CN109866628B - 一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法 - Google Patents

一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法，该方法通过制定电动汽车电池的智能充电决策，用于防止线路或变压器过载、欠压和过压的产生，同时还降低发电成本并控制电压不平衡度，通过在选择的单相节点进行有序充电的同时，根据日前无功电价提供无功注入以提升电压质量。与现有技术相比，本发明具有减少电压波动和网络不平衡度等优点。

Description

一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车有序充电领域，尤其是涉及一种基于逆变器无功能力的主动配电网电动汽车有序充电控制方法。
背景技术
温室气体的过度排放，导致全球气候变暖趋势加剧。电动汽车作为新一代的交通工具，在节能减排、减少人类对传统化石能源的依赖方面具备传统汽车不可比拟的优势。而电动汽车(plug-in electric vehicles，PEV)的日益普及和大规模接入电网，将对电力***的运行与规划产生不可忽视的影响。主要包括：1)负荷的增长；2)电网运行优制难度的增加；3)电能质量收到影响；4)对配电网规划提出新的要求。同时，屋顶光伏的大量接入对电网的安全稳定带来新的挑战。将电动汽车与屋顶光伏相结合，将电动汽车视为储能装置，同时又在电压不足的时候进行无功补偿，通过协调运行可减少或消除上述不良影响。
电动汽车与电网互动(G2V/V2G)是指电动汽车作为分布式储能单元，以充电和放电的形式参与电网的调控。其核心思想就是利用大量电动汽车的储能源作为电网和可再生能源的缓冲。当电网负荷过高时，由电动汽车储能源向电网馈电；而当电网负荷低时，用来存储电网过剩的发电量，避免造成浪费。通过这种方式，电动汽车用户可以在电价低时，从电网买电，电网电价高时向电网售电，从而获得一定的收益。电动汽车有序充电策略是指在满足电动汽车充电需求的前提下，运用实际有效地经济或技术措施引导、控制电动汽车进行充电，对电网负荷曲线进行削峰填谷，使负荷曲线方差较小，减少发电装机容量建设，保证了电动汽车与电网的协调互动发展。
传统的有序充电控制策略，不包含电动汽车对电网的无功注入，从而降低了电压质量。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法，该方法通过制定电动汽车电池的智能充电决策，用于防止线路或变压器过载、欠压和过压的产生，同时还降低发电成本并控制电压不平衡度，通过在选择的单相节点进行有序充电的同时，根据日前无功电价提供无功注入以提升电压质量。
优选地，根据有功、无功电价，在选择的节点执行电动汽车有序有功充电和无功放电来减少电压波动和网络不平衡度。
优选地，所述的智能充电决策控制下，节点K有功P(t，k)的正负分别代表输出和输入功率，电动汽车逆变器的有功和无功输出通过公式(1-4)计算：
P(t，k)＝PPV(t，k)-PPEV(t，k)-PL(t，k) (1)
PPEV(t，k)＝SPEV(t，k)·cosθ (2)
QPEV(t，k)＝SPEV(t，k)·sinθ (3)
Q(t，k)＝QPEV(t，k)-QL(t，k) (4)
式中P(t，k)与Q(t，k)分别代表节点k在t时刻的有功功率于无功功率，正负分别代表输出和输入功率；PPV(t，k)，PPEV(t，k)，PL(t，k)分别代表光伏，电动汽车和负载在时间t节点k的有功功率；QPEV(t，k)代表电动汽车在时间t节点k的无功功率，SPEV(t，k)，θ，QL(t，k)分别是时间t节点k电动汽车的视在功率、功率因素角、无功负载；
优选地，所述的智能充电决策建模如下：
目标函数为最小化24小时内的***网损FCost-Loss(t)、充电花费FCost-gen(t)以及电压不平衡系数FCost-VUF(t)并最大化对电网输送无功的收益；
Figure BDA0001950150180000021
