CN111523734A - 一种电动汽车有序充电优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种电动汽车有序充电优化方法，包括：S1.选定电动汽车接入的配电网络；S2.采集配电网络所有支路的阻抗数据；S3.结合步骤S2采集的阻抗数据，以配电网络的网损最小为目标，以配电网络节点功率、电动汽车充电功率及节点电压为约束条件，建立电动汽车有序充电优化模型；S4.求解电动汽车有序充电优化模型，得出电动汽车有序充电方案。本发明提出的方法克服现有电动充电汽车的无序充电行为，造成配电网网损增加及充阻抗塞的不良后果，有利于对电动汽车充电行为的规范化，减小配电网的网损，提高配电网的供电质量。

Description

一种电动汽车有序充电优化方法
技术领域
本发明涉及电动汽车充电的技术领域，更具体地，涉及一种电动汽车有序充电优化方法。
背景技术
电动汽车作为一种重要的清洁能源动力受到了各国的高度关注和大规模投入，市场规模也在快速增长，中国新能源汽车的销售量及保有量均实现百倍增长，同时，充电网络也同样处于快速发展时期，中国已经成为全球最大的充电桩市场，大规模充电基础设施投入运营，为配电网发展带来新的机遇和挑战。
然而，电动汽车的发展与大规模普及也会带来不少的影响，考虑到电动汽车充电行为的随机性，电动汽车连接到配电网对配电网造成的不利影响，如重载、电能质量、电网调度控制及环境问题已经逐步显现:首先，电动汽车通过市面上充电桩的接口，可以在任意时段内接入电网，造成电动汽车的无序充电，当电动汽车数量较大时，因充电设施投放速度和管理的不足造成充阻抗塞现象；其次，电动汽车无序充电的行为出现在负荷高峰期容易加重负荷，造成配电网网损增加的不良后果，影响配电网的供电质量。
因此，在电动汽车推广的过程中，研究一种电动汽车有序充电优化方法具有重大意义。
发明内容
为克服现有电动充电汽车的无序充电行为，造成配电网网损增加及充阻抗塞的不良后果，本发明提出一种电动汽车有序充电优化方法，减小配电网的网损，提高配电网的供电质量。
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种电动汽车有序充电优化方法，至少包括：
S1.选定电动汽车接入的配电网络；
S2.采集配电网络所有支路的阻抗数据；
S3.结合步骤S2采集的阻抗数据，以配电网络的网损最小为目标，以配电网络节点功率、电动汽车充电功率及节点电压为约束条件，建立电动汽车有序充电优化模型；
S4.求解电动汽车有序充电优化模型，得出电动汽车有序充电方案。
优选地，电动汽车接入配电网络节点的位置确定已知。
因为目前几乎所有的电动汽车均由充电桩充电，而配电网络中的停车位和充电桩的位置基本固定，在此，电动汽车接入配电网络节点的位置确定已知，不涉及电动汽车充电桩的选址优化。
优选地，接入配电网络同一节点的电动汽车在同一个时间间隔Δt内的充电状态相同，即同时充电，同时离开充电桩。
优选地，步骤S2所述配电网络所有支路的阻抗时刻恒定。阻抗包括线路的电阻和电抗，即电阻和电抗均时刻恒定。
优选地，连接变电站的配电网络的总线节点为平衡节点，除总线节点之外的配电网络节点均为PQ节点。
在此，由于配电网络由变电站供电，不考虑外部电源的波动，在外部电网容量足够大的前提下，连接变电站的配电网络的总线节点为平衡节点，保证了后续优化过程中潮流计算的收敛性。
优选地，目标函数的表达式为：
Figure BDA0002476567820000021
其中，lines表示配电网络的支路总数；l表示第l条支路，T表示电动汽车总充电调度时间；Δt表示一个时间间隔；Rl表示第l条支路的电阻，Il,t表示在t时刻第l条支路的支路电流值。
优选地，所述约束条件中配电网络节点功率在任意时刻满足：
Figure BDA0002476567820000022
Figure BDA0002476567820000023
其中，Prm表示配电网络的节点m在任意时刻的注入有功功率；Qrm表示配电网络的节点m在任意时刻的注入无功功率；Rm-1表示节点m-1与节点m之间支路的电阻；Xm-1表示节点m-1与节点m之间支路的电抗；Pm-1为节点m-1在任意时刻的有功负荷；Qm-1为节点m-1在任意时刻的无功负荷；Vm-1为节点m-1的节点电压；Pm表示配电网络的节点m在任意时刻的有功负荷值；Qm表示配电网络的节点m在任意时刻的无功负荷值；nodem,t表示节点m处的电动汽车的状态，当节点m处接入电动汽车时，nodem,t取1；否则，nodem,t取0；PEVm,t表示接入节点m处的电动汽车的充电功率。
在此，配电网络的节点有功功率与无功功率须满足功率平衡的要求，电动汽车对于配电网络而言，相当于配电网络节点的有功负荷，对配电网络的原无功负荷不产生增减的影响，因此配电网络节点功率在计及有功功率平衡时，须将电动汽车的充电功率包括在内，但不影响配电网节点的原无功功率平衡的方程。
