shí)，電壓滯后于電流，SVG吸收的無(wú)功功率為容性；當(dāng)U

(1)

可知，SVG輸出的無(wú)功電流I的相位和大小也會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)橋式電路可控制SVG注入或吸收的無(wú)功功率大小。式(1)中ω為角頻率。

1.1.2 SVG的成本模型

在快充電站配置SVG，既要考慮到對(duì)快充電站電壓質(zhì)量的優(yōu)化效果，又要兼顧SVG的投入成本。因此本節(jié)在快充電站配置SVG時(shí)綜合考慮優(yōu)化效果和運(yùn)行成本2個(gè)層面，建立SVG配置優(yōu)化模型：配置SVG容量時(shí)，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，考慮SVG的投資建設(shè)成本、容量成本和使用壽命，建立SVG全周期壽命的成本計(jì)算模型；同時(shí)，以電壓質(zhì)量為約束，在配置SVG時(shí)考慮優(yōu)化效果，校驗(yàn)配置的SVG容量是否滿足要求。

SVG全周期壽命的成本

CSVG=Cin+Cde，

(2)

Cin=β(r,y)·csvg·∑Ssvg，

(3)

Cde=km·csvg·∑Ssvg.

(4)

式(2)—(4)中：csvg為SVG單位容量的投資建設(shè)成本；Cin為投資建設(shè)成本；Cde為維護(hù)成本；km為SVG單位容量的年維護(hù)成本系數(shù)；Ssvg為SVG配置的容量；β為資金等年值系數(shù)，具體為

(5)

其中r為折現(xiàn)率，y為設(shè)備使用壽命。

本文以供電電壓偏差指標(biāo)(voltage deviation index，VDI)作為優(yōu)化電壓質(zhì)量效果的判定依據(jù)，即

(6)

式中：Ui為快充電站節(jié)點(diǎn)i的時(shí)段電壓；ΔUi為節(jié)點(diǎn)i供電電壓偏差的模值大小，反映節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量的優(yōu)劣，ΔUi越小說(shuō)明節(jié)點(diǎn)電壓偏差越小，電能質(zhì)量越優(yōu)；Umax和Umin分別為節(jié)點(diǎn)電壓所允許的最大值和最小值；kΔU為電壓越界的罰量因子。

SVG設(shè)備的優(yōu)化效果可通過(guò)供電電壓質(zhì)量偏差CVDI來(lái)體現(xiàn)，

(7)

式中：N為配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)；T為1 d內(nèi)的總時(shí)段數(shù)，以1 h為1個(gè)時(shí)段，T=24。

1.2 ESS

1.2.1 ESS的應(yīng)用可行性分析

儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展與成熟使其具有廣泛的應(yīng)用前景，在越來(lái)越多的領(lǐng)域受到關(guān)注，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的又一熱點(diǎn)。ESS在快充電站中的應(yīng)用場(chǎng)景多與其特性密切相關(guān)，主要分為利用ESS的功率調(diào)節(jié)特性來(lái)改善負(fù)荷和利用ESS的容量特性來(lái)賺取電價(jià)差2個(gè)方面，如圖3所示。

圖3 ESS在快充電站應(yīng)用的典型場(chǎng)景分析

對(duì)于中心城市的快充電站，當(dāng)快充負(fù)荷滲透率進(jìn)一步提高后，快充電站負(fù)荷峰值升高，對(duì)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的壓力進(jìn)一步加大。通過(guò)配置ESS，在快充負(fù)荷低谷時(shí)段充電，在快充負(fù)荷峰值時(shí)段放電，能很好地平移快充負(fù)荷，從而降低對(duì)配電網(wǎng)的影響。單獨(dú)配置ESS受充放電容量的限制，將難以滿足需求，而單獨(dú)配置大容量SVG會(huì)帶來(lái)過(guò)高成本，因此，將ESS和SVG共同應(yīng)用于快充電站，通過(guò)兩者的協(xié)同配置共同優(yōu)化快充電站的運(yùn)行，能夠有效地降低對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響并兼顧經(jīng)濟(jì)成本。

