CN108493972A - 一种电动汽车短时备用能力的评估方法 - Google Patents

一种电动汽车短时备用能力的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车短时备用能力的评估方法，包括确定计及用户出行需求的电动汽车充/放电合约中的参数；给出影响电动汽车充/放电路径的充/放电可行域；基于充/放电可行域，给出影响电动汽车备用能力的功率边界约束和电量边界约束；计算最低电量约束线；考虑电池寿命约束，给出电动汽车的放电深度和单个调度周期内放电次数约束；基于所有约束，给出电动汽车备用能力的计算方法。本发明可以快速评估电动汽车的短时备用能力。

Description

一种电动汽车短时备用能力的评估方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车短时备用能力的评估方法，属于电力辅助服务市场领域。
背景技术
现有电力***主要利用发电侧的备用措施资源实现功率的实时平衡：在需要向上调节时，一般通过调度传统发电机组，如煤电、气电、水电等来实现；在需要向下调节时，可调资源可进一步扩大到风、光等新能源电源。尤以我国这样以煤电为主的电源结构，煤电机组启动慢、存在最小技术出力约束，依赖煤电调节风电、光伏等新能源发电波动存在较大的局限性：要么因煤电开机量过多产生弃风弃光问题，引起清洁能源资源的极大浪费；要么因煤电来不及开机或调节速率不足，导致调节跟不上可再生能源的快速波动，引起停电风险。因此，常规的备用措施资源及调度手段越来越不能适应新形势的发展，有必要充分发现、挖掘其它快速功率调节资源，例如发挥需求侧备用措施资源的作用，寻找技术上可靠、经济上可行的智能电网解决方案。
从技术层面来看，电动汽车是潜在的、优质的需求侧备用措施资源，兼具可调控负荷和储能的特性，其在调峰、调频、备用方面的应用前景逐渐受到人们的重视。电动汽车集群一般位于负荷中心，可迅速切换充、放电状态提供瞬时响应。
从经济层面来看，将来绝大多数电动汽车由私人用户所有，电网公司无需分摊其购置费用。但电网公司为了获取电动汽车的调度权，仍需依赖有效运转的发电及辅助服务市场，引入合理的激励机制，付出相应的控制成本。辅助服务市场机制设计的复杂性决定了它是现阶段我国电力改革面临的主要难题之一。电动汽车的分布式特性令其无法直接接入较为集中的批发性电力市场，而便于管理和分析的电动汽车集群在分类特征识别上又极为复杂。当前的研究缺乏电动汽车短时运行备用能力的评估方法。
电动汽车参与运行备用的能力与当前充/放电功率、当前荷电量状态、电池组容量、最大充/放电功率、以及用车开始和结束时间等因素有关；由于其中的一些因素为时变因素，因此充电过程中电动汽车提供备用的能力也呈现出时变特征。更重要的是，作为一种可调控负荷甚至分布式储能装置，电动汽车的备用能力决定于需求弹性，而需求弹性又由充电合约决定，充电合约最终由用户参与意愿决定。因此，亟待提出计及用户出行需求的电动汽车短时运行备用能力的评估方法，以此量化电动汽车的备用能力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电动汽车短时备用能力的评估方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种电动汽车短时备用能力的评估方法，包括以下步骤，
确定计及用户出行需求的电动汽车充/放电合约中的参数；
给出影响电动汽车充/放电路径的充/放电可行域；
基于充/放电可行域，给出影响电动汽车备用能力的功率边界约束和电量边界约束；
计算最低电量约束线；
考虑电池寿命约束，给出电动汽车的放电深度和单个调度周期内放电次数约束；
基于所有约束，给出电动汽车备用能力的计算方法。
充/放电合约中的参数包括入网时间、离网时间、起始电量、保底电量、期望电量和充电价格。
功率边界用最大充/放电功率表示，当不受电量边界影响时，功率边界为固定值；反之，功率边界呈现时变特征。
功率边界约束为，
Pcu(t)≤P(t)+PGmax
Pcd(t)≤PLmax-P(t)
-PGmax≤P(t)≤PLmax
其中，Pcu(t)为当前上备用容量，Pcd(t)为当前下备用容量，PLmax、PGmax分别为最大充电功率和放电功率，P(t)为当前充/放电功率，
P(t)＝Sc(t)PL(t)ηL-Sd(t)PG(t)ηG，PL(t)、PG(t)分别为实时充电功率和放电功率，ηL、ηG分别为充电效率和放电效率，Sc(t)为充电状态(0，1)整数变量，Sd(t)为放电状态(0，1)整数变量。
电量边界用最大/最小电量表示，电量边界在各个时刻处于动态变化中。
电量边界约束为，
E(texp)≥Eexp
其中，E(t)为电动汽车电池实时电量，Estart为电动汽车刚接入电网时起始电量，tstart为电动汽车接入电网时间，Ems为保底电量，tms为电动汽车充电至保底电量的时间，如果Estart≥Ems，则tms＝tstart，texp为电动汽车离网时间，Eexp和Emax分别为离网时用户的期望电量和电池容量，E(texp)为到离网时间时电动汽车的电池电量。
最低电量约束线为，
其中，Emin(t)为最低电量约束线。
放电深度约束，
Ems＝max(Ems,(1-D)Emax)
其中，D为放电深度；
