CN117937628A - 一种采用电力电子化的智能充电调度***及相关方法 - Google Patents

一种采用电力电子化的智能充电调度***及相关方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电网调度领域，涉及一种采用电力电子化的智能充电调度***及相关方法；所述***包括能量路由器，对内通过直流母线及电力电子变换器连接分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口，对电网负载所需的电能以及不同地点下的分布式光伏的发电量和电动汽车充电站的用电量进行监测，实时收集和上传电动汽车剩余电量；调度模块，用于根据能量路由器获取的信息，通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度。本发明能够更有效地消纳光伏能源并支持电力***的稳定运行。

Description

一种采用电力电子化的智能充电调度***及相关方法
技术领域
本发明属于电网调度领域，尤其涉及一种采用电力电子化的智能充电调度***及相关方法。
背景技术
现如今能源需求的快速增长、化石燃料等资源过分依赖、不可再生资源不均匀分布和日益增长的环境问题已逐渐成为全人类共同面对的话题。随着光伏、风电、储能以及可调度负荷***在电力领域中的大量应用，电网网络运行将更为灵活多变，电力***可靠性运行控制***将面临更为严峻的挑战。
能量路由器作为一种可同时接入多种能源及负荷的电力电子设备，以及可实现多种接入能源及负荷灵活调度的控制单元，具备改善电能质量、主动支撑潮流以及动态无功补偿等功能，可以极大提升电网运行安全，同时其具备的通讯功能有利于区域电网的统一管控，被大量应用于当前电力***之中，解决多类能源和负荷的科学运行难题。
新能源发电***和储能***以及部分负荷经能量路由器接入电网后，电力网络将表现为由若干个可并网/离网切换、可调度的分布式小微电网混合的灵活***，然而如何将这些进行电力电子化，并对各个端口功率流向以及大小进行准确控制，保证电力稳定将是亟需解决的重要问题。
发明内容
基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种采用电力电子化的智能充电调度***及相关方法，通过电力电子化实现分布式光伏、电动汽车充电站及储能设施的能量路由器结构实现智能充电调度，优化了电动汽车的充电过程，以便更有效地消纳光伏能源并支持电力***的稳定运行。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种采用电力电子化的智能充电调度***，所述***包括：
能量路由器，对内通过直流母线及电力电子变换器连接分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口；并对电网负载所需的电能以及不同地点下的分布式光伏的发电量以及电动汽车充电站的用电量进行监测，并实时收集和上传电动汽车剩余电量；
分布式光伏，向电动汽车充电站提供能量；
电动汽车充电站，向电动汽车提供能量；
储能设施，存储电网中多余的能量；
电动汽车，向电动汽车充电站获取能量；
调度模块，用于根据能量路由器获取的信息，通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度。
在本发明的第二方面，本发明还提供了一种采用电力电子化的智能充电调度方法，所述方法包括：
根据能量路由器获取的信息，通过潮流计算出城市配电网的分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施、电动汽车的节点电压；
根据分布式光伏和储能设施的节点电压，采用电压型虚拟同步发电机控制分布式光伏和储能设施的有功功率和无功功率；
对当前时刻所有电动车充电需求进行排序，优先安排剩余电量低、补电需求高、排队靠前的电动汽车进行充电；
通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度；
根据电动汽车充电站和电动汽车的节点电压，通过电力电子变换器控制电动汽车的充电时间和充电速度。
本发明的有益效果：
本发明通过电力电子化实现分布式光伏、电动汽车充电站及储能设施的能量路由器结构实现智能充电调度，通过能量路由器管理和分配电能，以最大程度提高能源效率，降低能源浪费，确保电力***的稳定运行，结合配电网对能量路由器的典型需求，采用了分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施和电动汽车的共享性分散自制控制能量路由器的分析模型，有利于实现分布式光伏实时自动地进行就地消纳，同时***的控制相对简单，运行可靠。能量路由器连接拓扑对内通过直流母线及电力电子变换器连接源荷设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口。根据调度指令，能量路由器内部的微控制单元可控制各电力电子变换器，进而对各端口功率流向及大小进行控制。采用改进的电力电子控制模型控制，控制分布式光伏和储能设施的有功功率和无功功率，使得虚拟的同步发电机能够模拟出功率和频率动态过程中的惯性和阻尼，具有阻尼功率震荡的能力，抑制储能过快响应；通过平台电价补贴的方式引导电动汽车完成智能充电调度，优化了电动汽车的充电过程，以便更有效地消纳光伏能源并支持电力***的稳定运行。