1.2.2 ESS的成本模型

經(jīng)濟(jì)性是快充電站應(yīng)用ESS必須考慮的重要因素。ESS的功率調(diào)節(jié)特性可以減輕快充負(fù)荷的沖擊，保證配電網(wǎng)電能質(zhì)量，從而保證充電站能穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也能發(fā)揮削峰填谷等輔助功能，帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。ESS在站內(nèi)負(fù)荷低谷時(shí)期接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)中獲得電能；在站內(nèi)負(fù)荷高峰時(shí)期協(xié)同站內(nèi)的SVG，對(duì)快充電站的有功、無(wú)功缺額進(jìn)行補(bǔ)償，從而保障站內(nèi)的電壓質(zhì)量。因此，配置ESS的經(jīng)濟(jì)性分析應(yīng)該包括ESS投資成本分析和ESS收益分析2個(gè)部分。

ESS成本CESS是指快充電站應(yīng)用ESS所產(chǎn)生的全部成本，包括ESS的固定建設(shè)成本CINV、運(yùn)行維護(hù)成本CBA以及充放電收益中的充電成本，為便于處理，將充電成本歸入充放電收益中。

CESS=CINV+CBA，

(8)

(9)

(10)

式(9)、(10)中：cess、ccon分別為儲(chǔ)能電池和功率轉(zhuǎn)換裝置的單位容量成本；Wess,n、Wcon,n分別為第n個(gè)快充電站配置的儲(chǔ)能電池容量和功率轉(zhuǎn)換裝置容量；Ness為配有ESS的快充電站總數(shù)；kBA為儲(chǔ)能電池的年運(yùn)行維護(hù)系數(shù)；Ny為儲(chǔ)能電池的壽命。

ESS收益RESS是指快充電站在應(yīng)用ESS優(yōu)化運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生的綜合性收益，包括ESS通過(guò)功率調(diào)節(jié)來(lái)維持快充電站穩(wěn)定運(yùn)行而減少的充電站損失Rrun和ESS輔助充放電過(guò)程中利用峰谷電價(jià)差而獲取的充放電收益Rchar-disc。

RESS=Rrun+Rchar-disc，

(11)

Rrun=kup·PBA·β(r,y)+365·ke·Toff，

(12)

(13)

式(11)、(12)中：kup為快充電站單位容量擴(kuò)建費(fèi)用；PBA為削減的負(fù)荷峰值；ke為快充電站每小時(shí)的售電凈收益；Toff為快充電站1 d內(nèi)電壓質(zhì)量不合格的時(shí)段數(shù)；Pch、Pdc分別為ESS的充電和放電功率；ec、ed分別為ESS的充電電價(jià)和放電電價(jià)。

2 快充電站功率補(bǔ)償設(shè)備容量配置模型

ESS和SVG協(xié)同參與快充電站的優(yōu)化運(yùn)行，能夠更好地發(fā)揮ESS和SVG的調(diào)壓特性，同時(shí)ESS還能為充電站帶來(lái)電價(jià)輔助收益，有望降低充電站的投入成本?？紤]SVG設(shè)備的工作特性、快充電站所在配電網(wǎng)的電壓等級(jí)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫蛩?，?gòu)建ESS和SVG協(xié)同配置的快充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ESS和SVG協(xié)同配置的快充電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以某配電網(wǎng)中一個(gè)快充電站為例，為提升快充負(fù)荷高滲透率下的快充電站電壓質(zhì)量，保證快充電站經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，考慮為其配置適當(dāng)容量的ESS，集中式的ESS通過(guò)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)接入站內(nèi)低壓直流側(cè)。在車輛接入低谷時(shí)段，ESS從電網(wǎng)獲得電能，此時(shí)ESS相當(dāng)于負(fù)荷；在車輛接入高峰時(shí)段，ESS通過(guò)直流線路將電能直接傳輸至快速充電樁端口對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，此時(shí)ESS相當(dāng)于電源，與電網(wǎng)一起向接入的電動(dòng)汽車補(bǔ)充電能。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

