CN109389236A - 电动汽车有序充电与无功优化协调控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，特征在于包括区域配网参数初始化及电动汽车充电信息初始化的初始化步骤，计算电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案的步骤，显示电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案和总网损等信息的步骤。计算规划方案的步骤包括确定以配电网总网损最小的目标函数、确定约束条件、混合整数规划算法求解优化问题。本协调控制方法综合考虑电动汽车有序充电能力与配电网无功补偿措施、以配电网总网损最小为目标提出的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车充电策略优化领域，涉及一种综合考虑电动汽车有序充电能力与配电网无功补偿措施、以配电网总网损最小为目标提出的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法。
背景技术
电动汽车的发展近来备受关注，它的大规模应用被视为缓解能源紧缺和大气环境污染以及促进低碳经济实现的最有效方式之一，以其为代表的新能源汽车是未来汽车产业发展的必然趋势。
电动汽车是电力***的新型负荷，其充电在时间和空间上都具有随机性，且大规模电动汽车的集中充电将极大影响传统负荷曲线，影响电力***的安全稳定运行。电动汽车既是电能的使用者，也可以被当作电能存储装置使用。通过协调大量的电动汽车在用电低谷时段多充电，而在用电高峰时段少充电甚至放电的方式实现对负荷削峰填谷，同时减弱可再生能源的间歇性对***运行所带来的负面影响。同时，在电力***之中设置有众多无功补偿装置，起到减小电压波动和降低网损的作用，日益成为电网正常运行不可或缺的一部分。将电动汽车的有序充电与无功补偿协调起来，会显著减小网络损耗水平，减小节点电压随潮流的下降幅度，对改善电网运行条件起到较好的效果。然而目前国内尚没有将电动汽车有序充电与电网无功补偿装置协调控制的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种综合考虑电动汽车有序充电能力与配电网无功补偿措施、以配电网总网损最小为目标提出的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法。
本发明公开的一种电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤(1)：初始化
步骤(1-1)：区域配网参数初始化
步骤(1-2)：电动汽车充电信息初始化
步骤(2)：计算电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案
步骤(2-1)：按下式确定目标函数：
表示：最优的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案以配电网总网损最小为优化目标，以此作为控制目标函数；
对于除根节点连接输电网外不连接其他电源的配电网，上式可以等价转化为：
表示：配电网总网损最小可以等价表示为配电网从根节点处获得的总功率最小。
步骤(2-2)：确定约束条件
步骤(3)：显示电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案和总网损等信息。
更进一步地，所述步骤(1-1)包括：
a)导入区域配电网的拓扑信息及线路阻抗参数：导入配电网各条支路的连接关系，支路i-j的线路阻抗rij、xij，节点i的电压上下限支路i-j的有功与无功潮流上下限等参数。
b)导入无功补偿节点信息：导入配电网中设置有无功补偿装置的节点信息及无功补偿装置参数，例如各节点处分档投切式补偿电容器单档位无功容量ΔQi、电容器档位总数Wi等。
c)导入配电网节点类型与负荷信息：导入配电网中各个节点的节点类型(PQ节点、PV节点或Vθ节点)，及各节点所连接的有功及无功负荷
更进一步地，所述步骤(1-2)包括：
a)导入电动汽车的充电参数：导入单辆电动汽车的电池容量CEV、最大有功充电功率Pmax、最大充电无功功率Qmax、最小充电功率因数λmin、电动汽车的充电荷电状态需求SOCi与充电效率η。
b)计算各节点的充电需求：导入配电网中各个节点连接的电动汽车数量Ki，依据上面a)中导入的电动汽车充电参数，计算得到每个节点的电动汽车充电总电量需求最大有功及无功充电功率KiPmax及KiQmax。
更进一步地，所述步骤(2-1)目标函数中，表示支路i-j在t时刻的有功网损，表示从根节点(编号为0)发出的与节点j连接的支路在t时刻的有功潮流，Ψb表示所有支路组成的集合，j：(0，j)∈Ψb表示所有与根节点连接的支路的终点j，tmax表示最大时间范围。ui，t，w为优化模型的决策变量，分别表示节点i在t时刻的电动汽车有序充电的有功、无功功率以及设置在节点i处的分档投切式补偿电容器第w档位的工作状态(0为脱网，1为切入)。
更进一步地，所述步骤(2-2)的约束条件包括：
a)充电需求约束：每个节点所连接的电动汽车充电电量需求均能被满足，其表达式为：
为节点i在t时刻的电动汽车无序充电功率，表示节点i连接电动汽车的充电总电量需求，Δt为时间区间长度，通常取15min。
b)电动汽车充电功率范围：每个节点每个时刻的电动汽车总充电功率(包括有序功率和无序功率两部分)应当不超过其最大充电功率，同时有序充电功率因数不能低于最低功率因数要求，其表达式为：
c)支路潮流约束：每个时刻的各节点电压与各支路有功、无功潮流应当满足潮流方程，其表达式为：
表示连接节点i与节点j的支路在t时刻的有功潮流，表示连接节点i与节点j的支路在t时刻的无功潮流，表示节点j在t时刻提供的无功补偿功率，Ui，t表示节点j在t时刻的电压幅值。