优选地，接入节点m处的电动汽车的充电功率满足：
0≤MPm,t≤K
其中，K表示接入节点m处的电动汽车的充电功率的上限值。
在此，接入节点m处的电动汽车的充电功率相对于配电网络而言是一个负荷，因此电动汽车的充电功率相对于配电网络而言至少为零，即在电动汽车不充电离开时，电动汽车的充电功率为0，另一方面，电动汽车自身相当于一个储能电池，存在最大充电功率上限，即K，而接入节点m处的电动汽车的充电功率在0～K之间连续可调。
优选地，约束条件中的节点电压在任意时刻满足：
Vmin,m≤Vm≤Vmax,m
其中，Vmin,m表示节点m的节点电压下限值；Vm表示节点m的节点电压值；Vmax,m表示节点m的节点电压上限值。
优选地，一个时间间隔Δt为1小时，电动汽车T为24小时。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种电动汽车有序充电方法，建立以配电网络的网损最小为目标，以配电网络节点功率、电动汽车充电功率及节点电压为约束条件的电动汽车有序充电优化模型并求解，得出电动汽车有序充电方案，克服现有电动充电汽车的无序充电行为，造成配电网网损增加及充阻抗塞的不良后果，有利于减小配电网的网损，提高配电网的供电质量。
附图说明
图1为本发明提出的电动汽车有序充电优化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中选定电动汽车接入的配电网络的框架结构示意图；
图3为本发明实施例中提出的无电动汽车接入的配电网络的日负荷曲线示意图；
图4为本发明实施例中提出的电动汽车在充电时间段内配电网络无电动汽车接入的负荷曲线与经有序充电优化后的负荷曲线对比示意图；
图5为本发明实施例中提出的配电网络的日负荷曲线、电动汽车接入有序充电优化后的负荷曲线与非优化无序充电后的负荷曲线对比示意图。
图6为本发明实施例中提出的无电动汽车接入、电动汽车接入后有序充电优化及电动汽车接入后无序充电优化三种场景下的配电网络网损的曲线对比示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提出的一种电动汽车有序充电优化方法的流程示意图，包括：
S1.选定电动汽车接入的配电网络；
在本实施例中，参见图2，选定电动汽车接入的配电网络的框架结构为IEEE33节点网络连接图，该配电网络日负荷最高峰时有功总量为3715.0kW，无功总量为2300.0kvar，基准容量为100MVA，基准电压为12.66kV，标幺化后，节点电压Vm的上限值Vmax,m取1.05pu，下限值Vmin,m取0.95pu，接入配电网络同一节点的电动汽车在同一个时间间隔Δt内的充电状态相同，即同时充电，同时离开充电桩，设定接入配电网络的电动汽车数量共1600台。如图2所示，由于配电网络由变电站供电，不考虑外部电源的波动，在外部电网容量足够大的前提下，连接变电站的配电网络的总线节点为平衡节点，保证了后续优化过程中潮流计算的收敛性，因此，配电网络的总线节点0为平衡节点，除总线节点之外的其余配电网络节点：节点1～节点32均为PQ节点，每个PQ节点放置50台电动汽车，每台电动汽车的充电功率的上限值K为1.8kW，每台电动汽车的充电功率连续可调。
S2.采集配电网络所有支路的阻抗数据；参见表1，配电网络所有支路的阻抗数据，在本实施例中，配电网络所有支路的阻抗时刻恒定。
表1
前节点 后节点 支路阻抗 前节点 后节点 支路阻抗
0 1 0.0922+j0.047 16 17 0.3720+j0.5740
1 2 0.4930+j0.2511 1 18 0.1640+j0.1565
2 3 0.3660+j0.1864 18 19 1.5042+j1.3554
3 4 0.3811+j0.1941 19 20 0.4095+j0.4784
4 5 0.8190+j0.7070 20 21 0.7089+j0.9373
5 6 0.1872+j0.6188 2 22 0.4512+j0.3083
6 7 0.7114+j0.2351 22 23 0.8980+j0.7091
7 8 1.0300+j0.7400 23 24 0.8960+j0.7011
8 9 1.0440+j0.7400 5 25 0.2030+j0.1034
9 10 0.1966+j0.0650 25 26 0.2842+j0.1447
10 11 0.3744+j0.1238 26 27 1.0590+j0.9337
11 12 1.4680+j1.1550 27 28 0.8042+j0.7006
12 13 0.5416+j0.7129 28 29 0.5075+j0.2585
13 14 0.5910+j0.5260 29 30 0.9744+j0.9630