上述快充電站充電場(chǎng)景中，SVG為快充電站提供無(wú)功功率，ESS既能提供有功功率也能在一定程度上提供無(wú)功功率，2種設(shè)備在快充電站內(nèi)的作用存在差異，并且設(shè)備的動(dòng)作快慢和時(shí)間長(zhǎng)短不一。為發(fā)揮各自的功能特性，在時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)兩者的相互配合，本文采用雙層規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型：上層規(guī)劃ESS和SVG的容量配置，所配置的容量是下層的運(yùn)行約束條件；下層從時(shí)間尺度出發(fā)，優(yōu)化ESS和SVG的時(shí)段出力，以電壓質(zhì)量為約束，求出最小運(yùn)行費(fèi)用反饋到上層的目標(biāo)函數(shù)中；上下層相互迭代，最終實(shí)現(xiàn)ESS和SVG容量的最優(yōu)配置。具體數(shù)學(xué)表達(dá)為

(14)

式中：fup、fdown分別為上、下層目標(biāo)函數(shù)；G、g分別為上、下層約束條件；u、v分別為上、下層決策變量；u*、v*分別為上、下層決策變量給定值。

2.2 上層模型

上層配置模型的決策變量是ESS和SVG的容量，以設(shè)備的投資成本最小和配電網(wǎng)電壓偏差最小為目標(biāo)，有

minfup=CSVG+CESS+RESS+CVDI.

(15)

上層模型包括以下約束條件。

a)SVG容量約束為

(16)

b)ESS容量約束為

(17)

2.3 下層模型

下層模型需要考慮ESS和SVG的協(xié)調(diào)運(yùn)行策略，下層運(yùn)行模型的決策變量是SVG的時(shí)段出力和ESS的時(shí)段充放電功率，以上層的容量配置方案作為約束，通過(guò)尋優(yōu)算法求出使得運(yùn)行電壓偏差最小的ESS和SVG的協(xié)調(diào)出力策略，返回給上層模型。下層運(yùn)行模型的目標(biāo)函數(shù)為運(yùn)行電壓偏差最小，有

(18)

下層模型包括以下約束條件。

a)SVG的運(yùn)行出力約束為

(19)

b)ESS的充放電功率約束為

(20)

c)ESS剩余電量約束。ESS每日要進(jìn)行多次充放電操作，為了提高電池的使用壽命，每次充放電結(jié)束的剩余電量應(yīng)該滿足最大放電深度的約束，即

(21)

d)ESS的充放電電量約束為

(22)

式中：ηch、ηdc分別為ESS的充電和放電效率；Ei,0為ESS的初始電量。

e)配電網(wǎng)潮流約束為

(23)

f)運(yùn)行電壓約束為

Umin≤Ui,t≤Umax，

(24)

式中Ui,t為時(shí)段t節(jié)點(diǎn)i電壓。

2.4 求解模型

PSO算法兼具強(qiáng)大的局部尋優(yōu)和全局搜索能力，并且具有容易實(shí)現(xiàn)、尋優(yōu)精度高、收斂速度快等特點(diǎn)，適用于本文所提出的雙層優(yōu)化模型?；赑SO算法的模型求解流程如圖5所示。

圖5 基于PSO算法的模型求解流程

3 算例仿真

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展以及我國(guó)建設(shè)汽車強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的推進(jìn)，電動(dòng)汽車在城市出行中的應(yīng)用愈發(fā)普遍，相應(yīng)地，快充負(fù)荷滲透率也在不斷升高。在快充負(fù)荷滲透率較低的階段，快充電站配置一定容量的SVG等無(wú)功補(bǔ)償裝置便能夠有效地控制快充負(fù)荷帶來(lái)電能污染，滿足配電網(wǎng)電壓要求。然而，隨著快充負(fù)荷滲透率的進(jìn)一步提高，快充電站所需配置的SVG等無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量不斷增大，其投資運(yùn)維成本顯著增加，此時(shí)綜合考慮ESS的經(jīng)濟(jì)收益，實(shí)現(xiàn)ESS和SVG協(xié)同優(yōu)化配置，將更有利于快充電站的進(jìn)一步發(fā)展。