d)潮流与电压范围：各节点电压与各支路有功、无功潮流应当符合支路潮流范围和电压上下限约束，其表达式为：
e)无功补偿关系：位于各个节点处的投切电容器各档位工作状态与节点提供的无功补偿功率之间存在对应关系，同时假定高档位只有在较低档位全部切入之后才能切入，因此有：
Ω为设置有投切电容器的节点集合，ΔQi表示节点i处补偿电容器每一档位的无功容量。
更进一步地，对上面的c)、d)两部分进行二阶锥松弛，引入辅助变量vi，t＝Ui，t 2及可将上述非线性约束转换为二阶锥约束，具体表达式如下：
更进一步地，步骤(2)可用混合整数规划算法求解上述优化问题，若无解，表示没有满足要求的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案。
更进一步地，所述步骤(3)中，电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案包括各个节点连接电动汽车在每一时刻的最优有序充电功率、配电网内分档投切式补偿电容器各档位在每一时刻的工作状态。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是为配电网内电动汽车有序充电和配电网无功补偿装置的协调配合提供了一种有效的计算方法，方法通过综合考虑电动汽车有序充电与无功补偿，以配电网总网损最小为目标提出的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案，可以减少网损、节约成本，有利于促进电动汽车的健康发展。
附图说明
图1为电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法的程序流程框图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明公开的一种电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤(1)：初始化
步骤(1-1)：区域配网参数初始化
步骤(1-2)：电动汽车充电信息初始化
步骤(2)：计算电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案
步骤(2-1)：按下式确定目标函数：
表示：最优的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案以配电网总网损最小为优化目标，以此作为控制目标函数；
对于除根节点连接输电网外不连接其他电源的配电网，上式可以等价转化为：
表示：配电网总网损最小可以等价表示为配电网从根节点处获得的总功率最小。
步骤(2-2)：确定约束条件
步骤(3)：显示电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案和总网损等信息。
更进一步地，所述步骤(1-1)包括：
a)导入区域配电网的拓扑信息及线路阻抗参数：导入配电网各条支路的连接关系，支路i-j的线路阻抗rij、xij，节点i的电压上下限支路i-j的有功与无功潮流上下限等参数。
b)导入无功补偿节点信息：导入配电网中设置有无功补偿装置的节点信息及无功补偿装置参数，例如各节点处分档投切式补偿电容器单档位无功容量ΔQi、电容器档位总数Wi等。
c)导入配电网节点类型与负荷信息：导入配电网中各个节点的节点类型(PQ节点、PV节点或Vθ节点)，及各节点所连接的有功及无功负荷
更进一步地，所述步骤(1-2)包括：
a)导入电动汽车的充电参数：导入单辆电动汽车的电池容量CEV、最大有功充电功率Pmax、最大充电无功功率Qmax、最小充电功率因数λmin、电动汽车的充电荷电状态需求SOCi与充电效率η。
b)计算各节点的充电需求：导入配电网中各个节点连接的电动汽车数量Ki，依据上面a)中导入的电动汽车充电参数，计算得到每个节点的电动汽车充电总电量需求最大有功及无功充电功率KiPmax及KiQmax。
更进一步地，所述步骤(2-1)目标函数中，表示支路i-j在t时刻的有功网损，表示从根节点(编号为0)发出的与节点j连接的支路在t时刻的有功潮流，Ψb表示所有支路组成的集合，j：(0，j)∈Ψb表示所有与根节点连接的支路的终点j，tmax表示最大时间范围。ui，t，w为优化模型的决策变量，分别表示节点i在t时刻的电动汽车有序充电的有功、无功功率以及设置在节点i处的分档投切式补偿电容器第w档位的工作状态(0为脱网，1为切入)。
更进一步地，所述步骤(2-2)的约束条件包括：
a)充电需求约束：每个节点所连接的电动汽车充电电量需求均能被满足，其表达式为：
为节点i在t时刻的电动汽车无序充电功率，表示节点i连接电动汽车的充电总电量需求，Δt为时间区间长度，通常取15min。
b)电动汽车充电功率范围：每个节点每个时刻的电动汽车总充电功率(包括有序功率和无序功率两部分)应当不超过其最大充电功率，同时有序充电功率因数不能低于最低功率因数要求，其表达式为：
c)支路潮流约束：每个时刻的各节点电压与各支路有功、无功潮流应当满足潮流方程，其表达式为：
表示连接节点i与节点j的支路在t时刻的有功潮流，表示连接节点i与节点j的支路在t时刻的无功潮流，表示节点j在t时刻提供的无功补偿功率，Ui，t表示节点j在t时刻的电压幅值。
d)潮流与电压范围：各节点电压与各支路有功、无功潮流应当符合支路潮流范围和电压上下限约束，其表达式为：
e)无功补偿关系：位于各个节点处的投切电容器各档位工作状态与节点提供的无功补偿功率之间存在对应关系，同时假定高档位只有在较低档位全部切入之后才能切入，因此有：
Ω为设置有投切电容器的节点集合，ΔQi表示节点i处补偿电容器每一档位的无功容量。
更进一步地，对上面的c)、d)两部分进行二阶锥松弛，引入辅助变量vi，t＝Ui，t 2及可将上述非线性约束转换为二阶锥约束，具体表达式如下：