14 15 0.7463+j0.5450 30 31 0.3105+j0.3619
15 16 1.2890+j1.7210 31 32 0.3410+j0.5362
S3.结合步骤S2采集的表1支路阻抗数据，以配电网络的网损最小为目标，以配电网络节点功率、电动汽车充电功率及节点电压为约束条件，建立电动汽车有序充电优化模型；
在本实施例中，目标函数的表达式为：
Figure BDA0002476567820000051
其中，lines表示配电网络的支路总数；l表示第l条支路，T表示电动汽车总充电调度时间；Δt表示一个时间间隔；Rl表示第l条支路的电阻，Il,t表示在t时刻第l条支路的支路电流值，在本实施例中，Δt为1小时，T表示电动汽车总调度时间，取一天24小时；
约束条件为：
配电网络节点功率在任意时刻满足：
Figure BDA0002476567820000061
Figure BDA0002476567820000062
其中，Prm表示配电网络的节点m在任意时刻的注入有功功率；Qrm表示配电网络的节点m在任意时刻的注入无功功率；Rm-1表示节点m-1与节点m之间支路的电阻；Xm-1表示节点m-1与节点m之间支路的电抗；Pm-1为节点m-1在任意时刻的有功负荷；Qm-1为节点m-1在任意时刻的无功负荷；Vm-1为节点m-1的节点电压；Pm表示配电网络的节点m在任意时刻的有功负荷值；Qm表示配电网络的节点m在任意时刻的无功负荷值；nodem,t表示节点m处的电动汽车的状态，当节点m处接入电动汽车时，nodem,t取1；否则，nodem,t取0；PEVm,t表示接入节点m处的电动汽车的充电功率。
由于配电网络中的除节点0之外的节点1-节点32代表的PQ节点处均接入了50台电动汽车，因此对于节点1-节点32的node值均取1；节点电压在任意时刻满足：
0.95pu≤Vm≤1.05pu
图3为本发明实施例中提出的无电动汽车接入的配电网络的日负荷曲线示意图，纵坐标为配电网络的有功负荷值，横坐标为时间，由图3可知，正常无电动汽车接入的配电网络也因为用户用电时间的不均匀，其相应的日负荷曲线存在严重的峰谷差；
S4.求解电动汽车有序充电优化模型，得出电动汽车有序充电方案。
以配电网络的网损最小为目标，以配电网络节点功率、电动汽车充电功率及节点电压为约束条件，建立电动汽车有序充电优化模型为非线性优化规划模型，在本实施例中，通过GAMS平台调用基于序列二次规划法的SNOPT非线性优化求解器求解电动汽车有序充电优化模型，当目标函数配电网络的网损最小时，求解得出接入配电网络节点1-节点32的电动汽车在一天24小时中的充电功率，得到电动汽车在21：00—6:00的时间段充电，而在6：00-21:00的时间段的充电功率为0，即电动汽车采取6：00-21:00的时间段不充电，而在21：00—6:00的时间段进行充电的有序充电方案时，配电网络的网损最小。进一步，参见图4所示的电动汽车在21：00—6:00的充电时间段内配电网络无电动汽车接入的负荷曲线与电动汽车接入且经有序充电优化后的负荷曲线对比示意图，参见图4可以看出，在时段21:00-6:00之间，电动汽车充电，配电网络的峰谷差较无电动汽车接入时明显降低，电动汽车在21:00-6:00的时段进行有序充电，抑制了原配电网络在此时间段的负荷波动，可进一步降低网损；图5表示本发明实施例中提出的配电网络的日负荷曲线、电动汽车接入且经有序充电优化后的日负荷曲线与电动汽车接入非优化无序充电后的负荷曲线对比示意图，参见图5，电动汽车不经过优化，无序充电时，在用电高峰期充电，反而增大了配电网络的负荷峰谷差，经过优化进行有序充电时，当配电网络的负荷处于低谷期时，如图4中的凌晨1：00，电动汽车的充电功率较大，当配电网络的负荷处于高峰期时，如晚上21：00,电动汽车的充电功率较小，经过有序充电优化，电动汽车的充电接入能一直配电网络负荷的峰谷波动，从而降低网损，提高配电网的供电质量，减轻电动汽车的接入对配电网的影响。
表2表示在本实施例中的电动汽车有序充电优化模型经求解后得到的有序充电时段21：00-6:00之间每一个时间间隔内的所有节点处电动汽车的充电功率及网损数据表，表3表示在21：00-6:00之间未经过有序充电优化的每一个时间间隔内的电动汽车的充电功率及网损表。
表2
时间 充电功率/MW 网损/MW
21:00 0.152 0.167
22:00 1 0.169
23:00 0.784 0.190
0:00 0.792 0.193
1:00 1.375 0.215
2:00 1.293 0.225
3:00 1.386 0.237
4:00 1.967 0.261
5:00 2.145 0.254
6:00 2.322 0.255
表3
时间 充电功率/MW 网损/MW
21:00 0.821 0.326
22:00 0.982 0.320
23:00 1.562 0.300
0:00 2.062 0.280
