CN111064181A - 基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法。步骤包括：首先收集该***中各部分数据，对***中光伏电站、微型燃气轮机、电动汽车负荷建模，其次以年化社会总成本最小为目标确定配电***中分布式电源与电动汽车充电站的最佳安装位置和安装容量，之后以线性化的Distflow潮流方程表征***中各个状态量间的关系，并应用二阶锥松弛技术处理支路电流约束，最终呈现为一个在多项式时间内可解的混合整数二阶锥规划模型。本发明的有益效果为：获得配电网运行参数，求解目标函数，有效改善配电***负荷的空间分布情况，为配电***的安全、经济运行提供帮助。
Description
技术领域
本发明属于电力***配电领域，特别涉及了一种基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法。
背景技术
随着手机、平板电脑等移动智能终端的普及，以及无线通讯技术的发展，越来越多的汽车车主依赖于实时导航技术决定自己的驾驶及泊车行为。对于电动汽车而言，实时导航技术可以根据目的地周围电动汽车充电桩的分布情况，为电动汽车指引合适的充电场所，使得电动汽车的充电需求在一定程度上、一定空间范围内成为可调度的对象。从配电***运营商的视角来看，电动汽车发生充电行为的处所，决定了相应的充电负荷接入配电***的位置。合理利用实时导航技术的引导作用，指引电动汽车充电负荷通过恰当的母线接入配电***，可以有效改善配电***负荷的空间分布情况，为配电***的安全、经济运行提供帮助。
通过实时导航***引导电动汽车前往哪一个充电站进行充电，将显著影响配电***负荷的空间分布情况，是一个涉及配电***运行状态、每个充电站内空闲充电桩数量、调度电动汽车额外行驶距离的费用等诸多因素的优化问题，并会对配电***内相关设施、设备的优化配置方案产生显著的影响。在含电动汽车充电站的配电***中，接入恰当容量的分布式电源可以有效促进负荷波动的就地平抑、缓解大功率充电负荷对配电网络的冲击，逐渐成为配电***规划与运行的新趋势。
发明内容
基于此，本章构建了考虑充电负荷空间可调度特性的分布式电源与电动汽车充电站联合配置模型，为实现上述技术目的，达到上诉技术效果，本发明的技术方案为：
基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法，包括
步骤一，收集该***中所需各部分的历史运行数据，分别构建光伏电站出力模型、微型燃气轮机出力模型、电动汽车负荷模型；
步骤二，将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，将投资建设成本、运行维护费用、网损费用、燃料费用、碳排放费用、购电费用作为目标函数的约束条件；
步骤三，以线性化的Distflow潮流方程表征***中各个状态量间的关系，将等效负荷、支路电流，电压幅值，分布式电源容量离散型及出力方程作为约束条件；
步骤四，采用二阶锥松弛技术处理支路电流约束，引入辅助变量将支路电流约束表征为一个二阶锥约束和一个线性约束，对优化模型进行处理，将其转化为混合整数二阶锥规划模型进行求解。
可选的，所述构建光伏电站出力模型，包括：
使用式(1)所示的分段函数表征光伏电站有功功率出力和太阳光照强度之间的关系，
其中，Ps表示光伏电站在太阳光照强度为s时的有功功率输出，Ps-rated和srated分别表示光伏电站的额定功率和额定光照强度；
当太阳光照强度为s时，光伏电站的无功功率调节范围如式(2)所示，
其中，Qs表示光伏电站在太阳光照强度为s时的无功功率输出，SPV-rated为光伏逆变器的容量。
可选的，所述构建微型燃气轮机出力建模，包括：
将微型燃气轮机作为一类完全可调度的纯有功功率源，其实际出力在对应的额定功率范围内由配电***运营商的调度方案决定；微型燃气轮机的有功功率出力范围如式(3)所示：
0≤PMT≤SMT-rated (3)
其中，PMT为微型燃气轮机的有功功率出力，SMT-rated为微型燃气轮机的装机容量。
可选的，所述构建电动汽车负荷模型，包括：
使用EVk表示编号为k的电动汽车，则EVk在充电过程中需要占用充电桩的时间
用式(4)表示：
其中，SOCk为EVk的荷电状态，Capk为EVk的电池容量，
为EVk的预计停留时间，
为电动汽车的额定充电功率。