更进一步地，步骤(2)可用混合整数规划算法求解上述优化问题，若无解，表示没有满足要求的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案。
更进一步地，所述步骤(3)中，电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案包括各个节点连接电动汽车在每一时刻的最优有序充电功率、配电网内投切电容器各档位在每一时刻的工作状态。
上述控制策略表述过程中采用投切电容器这一典型的无功补偿装置作为示例进行说明，需要说明的是，本发明并不局限于投切电容器，而可扩展到任何其他无功补偿装置。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤(1)：初始化
步骤(1-1)：区域配网参数初始化
步骤(1-2)：电动汽车充电信息初始化
步骤(2)：计算电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案
步骤(2-1)：按下式确定目标函数：
表示：最优的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案以配电网总网损最小为优化目标，以此作为控制目标函数；
对于除根节点连接输电网外不含其他电源的配电网，上式可以等价转化为：
表示：配电网总网损最小可以等价表示为配电网从根节点处获得的总功率最小。
步骤(2-2)：确定约束条件
步骤(3)：显示电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案和总网损等信息。
2.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述步骤(1-1)包括：
a)导入区域配电网的拓扑信息及线路阻抗参数：导入配电网各条支路的连接关系，支路i-j的线路阻抗rij、xij，节点i的电压上下限支路i-j的有功与无功潮流上下限等参数。
b)导入无功补偿节点信息：导入配电网中设置有无功补偿装置的节点信息及无功补偿装置参数，例如各节点处分档投切式补偿电容器单档位无功容量ΔQi、电容器档位总数Wi等。
c)导入配电网节点类型与负荷信息：导入配电网中各个节点的节点类型(PQ节点、PV节点或Vθ节点)，及各节点所连接的有功及无功负荷
3.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述步骤(1-2)包括：
a)导入电动汽车的充电参数：导入单辆电动汽车的电池容量CEV、最大有功充电功率Pmax、最大充电无功功率Qmax、最小充电功率因数λmin、电动汽车的充电荷电状态需求SOCi与充电效率η。
b)计算各节点的充电需求：导入配电网中各个节点连接的电动汽车数量Ki，依据上面a)中导入的电动汽车充电参数，计算得到每个节点的电动汽车充电总电量需求最大有功及无功充电功率KiPmax及KiQmax。
4.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述步骤(2-1)目标函数中，表示支路i-j在t时刻的有功网损，表示从根节点(编号为0)发出的与节点j连接的支路在t时刻的有功潮流，Ψb表示所有支路组成的集合，j：(0，j)∈Ψb表示所有与根节点连接的支路的终点j，tmax表示最大时间范围。ui，t，w为优化模型的决策变量，分别表示节点i在t时刻的电动汽车有序充电的有功、无功功率以及设置在节点i处的分档投切式补偿电容器第w档位的工作状态(0为脱网，1为切入)。
5.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述步骤(2-2)的约束条件包括：
a)充电需求约束：每个节点所连接的电动汽车充电电量需求均能被满足，其表达式为：
为节点i在t时刻的电动汽车无序充电功率，表示节点i连接电动汽车的充电总电量需求，Δt为时间区间长度，通常取15min。
b)电动汽车充电功率范围：每个节点每个时刻的电动汽车总充电功率(包括有序功率和无序功率两部分)应当不超过其最大充电功率，同时有序充电功率因数不能低于最低功率因数要求，其表达式为：
c)支路潮流约束：每个时刻的各节点电压与各支路有功、无功潮流应当满足潮流方程，其表达式为：
表示连接节点i与节点j的支路在t时刻的有功潮流，表示连接节点i与节点j的支路在t时刻的无功潮流，表示节点j在t时刻提供的无功补偿功率，Ui，t表示节点j在t时刻的电压幅值。
d)潮流与电压范围：各节点电压与各支路有功、无功潮流应当符合支路潮流范围和电压上下限约束，其表达式为：
e)无功补偿关系：位于各个节点处的投切电容器各档位工作状态与节点提供的无功补偿功率之间存在对应关系，同时假定高档位只有在较低档位全部切入之后才能切入，因此有：
Ω为设置有投切电容器的节点集合，ΔQi表示节点i处补偿电容器每一档位的无功容量。
6.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，对步骤(2-2)的c)、d)两部分可进行二阶锥松弛，引入辅助变量将上述非线性约束转换为二阶锥约束，具体表达式如下：
。
7.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，步骤2可用混合整数规划算法求解上述优化问题，若无解，表示没有满足要求的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案。
8.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，电动汽车有序充电与配电网无功优化协调控制方案包括各个节点连接电动汽车在每一时刻的最优有序充电功率、配电网内投切电容器各档位在每一时刻的工作状态。
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