基于此，本文以IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)作為仿真背景，并在9、16、33號(hào)節(jié)點(diǎn)布置大型快充電站，同時(shí)根據(jù)電動(dòng)汽車發(fā)展的不同階段將快充負(fù)荷的充電場(chǎng)景劃分為發(fā)展期快充負(fù)荷滲透率場(chǎng)景(場(chǎng)景1，負(fù)荷滲透率為20%)和成熟期快充負(fù)荷滲透率場(chǎng)景(場(chǎng)景2，負(fù)荷滲透率為30%)，按照本文所建立的模型針對(duì)不同場(chǎng)景在快充電站配置ESS和SVG，實(shí)現(xiàn)快充電站的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。布置有快充電站的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 布置有快充電站的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)

3.1 場(chǎng)景1

3.1.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

場(chǎng)景1僅需要配置適當(dāng)容量的SVG裝置便能以較低的經(jīng)濟(jì)成本實(shí)現(xiàn)對(duì)快充電站以及電網(wǎng)的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化。應(yīng)用MATLAB搭建快充電站配置SVG的仿真模型，以圖6所示的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)作為仿真背景，僅在節(jié)點(diǎn)9、16、33處接入SVG裝置，系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓12.66 kV，基準(zhǔn)容量10 MVA。假設(shè)：該區(qū)域機(jī)動(dòng)車保有量為30輛，電動(dòng)汽車用戶約占機(jī)動(dòng)車總用戶數(shù)的一半；快充負(fù)荷在3座快充電站涵蓋的區(qū)域均勻分布；快充充電效率為0.95，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷為基本負(fù)荷與快充負(fù)荷的和值，其中快充電站日負(fù)荷曲線如圖7所示。

圖7 場(chǎng)景1下快充電站日負(fù)荷曲線

3.1.2 仿真結(jié)果分析

a)快充負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響分析。本節(jié)借助matpower潮流計(jì)算工具，在MATLAB中進(jìn)行潮流仿真計(jì)算，得到場(chǎng)景1下配電網(wǎng)基荷疊加快充電站內(nèi)集群充電負(fù)荷后導(dǎo)致的各節(jié)點(diǎn)電壓水平變化，如圖8所示。

圖8 含快充電站的配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓水平變化

從圖8可以看出，在快充負(fù)荷的影響下，含快充電站的節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)了明顯下降，甚至在多個(gè)時(shí)段出現(xiàn)了電壓質(zhì)量不合格的情況，也對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的電壓質(zhì)量造成了影響。進(jìn)一步分析未配置SVG時(shí)快充電站電壓質(zhì)量情況，以9號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，未配置SVG時(shí)快充電站的日電壓曲線如圖9所示。

圖9 未配置SVG時(shí)9號(hào)節(jié)點(diǎn)的日電壓曲線

由圖9可以看出，快充電站內(nèi)的電壓水平有十分明顯的波動(dòng)，在多個(gè)時(shí)段出現(xiàn)了電壓質(zhì)量不合格情況，對(duì)快充電站的運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響，站內(nèi)的電壓質(zhì)量水平有待提高。

b)快充電站配置SVG的結(jié)果分析。為提高站內(nèi)電壓質(zhì)量，在快充電站內(nèi)配置SVG，通過(guò)PSO算法尋優(yōu)得到最佳配置容量，尋優(yōu)過(guò)程如圖10所示。

圖10 PSO算法尋優(yōu)過(guò)程

由圖10可以看出，PSO算法尋優(yōu)在迭代80代左右時(shí)收斂，具體尋優(yōu)結(jié)果見表1，SVG的無(wú)功出力優(yōu)化如圖11所示。

表1 PSO尋優(yōu)的SVG配置結(jié)果

圖11 SVG各時(shí)段無(wú)功出力的優(yōu)化結(jié)果

由圖11可知，快充電站SVG的無(wú)功出力跟隨時(shí)段負(fù)荷情況變化，負(fù)荷高峰時(shí)段出力大，負(fù)荷低谷時(shí)段出力較小。根據(jù)上述配置結(jié)果，得到優(yōu)化后配電網(wǎng)日電壓水平如圖12所示。

對(duì)比圖8和圖12可知，配置SVG優(yōu)化后對(duì)快充電站和所在配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量有明顯的提升效果，在快充電站內(nèi)負(fù)荷高峰時(shí)段，通過(guò)SVG的無(wú)功出力補(bǔ)償能有效將站內(nèi)電壓拉升至合格水平，由此證明本文所構(gòu)建模型在場(chǎng)景1下能有效改善快充電站因快充負(fù)荷造成的電壓降落。此外，SVG的優(yōu)越性能使得其能跟隨負(fù)荷的變化情況快速調(diào)整出力，時(shí)刻保障快充電站電壓質(zhì)量滿足電網(wǎng)要求。