式中：
Figure BDA0001950150180000031
Figure BDA0001950150180000032
Figure BDA0001950150180000033
Figure BDA0001950150180000034
其中，Δt为时间间隔设置为15分钟，k为节点数并且Nnode为总节点个数；KE(t)是每kWh电能损耗的成本；Kp(t)和KS(t)分别是基于实时电价每kWh的成本和光伏出力的成本系数；V-(t，k)、V+(t，k)分别是负序电压和正序电压，KVUF(t)是VUF的一个惩罚系数；FCost-Q(t)为电动汽车无功输出的收益，KQ(t)为输出无功的单位电价，假定为有功电价的10％，负号代表着输出无功；FCost-Q(t)、V-(t，k)、V+(t，k)。
优选地，目标方程(5)和(9)均需满足以下网络和元件约束：
①防止电动汽车充放电过载的功率限制
Figure BDA0001950150180000035
式中，Pl(Δt，k)和PPEV(Δt，k)分别为在每个时间间隔内节点k处的有功负载和电动汽车充电功率，其中Pl(Δt，k)由负荷曲线可以得出，Pmax(Δt，k)为节点k处有功的最大出力；下式表明电动汽车是否可用，只有当电动汽车在相应的时间连接到电网时计划表才可用；
Figure BDA0001950150180000036
②节点电压变化的上下限
ΔV(t，k)＝|V(t，k)-1|≤6％，for k＝1，...，Nnode (12)
ΔV(t，k)为电压的变化量，V(t，k)为时间t节点k处的实际电压的标幺值。
③节点电压不平衡系数上限
Figure BDA0001950150180000037
④电动汽车SOC水平上下限
SOCmin＜SOCi＜SOCmax (14)
SOCmin与SOCmax分别为电动汽车最小荷电状态，SOCi为当前荷电状态。
优选地，所述的有序充电控制过程具体如下：
首先是获取当前电动汽车状态和需求，之后获取当前的光伏发电量及电价，结合新来到和离开的电动汽车数据，可以得出电动汽车充电时间段数和停留时间段数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)根据有功、无功电价，在选择的节点执行电动汽车有序有功充电和无功放电来减少电压波动和网络不平衡度。
(2)通过激励消费者进入无功交易市场，保证参与有序有功充电和无功放电方案的电动汽车台数与效果。
附图说明
图1为居民屋顶光伏和电动汽车连接到电网的结构图。
图2为基于有功控制的在线优化有序充电策略流程图。
图3为基于有功无功控制的在线优化有序充电策略流程图。
图4(a)为本专利中用于模拟的三相四线分布式网络，图4(b)为配有屋顶光伏和电动汽车的比例图。
图5为正常情况下的24h内的功率需求和VUF，其中(a)为功率需求曲线图，(b)为VUF曲线图。
图6为电动汽车无序充电情况下的24小时内的功率需求、VUF和AB两相电压的变化，其中(a)为功率需求曲线图，(b)为VUF曲线图，(c)为A相电压曲线图，(d)为B相电压曲线图。
图7为基于有功控制的在线优化有序充电策略情况下的24小时内的功率需求、VUF和AB两相电压的变化，(a)为功率需求曲线图，(b)为VUF曲线图，(c)为A相电压曲线图，(d)为B相电压曲线图。
图8为基于有功无功控制的在线优化有序充电策略情况下的24小时内的功率需求、VUF和AB两相电压的变化，(a)为功率需求曲线图，(b)为VUF曲线图，(c)为A相电压曲线图，(d)为B相电压曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明针对电动汽车无序充电的现状，结合三相四线不平衡低压网络以及屋顶光伏，提出一种电动汽车有序充放电控制方式。通过制定智能电动汽车电池充电决策，以防止线路/变压器过载(由于极端PEV充电)、欠压(在峰值负载时间)和过电压(由于光伏产生)，同时还降低了用户随机充电导致的电压不平衡度。同时结合当日的电价让指定的电动汽车向电网输送无功进行调压，使得用户受利并促进他们进入有功和无功能源市场实现更好的调节。