可选的，所述将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，包括：
综合考虑各利益主体的关切，将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，具体包括年化的投资建设成本CI、每年的运行维护费用CO&M、每年微型燃气轮机的燃料费用CF、每年微型燃气轮机的碳排放费用CC、每年向上级电网购电费用CP、每年的***网损费用CL、每年因调度电动汽车负荷产生的额外交通费用CT等7个方面；目标函数的具体形式如式(5)所示：
min Cost＝CI+CO&M+CF+CC+CP+CL+CT (5)。
本发明提出的一种基于交直流混合的配电网与主网交换功率灵活性范围求解方法的有益效果：
(1)在含电动汽车充电站的配电***中，接入恰当容量的分布式电源可以有效促进负荷波动的就地平抑、缓解大功率充电负荷对配电网络的冲击。本发明从灵活性角度出发，求出涉及到分布式电源出力、电动汽车充电需求、电力用户的负荷需求等诸多元素优化配置方案，可为主网与配电网的运行调度人员提供参考。
(2)应用二阶锥松弛技术处理支路电流约束，呈现为一个在多项式时间内可解的混合整数二阶锥规划模型，可以有效地简化模型，从而高效快速求解。
附图说明
图1是本实施例提出的基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法的方流程示意图；
图2是本实施例提出的电动汽车负荷建模流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一，收集该***中所需各部分的历史运行数据，分别构建光伏电站出力模型、微型燃气轮机出力模型、电动汽车负荷模型；
步骤二，将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，将投资建设成本、运行维护费用、网损费用、燃料费用、碳排放费用、购电费用作为目标函数的约束条件；
步骤三，以线性化的Distflow潮流方程表征***中各个状态量间的关系，将等效负荷、支路电流，电压幅值，分布式电源容量离散型及出力方程作为约束条件；
步骤四，采用二阶锥松弛技术处理支路电流约束，引入辅助变量将支路电流约束表征为一个二阶锥约束和一个线性约束，对优化模型进行处理，将其转化为混合整数二阶锥规划模型进行求解。
在实施中，在步骤一中，光伏出力建模如下：
其中，Ps表示光伏电站在太阳光照强度为s时的有功功率输出，Ps-rated和srated分别表示光伏电站的额定功率和额定光照强度。在长时间尺度的优化配置问题中，忽略温度、光照角度等次要因素对光伏电站有功功率出力的影响，可以使用式(1)所示的分段函数表征光伏电站有功功率出力和太阳光照强度之间的关系。
当太阳光照强度为s时，光伏电站的无功功率调节范围如式(4-2)所示：
其中，Qs表示光伏电站在太阳光照强度为s时的无功功率输出，SPV-rated为光伏逆变器的容量。
微型燃气轮机出力建模如下：
将微型燃气轮机作为一类完全可调度的纯有功功率源，其实际出力在对应的额定功率范围内由配电***运营商的调度方案决定。微型燃气轮机的有功功率出力范围如式(3)所示：
0≤PMT≤SMT-rated (3)
其中，PMT为微型燃气轮机的有功功率出力，SMT-rated为微型燃气轮机的装机容量。
电动汽车负荷建模过程如图2所示，
使用EVk表示编号为k的电动汽车，则EVk在充电过程中需要占用充电桩的时间
可以用式(4)表示：
其中，SOCk为EVk的荷电状态，Capk为EVk的电池容量，
为EVk的预计停留时间，
为电动汽车的额定充电功率。
可选的，在步骤二中，包含目标函数的建立：
综合考虑各利益主体的关切，将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，具体包括年化的投资建设成本CI、每年的运行维护费用CO&M、每年微型燃气轮机的燃料费用CF、每年微型燃气轮机的碳排放费用CC、每年向上级电网购电费用CP、每年的***网损费用CL、每年因调度电动汽车负荷产生的额外交通费用CT等7个方面。目标函数的具体形式如式(5)所示：
min Cost＝CI+CO&M+CF+CC+CP+CL+CT (5)
(1)年化的投资建设成本：
其中，
分别表示光伏电站、微型燃气轮机和电动汽车充电桩的单位容量/数量投资建设成本，