圖12 配置SVG優(yōu)化后配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓水平變化

3.2 場(chǎng)景2

在場(chǎng)景2中如果僅配置SVG裝置，則需要在快充電站配置大容量的SVG，以保障快充電站穩(wěn)定運(yùn)行。然而，在快充電站運(yùn)行過(guò)程中，SVG承擔(dān)的功能較為單一，大容量SVG雖然能較好地改善快充電站運(yùn)行狀況，提升快充電站電壓質(zhì)量，但大容量SVG投入成本太高，使得綜合投入成本明顯增加。而儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，使得ESS應(yīng)用成本快速下降，在配電網(wǎng)中有廣闊的應(yīng)用前景。因此，綜合配置ESS和SVG，將在滿足快充電站電壓質(zhì)量要求的前提下，有效降低經(jīng)濟(jì)成本。

3.2.1 仿真場(chǎng)景設(shè)置

本節(jié)仍以圖6所示的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)作為仿真背景，在9、16、33號(hào)節(jié)點(diǎn)分別配置ESS和SVG，此時(shí)快充電站的日負(fù)荷壓力進(jìn)一步增加，典型日負(fù)荷曲線如圖13所示。

圖13 場(chǎng)景2下快充電站的典型日負(fù)荷曲線

ESS的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：cess=3 000元/(kV·A)，ccon=3 000元/kWh；kBA=0.04，Ny=10；kup=10 000元/kW，ke=100元/h，D=0.9。電價(jià)變化趨勢(shì)設(shè)置為：07：00—9：00和16：00—19：00為峰時(shí)段電價(jià)，取0.595 3元/kWh；其余時(shí)段為平時(shí)段電價(jià)，取0.315 3元/kWh。SVG相關(guān)參數(shù)和其他基本參數(shù)的設(shè)置同3.1.1節(jié)。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

3.2.2.1 對(duì)配電網(wǎng)電壓的進(jìn)一步影響

將圖13中快充電站的典型日負(fù)荷與系統(tǒng)基荷疊加，借助matpower潮流計(jì)算工具，在MATLAB中進(jìn)行潮流仿真計(jì)算，得到在場(chǎng)景2下快充電站內(nèi)集群充電負(fù)荷的變化導(dǎo)致的快充電站節(jié)點(diǎn)電壓水平變化，其中9號(hào)節(jié)點(diǎn)日電壓曲線如圖14所示。

圖14 場(chǎng)景2下9號(hào)節(jié)點(diǎn)日電壓曲線

對(duì)比圖9和圖14可知，場(chǎng)景2下快充電站內(nèi)的負(fù)荷進(jìn)一步加重，同時(shí)在配電網(wǎng)系統(tǒng)中對(duì)其所在節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量的影響也進(jìn)一步增大，尤其在快充負(fù)荷集中的時(shí)段，對(duì)快充電站所在節(jié)點(diǎn)電壓的影響十分明顯，多個(gè)時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了快充電站電能質(zhì)量不合格情況，嚴(yán)重影響快充電站的運(yùn)行，同時(shí)也對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。

3.2.2.2 協(xié)同配置ESS和SVG的結(jié)果分析

借助MATLAB開展與3.1.2節(jié)類似的仿真，對(duì)本場(chǎng)景下所建立的SVG-ESS協(xié)同配置模型進(jìn)行求解，得到快充電站ESS和SVG協(xié)同配置結(jié)果見表2。

表2 快充電站ESS和SVG協(xié)同配置結(jié)果

根據(jù)表2結(jié)果計(jì)算可得，配置ESS的年綜合投資成本為235.5萬(wàn)元，ESS年綜合收益83.2萬(wàn)元，而配置SVG的年投資成本為128.4萬(wàn)元，所提策略的總成本為280.7萬(wàn)元。