下面从控制策略介绍、问题建模、具体控制方法和有效性验证等几个方面对本发明做进一步说明。
1.控制策略介绍
本专利是基于居民小区中的屋顶光伏与电动汽车互动，每户光伏和电动汽车都是通过公共连接点接入配网。如图1所示，基于此结构可以实现PEV充电的同时，向电网倒送无功。
传统的有序充电控制策略，不包含电动汽车对电网的无功注入。创新点为制定电动汽车电池的智能充电决策，以防止线路/变压器过载、欠压和过压的产生，同时还可降低发电成本并控制电压不平衡度。所提方法通过在选择的单相节点进行有序充电的同时，根据日前无功电价提供无功注入以提升电压质量。相比现有PEV充电方式，所提方法更有效且有以下优势：
①根据有功、无功电价，在选择的节点执行电动汽车有序有功充电和无功放电来减少电压波动和网络不平衡度。
②通过激励消费者进入无功交易市场，保证参与有序有功充电和无功放电方案的电动汽车台数与效果。
在这种控制策略下，节点K有功P(t，k)的正负分别代表输出和输入功率，电动汽车逆变器的有功和无功输出可以通过公式(1-4)计算：
P(t，k)＝PPV(t，k)-PPEV(t，k)-PL(t，k) (1)
PPEV(t，k)＝SPEV(t，k)·cosθ (2)
QPEV(t，k)＝SPEV(t，k)·sinθ (3)
Q(t，k)＝QPEV(t，k)-QL(t，k) (4)
式中PPV(t，k)，PPEV(t，k)，PL(t，k)分别代表光伏，电动汽车和负载在时间t节点k的有功功率。SPEV(t，k)，θ，QL(t，k)分别是时间t节点k电动汽车的视在功率、功率因素角、无功负载。
2.问题建模
基于该控制策略可建模如下，目标函数为最小化24小时内的***网损FCost-Loss(t)、充电花费FCost-gen(t)以及电压不平衡系数FCost-VUF(t)并最大化对电网输送无功的收益。
Figure BDA0001950150180000061
式中：
Figure BDA0001950150180000062
Figure BDA0001950150180000063
Figure BDA0001950150180000064
Figure BDA0001950150180000065
其中，Δt为时间间隔设置为15分钟，k为节点数并且Nnode为总节点个数；KE(t)是每kWh电能损耗的成本；Kp(t)和KS(t)分别是基于实时电价(表格1的)每kWh的成本和光伏出力的成本系数；KVUF(t)是VUF的一个惩罚系数；KQ(t)为输出无功的单位电价，假定为有功电价的10％，负号代表着输出无功。
目标方程(5)和(9)均需满足以下网络和元件约束：
①防止电动汽车充放电过载的功率限制
Figure BDA0001950150180000066
式中，Pl(Δt，k)和PPEV(Δt，k)分别为在每个时间间隔内节点k处的有功负载和电动汽车充电功率，其中Pl(Δt，k)由负荷曲线可以得出。下式表明电动汽车是否可用，只有当电动汽车在相应的时间连接到电网时计划表才可用。
Figure BDA0001950150180000071
②节点电压变化的上下限
ΔV(t，k)＝|V(t，k)-1|≤6％，for k＝1，...，Nnode (12)
③节点电压不平衡系数上限
Figure BDA0001950150180000072
④电动汽车SOC水平上下限
SOCmin＜SOCi＜SOCmax (14)
3.具体控制方法
本专利选用遗传算法作为寻优算法，并采用前推回代法用于配网的潮流计算。如图2所示，以15分钟间隔一天共划分为96个时间段，t代表当前是哪一个时段而k代表是哪一辆电动汽车。以图中PEV1电动汽车为例，假设当前时刻为t1，红色的时间段表示根据优化该电动汽车在此时刻需进行充电。蓝色时间段表示从第一个时段t1开始充电直到t8时段结束充电，共需充电时段为8个，绿色时段t1-t9表示电动汽车在此停留的时间段数。把电动汽车充电时段在停留时段内灵活的调节是达到预期控制效果的手段。