分别表示节点i处安装的光伏电站、微型燃气轮机、电动汽车充电桩容量/数量，Nbus表示***中的总节点数，RPV、RMT、RCF是一组辅助变量，用来进行投资建设成本的年化计算，其表达式为：
式中，d代表贴现率，yPV、yMT、yCF分别表示光伏电站、微型燃气轮机、电动汽车充电桩的经济寿命。
(2)每年的运行维护费用：
其中，
与
分别表示光伏电站和微型燃气轮机的单位发电量对应的运行维护费用，
为单位数量电动汽车充电桩每年的运行维护费用，
分别表示节点i处的光伏电站和微型燃气轮机在季节s的工作日典型日中时间断面t下的有功功率出力，
分别表示节点i处的光伏电站和微型燃气轮机在季节s的周末典型日中时间断面t下的有功功率出力，Δt为时间断面的持续时间
(3)每年微型燃气轮机的燃料费用：
其中，
表示微型燃气轮机的单位发电量对应的燃料费用。
(4)每年微型燃气轮机的碳排放费用：
其中，
为单位二氧化碳排放量对应的税费，ρem为微型燃气轮机的单位发电量对应的二氧化碳排放量。
(5)每年向上级电网购电费用：
其中，ΩS表示变电站节点集合，u(i)表示所有与节点i相连且位于节点i下游的节点集合，cP表示向上级电网购买单位电量的费用，
分别表示支路ij在季节s的工作日典型日和周末典型日中时间断面t时流过的有功功率。
(6)每年的***网损费用：
其中，cL为单位网损费用，
分别表示支路ij在季节s的工作日典型日和周末典型日中时间断面t时流过的电流平方，Rij为支路ij的电阻。
(7)每年因调度电动汽车负荷产生的额外交通费用：
其中，cT为调度电动汽车额外行驶单位距离而产生的费用，
分别表示季节s的工作日和周末典型日内以节点i处的土地区块为目的地的电动汽车数量，ΩCF为配置电动汽车充电站的候选节点集合，dij为节点i和节点j间的地理距离，
是用来表征电动汽车负荷空间调度情况的0-1变量。
可选的，在步骤三中，包含联合配置模型的约束条件。在不引起歧义的前提下，有关工作日场景的约束与有关周末场景的约束使用了统一的表达式进行表征。
(1)***潮流约束：
其中，u(j)/v(j)表示所有与节点j相连且位于节点j下游/上游的节点集合，Ps,t,ij、Qs,t,ij分别表示支路ij在季节s时间断面t上流过的有功功率和无功功率，Us,t,i为节点i在季节s时间断面t时的电压幅值，
分别表示节点j在季节s时间断面t时的等效有功负荷和无功负荷，Xij为支路ij的电抗，ΩN、ΩL分别为***中的节点集合和支路集合，Usub为变电站节点的电压幅值，其取值通常为1.0p.u.。式(16)–(18)共同组成了线性化的Distflow潮流方程，对传统Distflow潮流方程中的非线性项进行了近似与忽略。当辐射状配电***在1.0p.u.的电压水平附近运行时，这些近似与忽略带来的潮流结果误差很小，并不会对分布式电源及电动汽车充电站的联合配置方案产生显著的影响。
(2)等效负荷方程：
其中，
分别表示节点j处电力用户在季节s时间断面t时的有功负荷和无功负荷，
分别表示节点j处光伏电站在季节s时间断面t时的有功功率出力和无功功率出力，
为节点j处微型燃气轮机站在季节s时间断面t时的有功功率出力，
为节点j处电动汽车充电站在季节s时间断面t时的有功负荷。
(3)电压幅值约束：
式中Umin和Umax是设置的电压波动允许范围的下限与上限。
(4)支路电流约束：
式中Iij,max为支路ij上允许流过的最大电流。
(5)分布式电源容量的离散性约束：
其中，
与
分别表示节点i处光伏组件和微型燃气轮机的安装数量，
与
分别表示所采用型号的光伏组件和微型燃气轮机的单位容量，ΩPV、ΩMT分别为***中安装光伏电站和微型燃气轮机的候选节点集合。
(6)分布式电源出力约束：
式中
是一个与太阳光照强度有关的参数，任一季节任一时间断面上的
取值可以通过式(2)计算。
(7)电动汽车负荷空间调度约束：
式中，Bs,i,k,j为
和
的统一表征形式。在电动汽车负荷的空间调度过程中，任意一辆电动汽车只能选择一处充电站完成充电，如式(28)所示。此外，考虑到电动汽车车主的便捷性，认为其仅可接受短距离的调度，这一距离的上限用dlim表示，如式(29)所示。
(8)电动汽车充电站负荷的表征：
式中，
表示季节s的典型日内以节点i为目的地且其停留时段包含时间断面t的电动汽车序号集合。
(9)充电桩的安装数量约束：
对任意的电动汽车充电站而言，站内安装的充电桩数量需要满足任意时间断面的电动汽车充电需求。
综合本节描述的目标函数和约束条件，可以得到考虑充电负荷空间可调度特性的分布式电源与电动汽车充电站联合配置模型，如式(32)所示。该模型具有线性目标函数，且绝大部分约束条件为线性等式和不等式，仅有式(22)为二次等式约束。