单个调度周期内放电次数约束，
nc≤1
其中，nc为单个调度周期内放电次数。
将一个调度周期T分割为n个长度为Δt的时段，冻结Δt内功率的时变性，
电动汽车备用能力的计算公式为，
其中，Pcu(k)为第k个时间段上备用容量，Pcd(k)为第k个时间段下备用容量，P(k)为第k个时间段充/放电功率，E(k)为电动汽车电池第k个时间段电量，Emin(k+1)为第k+1个时间段最低电量约束，v(k)为第k个时间段电动汽车是否在线的状态，
本发明所达到的有益效果：1、本发明可以快速评估电动汽车的短时备用能力；2、本发明计算电动汽车的备用能力时考虑了用户的不确定出行需求。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为充/放电可行域示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种电动汽车短时备用能力的评估方法，包括以下步骤：
步骤1，确定计及用户出行需求的电动汽车充/放电合约中的参数。
充/放电合约需要满足用户的各类出行需求，包括不确定性需求；因此电动汽车的电量需始终大于与用户约定的某一数值(称为保底电量Ems)，以保障用户不定时用车需求。
根据电动汽车刚接入电网时起始电量Estart的不同，充/放电策略可按2步考虑：a)Estart＜Ems时，立即以最大充电功率充电至保底电量，然后启用下一步的充电策略；b)Estart≥Ems时，进一步应用给定的充/放电策略。因此，充/放电合约中的参数包括入网时间、离网时间、起始电量、保底电量、期望电量和充电价格。
步骤2，给出影响电动汽车充/放电路径的充/放电可行域。
考虑到在“离网时间”前达到或超过“期望电量”(附图2中状态④)，充/放电策略输出在“时间-电量”平面上留下的路径只能被限定在一定区域内，将此区域称为充/放电可行域，充/放电可行域内有任意多条路径可选，一条路径即是一种充/放电策略。附图2中，tstart为电动汽车接入电网时间，texp为电动汽车离网时间，Eexp和Emax分别为离网时用户的期望电量和电池容量。影响充/放电可行域内电动汽车充/放电的路径的主要参量为最大充/放电功率、电池容量、保底电量、期望电量、充电开始时间、充电结束时间、当前充/放电功率、当前电量状态，以及计及电池寿命的放电深度和放电次数。
步骤3，基于充/放电可行域，给出影响电动汽车备用能力的功率边界约束和电量边界约束。
功率边界用最大充/放电功率表示，当不受电量边界影响时，功率边界为固定值；反之，功率边界呈现时变特征。电动汽车的当前充/放电功率P(t)＝Sc(t)PL(t)ηL-Sd(t)PG(t)ηG，其中PL(t)、PG(t)分别为实时充电功率和放电功率，ηL、ηG分别为充电效率和放电效率，Sc(t)为充电状态(0，1)整数变量，Sc(t)＝1表示电动汽车处于充电状态，Sc(t)＝0表示电动汽车处于非充电状态，Sd(t)为放电状态(0，1)整数变量，Sd(t)＝1表示电动汽车处于放电状态，Sd(t)＝0表示电动汽车处于非放电状态；Sc(t)+Sd(t)≤1。
受最大充/放电功率约束，功率边界约束为：
Pcu(t)≤P(t)+PGmax (1)
Pcd(t)≤PLmax-P(t) (2)
-PGmax≤P(t)≤PLmax (3)
其中，Pcu(t)为当前上备用容量，Pcd(t)为当前下备用容量，PLmax、PGmax分别为最大充电功率和放电功率。
电量边界用最大/最小电量表示，电量边界在各个时刻处于动态变化中。正是电量边界的存在，使得电动汽车的备用能力相对传统机组来说更为有限，主要体现在不能长时间持续提供调峰或备用容量。
电量边界约束为：
E(texp)≥Eexp (5)
其中，E(t)为电动汽车电池实时电量，tms为电动汽车充电至保底电量的时间，如果Estart≥Ems，则tms＝tstart，E(texp)为到离网时间时电动汽车的电池电量。
步骤4，计算最低电量约束线。
由于电池受最大充电功率约束，为了确保在计划时间内满足用户的期望电量要求，在电动汽车开始接受调控到离网的时段内，电池电量都应有一个最低电量要求，容易推导出各时刻最低电量约束线(对应附图2中状态②-状态③线段和状态③-状态④线段)，如式(7)所示，因此式(4)可进一步写成式(8)。一旦电池电量落在最低电量约束线上，充电弹性将立即消失，必须立刻按照最大充电功率进行充电，才能在用户离网时达到期望电量。
其中，Emin(t)为最低电量约束线。
步骤5，考虑电池寿命约束，给出电动汽车的放电深度和单个调度周期内放电次数约束。
除功率和电量边界外，考虑到对电池寿命的保护，充/放电合约中也包括放电深度D和放电次数nc对放电过程加以限制的条件，这本质上也会缩小充/放电可行域内电动汽车的充/放电路径。
放电深度约束为：
Ems＝max(Ems,(1-D)Emax) (9)
考虑放电次数约束为单个调度周期内最多放电1次，单个调度周期内放电次数约束为：
nc≤1 (10)。
步骤6，基于所有约束，给出电动汽车备用能力的计算方法。
不妨对时间轴离散化，将一个调度周期T分割为n个长度为Δt的时段，冻结Δt内功率的时变性，则式(6)可改写为式(11)，其中v(k)为第k个时间段电动汽车是否在线的状态(“1”表示在线，“0”表示离线)。由式(1)-式(9)，易知电动汽车上、下备用能力可按式(12)、式(13)计算。