图3为所提电动汽车在线有序充放电技术的具体流程图：首先是获取当前电动汽车状态和需求，之后获取当前的光伏发电量及电价，结合新来到和离开的电动汽车数据，可以得出电动汽车充电时间段数和停留时间段数。如有紧急充电的电动汽车(充电时间段数＝停留时间段数)，根据建立好的模型进行新一轮的有序充放电，并更新图2为最新的充放电序列。
4.有效性验证
本专利采用某澳大利亚415/215V三相四线不平衡配电网进行验证。如图所示，该网络由一台220kVA 22kV/415V配电变压器供电，含有74个节点、56个居民用户，其中34个用户拥有屋顶光伏。具体分布为A相11户，B相11户，C相12户。采用分时电价如表一所示。同时设定PEV有功充电功率为5.6kW，无功放电功率为0.56kVar，电池容量为24kWh，每辆电动汽车的SOC上下限均为20％-90％，其中表1为电价变化表。
表1
时间 价格(cent/kWh)
7AM-11AM 53.37
11AM-5PM 26.64
9PM-7AM 13.86
本专利共选择了四种案例来验证所提方法的有效性，如下表2所示，表2为四种控制案例。
表2
控制模式 模拟结果
情况1 正常网络 图5
情况2 电动汽车无序充电 图6
情况3 基于有功控制的在线优化有序充电策略 图7
情况4 基于有功无功控制的在线优化有序充电策略 图8
情况1：正常网络
如图5所示，在没有任何电动汽车的情况下，图a代表该配电网ABC三相的电能需求，正负分别代表电能的输入与输出。图b为24小时内各节点的电压不平衡系数。负荷高峰和VUF最大值出现在5:00PM-7:00PM之间，分别是-40kW和0.8％，具体数据如表3所示。
情况2：电动汽车无序充电
这种情况下假设用户根据自己的习惯进行无序充电，因此电动汽车充电会导致峰谷差增加、变压器过载以及VUF的增大。从图6中也可以看出，此时变压器过载、VUF偏高，AB两相电压波动较大等问题存在。根据表格三中数据可知，电动汽车无需充电造成了上述问题。
情况3：基于有功控制的在线优化有序充电策略
为了情况3与有功无功同时控制对比，此处选取了只对有功控制的情况。在这种情形下，遵循约束(10)-(14)，对模型(5)进行求解寻优。该方法让电动汽车在每个时间间隔下进行有序充电，可以总体上降低VUF并降低充电成本。从表格中可以看到相比于情况2整个***的电压明显提升。如图7所示，VUF在早晨和晚间高峰期下降明显，但是B相的一些节点电压在负载高峰时期降到了0.89p.u.。此外，B相和C相的输入功率略微超过-40kW，故这种方法对线路末端的用户友好度偏低。
情况4：基于有功无功联合控制的在线有序充电策略
这种情况下，电动汽车逆变器允许同时输入有功和输出无功。即基于价格的变化，为最小化充电成本和降低VUF，每一辆电动汽车可同时进行有功充电和无功放电。从表格中可以看出，此时总的充电成本为$1179.6每天，其中$1180是充电成本，$-1.53为无功补偿收益。和情况3相比下，该方法提供了更好的解决方案，成本下降了$90.2。此外，从图8(a)可以看出电能需求被限制在-40kW以内，图8(b)可以看出VUF相比于之前也有所减少，另外图8(c-d)可以看出，所有节点的电压都维持在***约束范围以内。
表3
Figure BDA0001950150180000091
4.结论
本专利研发了一种电动汽车在线有序充放电技术，让电动汽车在有序充电的同时通过逆变器对电网进行无功补偿，以此来降低***总的充电成本和网损，并提升可再生能源的渗透率。经上述澳大利亚真实配网仿真验证表明，本专利所提方法可行且有效。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法，其特征在于，该方法通过制定电动汽车电池的智能充电决策，用于防止线路或变压器过载、欠压和过压的产生，同时还降低发电成本并控制电压不平衡度，通过在选择的单相节点进行有序充电的同时，根据日前无功电价提供无功注入以提升电压质量；
所述的智能充电决策控制下，节点K有功P(t，k)的正负分别代表输出和输入功率，电动汽车逆变器的有功和无功输出通过公式(1-4)计算：