可选的，在步骤四中包含使用二阶锥松弛技术对优化模型进行处理。
对优化模型的松弛处理分成两个步骤进行。
步骤1：将式(22)中的等号松弛为大于等于号，如式(33)所示。
该步骤是一个等价的处理，并不会影响优化模型最优解的分布情况，其等价性可以通过反证法加以证明。将式(33)中大于等于号右侧部分记作
步骤2：引入辅助变量Au，将式(33)表征为一个二阶锥约束和一个线性约束，如式(34)和(35)所示：
Au＝1 (35)
构建的分布式电源与电动汽车充电站联合配置模型转化为一个标准的混合整数二阶锥规划模型，包含线性的目标函数，线性的等式约束与不等式约束，以及二阶锥约束，具体形式如式(36)所示：
以上所述实施例仅为说明本发明的技术思想，其描述较为具体和详细，但不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法，其特征在于，所述配置方法包括：
步骤一，收集该***中所需各部分的历史运行数据，分别构建光伏电站出力模型、微型燃气轮机出力模型、电动汽车负荷模型；
步骤二，将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，将投资建设成本、运行维护费用、网损费用、燃料费用、碳排放费用、购电费用作为目标函数的约束条件；
步骤三，以线性化的Distflow潮流方程表征***中各个状态量间的关系，将等效负荷、支路电流，电压幅值，分布式电源容量离散型及出力方程作为约束条件；
步骤四，采用二阶锥松弛技术处理支路电流约束，引入辅助变量将支路电流约束表征为一个二阶锥约束和一个线性约束，对优化模型进行处理，将其转化为混合整数二阶锥规划模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法，其特征在于，所述构建光伏电站出力模型，包括：
使用式(1)所示的分段函数表征光伏电站有功功率出力和太阳光照强度之间的关系，
其中，Ps表示光伏电站在太阳光照强度为s时的有功功率输出，Ps-rated和srated分别表示光伏电站的额定功率和额定光照强度；
当太阳光照强度为s时，光伏电站的无功功率调节范围如式(2)所示，
其中，Qs表示光伏电站在太阳光照强度为s时的无功功率输出，SPV-rated为光伏逆变器的容量。
3.根据权利要求1所述的基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法，其特征在于，所述构建微型燃气轮机出力建模，包括：
将微型燃气轮机作为一类完全可调度的纯有功功率源，其实际出力在对应的额定功率范围内由配电***运营商的调度方案决定；微型燃气轮机的有功功率出力范围如式(3)所示：
0≤PMT≤SMT-rated (3)
其中，PMT为微型燃气轮机的有功功率出力，SMT-rated为微型燃气轮机的装机容量。
4.根据权利要求1所述的基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法，其特征在于，所述构建电动汽车负荷模型，包括：
使用EVk表示编号为k的电动汽车，则EVk在充电过程中需要占用充电桩的时间
用式(4)表示：
其中，SOCk为EVk的荷电状态，Capk为EVk的电池容量，
为EVk的预计停留时间，
为电动汽车的额定充电功率。
5.根据权利要求1所述的基于充电负荷空间可调度特性的电源与充电站配置方法，其特征在于，所述将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，包括：
综合考虑各利益主体的关切，将分布式电源与电动汽车充电站相关的年化社会总成本最低作为目标函数，具体包括年化的投资建设成本CI、每年的运行维护费用CO&M、每年微型燃气轮机的燃料费用CF、每年微型燃气轮机的碳排放费用CC、每年向上级电网购电费用CP、每年的***网损费用CL、每年因调度电动汽车负荷产生的额外交通费用CT等7个方面；目标函数的具体形式如式(5)所示：
min Cost＝CI+CO&M+CF+CC+CP+CL+CT (5)。
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2019
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