其中，Pcu(k)为第k个时间段上备用容量，Pcd(k)为第k个时间段下备用容量，P(k)为第k个时间段充/放电功率，E(k)为电动汽车电池第k个时间段电量，Emin(k+1)为第k+1个时间段最低电量约束，E(k)-Emin(k+1)为第k个时间内的最大可放电量，[E(k)-Emin(k+1)]/Δt+P(k)为考虑当前工况下电动汽车的可放电量潜力，反映出电量边界的影响；式(12)和式(13)意在通过比较功率边界与电量边界，计算出各时段电动汽车的上、下备用容量。
为了进一步说明上述方法，将其应用于某辆电动汽车参与有序充/放电，仿真算例设置如下：充电时段为19:00～次日07:00，电池容量Emax＝30kWh，保底电量Ems＝50％Emax，期望电量Eexp＝95％Emax，放电深度D＝50％，最大充电功率PLmax＝3.3kW，最大放电功率PGmax＝3.3kW，时间尺度Δt＝1小时，起始电池电量Estart＝50％Emax。
约束条件式(1)～式(10)，根据式(12)～式(13)计算不同初始充电策略下电动汽车备用能力，仿真结果见表1；其中充电策略1为不允许放电且延时3h充电，充电策略2为允许放电且延时3h充电。
表1不同充电策略下电动汽车备用能力的仿真结果
上、下备用容量价格的设置见表2。经计算选择初始充电策略为策略1和策略2的用户备用价值分别为0.972元和2.127元。
表2各时段的备用容量价格
综上所述，上述方法可以快速计算出电动汽车的短时备用能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：包括以下步骤，
确定计及用户出行需求的电动汽车充/放电合约中的参数；
给出影响电动汽车充/放电路径的充/放电可行域；
基于充/放电可行域，给出影响电动汽车备用能力的功率边界约束和电量边界约束；
计算最低电量约束线；
考虑电池寿命约束，给出电动汽车的放电深度和单个调度周期内放电次数约束；
基于所有约束，给出电动汽车备用能力的计算方法。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：充/放电合约中的参数包括入网时间、离网时间、起始电量、保底电量、期望电量和充电价格。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：功率边界用最大充/放电功率表示，当不受电量边界影响时，功率边界为固定值；反之，功率边界呈现时变特征。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：功率边界约束为，
Pcu(t)≤P(t)+PGmax
Pcd(t)≤PLmax-P(t)
-PGmax≤P(t)≤PLmax
其中，Pcu(t)为当前上备用容量，Pcd(t)为当前下备用容量，PLmax、PGmax分别为最大充电功率和放电功率，P(t)为当前充/放电功率，P(t)＝Sc(t)PL(t)ηL-Sd(t)PG(t)ηG，PL(t)、PG(t)分别为实时充电功率和放电功率，ηL、ηG分别为充电效率和放电效率，Sc(t)为充电状态(0，1)整数变量，Sd(t)为放电状态(0，1)整数变量。
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：电量边界用最大/最小电量表示，电量边界在各个时刻处于动态变化中。
6.根据权利要求5所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：电量边界约束为，
E(texp)≥Eexp
其中，E(t)为电动汽车电池实时电量，Estart为电动汽车刚接入电网时起始电量，tstart为电动汽车接入电网时间，Ems为保底电量，tms为电动汽车充电至保底电量的时间，如果Estart≥Ems，则tms＝tstart，texp为电动汽车离网时间，Eexp和Emax分别为离网时用户的期望电量和电池容量，E(texp)为到离网时间时电动汽车的电池电量。
7.根据权利要求1所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：最低电量约束线为，
其中，Emin(t)为最低电量约束线。
8.根据权利要求1所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：放电深度约束，
Ems＝max(Ems,(1-D)Emax)
其中，D为放电深度；
单个调度周期内放电次数约束，
nc≤1
其中，nc为单个调度周期内放电次数。
9.根据权利要求1所述的一种电动汽车短时备用能力的评估方法，其特征在于：将一个调度周期T分割为n个长度为Δt的时段，冻结Δt内功率的时变性，
电动汽车备用能力的计算公式为，
其中，Pcu(k)为第k个时间段上备用容量，Pcd(k)为第k个时间段下备用容量，P(k)为第k个时间段充/放电功率，E(k)为电动汽车电池第k个时间段电量，Emin(k+1)为第k+1个时间段最低电量约束，v(k)为第k个时间段电动汽车是否在线的状态，
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