1:00 2.213 0.254
2:00 2.156 0.255
3:00 2.295 0.260
4:00 0 0.275
5:00 0 0.277
6:00 0 0.281
为更直观展示，将配电网络中无电动汽车接入、电动汽车接入后有序充电优化及电动汽车接入后无序充电优化三种场景下在21：00—6:00的配电网络网损的曲线作出对比示意图如图6所示，通过图6可以看出，电动汽车充电时，其充电负荷将会导致配电网的网损增加。而非优化无序充电的场景下，网损明显攀升，优化后的充电方案所得的总网损比非优化的充电方案总网损减少了许多。优化后的充电方案，利用了夜间用电低谷期进行充电，且在用电量最小的时候到达较大的充电功率，避开了白天用电高峰期，另一方面，利用降低网损作为优化目标，有效地实现使配电网负荷峰谷差降低的目的，提高配电网的供电质量。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，表格中“前”“后”节点的表述，仅是针对附图的位置来说明，不能理解为对本专利的限制；对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，至少包括：
S1.选定电动汽车接入的配电网络；
S2.采集配电网络所有支路的阻抗数据；
S3.结合步骤S2采集的阻抗数据，以配电网络的网损最小为目标，以配电网络节点功率、电动汽车充电功率及节点电压为约束条件，建立电动汽车有序充电优化模型；
S4.求解电动汽车有序充电优化模型，得出电动汽车有序充电方案。
2.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，电动汽车接入配电网络节点的位置确定已知。
3.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，接入配电网络同一节点的电动汽车在同一个时间间隔Δt内的充电状态相同。
4.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，步骤S2所述配电网络所有支路的阻抗时刻恒定。
5.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，连接变电站的配电网络的总线节点为平衡节点，除总线节点之外的配电网络节点均为PQ节点。
6.根据权利要求1所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，目标函数的表达式为：
Figure FDA0002476567810000011
其中，lines表示配电网络的支路总数；l表示第l条支路，T表示电动汽车总充电调度时间；Δt表示一个时间间隔；Rl表示第l条支路的电阻，Il,t表示在t时刻第l条支路的支路电流值。
7.根据权利要求6所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，所述约束条件中配电网络节点功率在任意时刻满足：
Figure FDA0002476567810000012
Figure FDA0002476567810000021
其中，Prm表示配电网络的节点m在任意时刻的注入有功功率；Qrm表示配电网络的节点m在任意时刻的注入无功功率；Rm-1表示节点m-1与节点m之间支路的电阻；Xm-1表示节点m-1与节点m之间支路的电抗；Pm-1为节点m-1在任意时刻的有功负荷；Qm-1为节点m-1在任意时刻的无功负荷；Vm-1为节点m-1的节点电压；Pm表示配电网络的节点m在任意时刻的有功负荷值；Qm表示配电网络的节点m在任意时刻的无功负荷值；nodem,t表示节点m处的电动汽车的状态，当节点m处接入电动汽车时，nodem,t取1；否则，nodem,t取0；
Figure FDA0002476567810000022
表示接入节点m处的电动汽车的充电功率。
8.根据权利要求7所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，接入节点m处的电动汽车的充电功率满足：
0≤MPm,t≤K
其中，K表示接入节点m处的电动汽车的充电功率的上限值。
9.根据权利要求7所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，约束条件中的节点电压在任意时刻满足：
Vmin,m≤Vm≤Vmax,m
其中，Vmin,m表示节点m的节点电压下限值；Vm表示节点m的节点电压值；Vmax,m表示节点m的节点电压上限值。
10.根据权利要求5所述的电动汽车有序充电优化方法，其特征在于，一个时间间隔Δt为1小时，电动汽车总充电调度时间T为24小时。
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