P(t，k)＝PPV(t，k)-PPEV(t，k)-PL(t，k) (1)
PPEV(t，k)＝SPEV(t，k)·cosθ (2)
QPEV(t，k)＝SPEV(t，k)·sinθ (3)
Q(t，k)＝QPEV(t，k)-QL(t，k) (4)
式中P(t，k)与Q(t，k)分别代表节点k在t时刻的有功功率于无功功率，正负分别代表输出和输入功率；PPV(t，k)，PPEV(t，k)，PL(t，k)分别代表光伏，电动汽车和负载在时间t节点k的有功功率；QPEV(t，k)代表电动汽车在时间t节点k的无功功率，SPEV(t，k)，θ，QL(t，k)分别是时间t节点k电动汽车的视在功率、功率因素角、无功负载；P(t，k)、PPEV(t，k)、QPEV(t，k)、Q(t，k)。
2.根据权利要求1所述的一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法，其特征在于，根据有功、无功电价，在选择的节点执行电动汽车有序有功充电和无功放电来减少电压波动和网络不平衡度。
3.根据权利要求1所述的一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法，其特征在于，所述的智能充电决策建模如下：
目标函数为最小化24小时内的***网损FCost-Loss(t)、充电花费FCost-gen(t)以及电压不平衡系数FCost-VUF(t)并最大化对电网输送无功的收益；
Figure FDA0003391514640000011
式中：
Figure FDA0003391514640000021
Figure FDA0003391514640000022
Figure FDA0003391514640000023
Figure FDA0003391514640000024
其中，Δt为时间间隔设置为15分钟，k为节点数并且Nnode为总节点个数；KE(t)是每kWh电能损耗的成本；Kp(t)和KS(t)分别是基于实时电价每kWh的成本和光伏出力的成本系数；V-(t，k)、V+(t，k)分别是负序电压和正序电压，KVUF(t)是VUF的一个惩罚系数；FCost-Q(t)为电动汽车无功输出的收益，KQ(t)为输出无功的单位电价，假定为有功电价的10％，负号代表着输出无功；FCost-Q(t)、V-(t，k)、V+(t，k)。
4.根据权利要求3所述的一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法，其特征在于，目标方程(5)和(9)均需满足以下网络和元件约束：
①防止电动汽车充放电过载的功率限制
Figure FDA0003391514640000025
式中，Pl(Δt，k)和PPEV(Δt，k)分别为在每个时间间隔内节点k处的有功负载和电动汽车充电功率，其中Pl(Δt，k)由负荷曲线可以得出，Pmax(Δt，k)为节点k处有功的最大出力；下式表明电动汽车是否可用，只有当电动汽车在相应的时间连接到电网时计划表才可用；
Figure FDA0003391514640000026
②节点电压变化的上下限
ΔV(t，k)＝|V(t，k)-1|≤6％，for k＝1，...，Nnode (12)
ΔV(t，k)为电压的变化量，V(t，k)为时间t节点k处的实际电压的标幺值；
③节点电压不平衡系数上限
Figure FDA0003391514640000027
④电动汽车SOC水平上下限
SOCmin＜SOCi＜SOCmax (14)
SOCmin与SOCmax分别为电动汽车最小荷电状态，SOCi为当前荷电状态。
5.根据权利要求3所述的一种主动配电网电动汽车有序充电控制方法，其特征在于，有序充电控制过程具体如下：
首先是获取当前电动汽车状态和需求，之后获取当前的光伏发电量及电价，结合新来到和离开的电动汽车数据，可以得出电动汽车充电时间段数和停留时间段数。
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