為進(jìn)一步說(shuō)明本場(chǎng)景下快充電站協(xié)同配置ESS和SVG的優(yōu)越性，另設(shè)僅配置SVG的對(duì)比方案。通過(guò)仿真可知，在同樣滿足電壓質(zhì)量要求的前提下，9號(hào)節(jié)點(diǎn)需配置SVG容量2.81 Mvar，16號(hào)節(jié)點(diǎn)需配置2.63 Mvar，33號(hào)節(jié)點(diǎn)需配置2.10 Mvar，總成本為295.63萬(wàn)元。對(duì)比可知，非協(xié)同配置運(yùn)行成本高于協(xié)同配置的成本，主要是由于場(chǎng)景2下快充電站的峰值負(fù)荷較大，若沒有ESS參與削峰，需要投入大容量的SVG來(lái)保障快充電站的電能質(zhì)量，因而造成配置成本高昂。

協(xié)同優(yōu)化策略下，ESS有功功率運(yùn)行曲線如圖15所示，SVG無(wú)功出力和ESS無(wú)功功率運(yùn)行曲線如圖16所示。

圖15 ESS有功功率運(yùn)行曲線

圖16 SVG無(wú)功出力和ESS無(wú)功功率運(yùn)行曲線

由圖15可見：ESS在快充電站負(fù)荷較低的時(shí)段以較低的功率開始充電，從電網(wǎng)獲取電能；在負(fù)荷高峰同時(shí)也是峰值電價(jià)時(shí)段以較高的放電功率進(jìn)行放電，削減快充電站的負(fù)荷峰值，減輕快充電站的負(fù)荷壓力。

由圖16可知，各快充電站內(nèi)配置的SVG的無(wú)功出力1 d中的大多時(shí)段都是處于高水平運(yùn)行狀態(tài)，尤其是在快充電站內(nèi)負(fù)荷壓力最大的時(shí)段，ESS和SVG的無(wú)功出力均出現(xiàn)較大峰值。這是因?yàn)榭斐潆娬緝?nèi)負(fù)荷峰值時(shí)段導(dǎo)致的站內(nèi)電壓質(zhì)量問題更加突出，ESS和SVG會(huì)隨之持續(xù)發(fā)出較多的無(wú)功功率，以維持快充電站內(nèi)的電壓在合理范圍內(nèi)。此外，SVG在1 d中的運(yùn)行波動(dòng)范圍較大，這樣的運(yùn)行方式也是和SVG良好的動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)整特性相匹配的。

根據(jù)ESS和SVG協(xié)同優(yōu)化策略的運(yùn)行出力結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后的快充電站內(nèi)的電壓質(zhì)量提升效果進(jìn)行分析。以9號(hào)節(jié)點(diǎn)的快充電站為例，將優(yōu)化運(yùn)行后的潮流計(jì)算結(jié)果和圖14曲線展示在一個(gè)圖中進(jìn)行對(duì)比，如圖17所示。

圖17 優(yōu)化前后快充電站電壓質(zhì)量變化對(duì)比

由圖17可明顯看出，ESS和SVG協(xié)同優(yōu)化后，快充電站內(nèi)的電壓質(zhì)量得到了明顯改善，電壓波動(dòng)性明顯降低，且電壓水平有所升高，即使在負(fù)荷高峰時(shí)段，也能保證快充電站的電壓質(zhì)量在合格水平內(nèi)，大大提升了快充電站的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)不同發(fā)展階段的電動(dòng)汽車行業(yè)進(jìn)行了充電場(chǎng)景劃分，對(duì)快充電站不同充電場(chǎng)景下的負(fù)荷特性進(jìn)行了分析，針對(duì)不同快充負(fù)荷滲透率的快充電站充電場(chǎng)景，提出了相應(yīng)的快充電站功率補(bǔ)償設(shè)備的配置優(yōu)化策略，并通過(guò)仿真算例分場(chǎng)景驗(yàn)證了通過(guò)所提策略得到的定容方案能夠明顯提升快充電站節(jié)點(diǎn)的電壓質(zhì)量，能在滿足配電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的同時(shí)，保證快充電站的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。后續(xù)研究將進(jìn)一步結(jié)合電力容量市場(chǎng)[23-24]等輔助市場(chǎng)，探究保證快充電站電壓質(zhì)量的其他方法。