附图说明
图1是本发明实施例的一种采用电力电子化的智能充电调度***结构示意图；
图2是本发明实施例的能量路由器的结构示意图；
图3是本发明实施例的调度模块的结构示意图；
图4是本发明实施例的一种采用电力电子化的智能充电调度***方法流程图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例的一种采用电力电子化的智能充电调度***结构示意图，如图1所示，所述***包括：
101、能量路由器，对内通过直流母线及电力电子变换器连接分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口；并对电网负载所需的电能以及不同地点下的分布式光伏的发电量以及电动汽车充电站的用电量进行监测，并实时收集和上传电动汽车剩余电量；
102、分布式光伏，向电动汽车充电站提供能量；
103、电动汽车充电站，向电动汽车提供能量；
104、储能设施，存储电网中多余的能量；
105、电动汽车，向电动汽车充电站获取能量；
106、调度模块，用于根据能量路由器获取的信息，通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度。
本发明实施例主要考虑这些能量路由器101中的固态功率模块。固态功率模块包括各类电力电子变换电路和外部接口，具有交直流变换和电压控制等功能，可以实现各类新型源荷与电网之间的电气连接。本实施例采用分散自治的控制策略，有利于实现分布式光伏实时自动地进行就地消纳，同时***的控制相对简单，运行可靠。
图2是本发明实施例的能量路由器的结构示意图，如图2所示，所示能量路由器包括微控制单元，所述微控制单元通过AC/DC转换器分别与并网接口连接和电动汽车充电站，所述微控制单元通过DC/DC转换器分别控制分布式光伏、储能设施和电动汽车，所有节点都接入电网***中。
在图2中，PB为储能装置吸收的功率，PPV为光伏设备发出的功率，PEV为电动汽车吸收的功率，PC为电动汽车充电站吸收的功率。能量路由器连接拓扑对内通过直流母线及电力电子变换器连接源荷设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口。根据调度指令，能量路由器内部的微控制单元(microcontroller unit,MCU)可控制各电力电子变换器，进而对各端口功率流向及大小进行控制。
在本发明实施例中，所述调度模块106包括数据处理单元，充电需求排序单元，引导调度单元：
所述数据处理单元1061，根据能量路由器获取的信息，通过潮流计算出城市配电网的分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施、电动汽车的节点电压；
所述充电需求排序单元1062，对当前时刻所有电动车充电需求进行排序，优先安排剩余电量低、补电需求高、排队靠前的电动汽车进行充电；
所述引导调度单元1063，通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度。
在本发明实施例中，所述智能充电调度***是一种高级电力管理***，旨在优化电动汽车的充电过程，以便更有效地消纳光伏能源并支持电力***的稳定运行。该***具体运行方式如下：
一、数据监测：该***在能量路由器平台上通过安装能量监测设备，对电网负载所需的电能以及不同地点下的分布式光伏的太阳能产量以及充电站进行监测。同时对电动汽车车辆信息将接入智能充电调度***管理平台，主要负责收集和上传电动汽车剩余电量SOC。
二、数据分析：根据监测得到的当前数据以及对光伏发电预测的趋势，评估未来一段时间内(几小时内)太阳能发电量，从而确定电力需求的峰谷情况。并评估配电网运行状态。
三、充电计划制定：根据数据分析结果，当监测到配电网运行状态中光伏发电渗透率过高，智能充电调度***将制定一份充电计划。具体计划为：在分布式光伏发电量达到峰值附近时，将以低于平常时刻的充电电价引导每辆电动车何时以及以何种速度充电。该计划的目标是在最大程度上利用可用的太阳能发电，完成对光伏高渗投率下的消纳，同时确保满足电动汽车车主的需求。
图4是本发明实施例的一种采用电力电子化的智能充电调度方法，所述方法包括：
201、根据能量路由器获取的信息，通过潮流计算出城市配电网的分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施、电动汽车的节点电压；
在本发明实施例中，所述能量路由器连接拓扑对内通过直流母线及电力电子变换器连接源荷设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口。因此，可以通过能量路由器获取相应的数据，包括对电网负载所需的电能以及不同地点下的分布式光伏的发电量以及电动汽车充电站的用电量进行监测，并实时收集和上传电动汽车剩余电量；通过潮流计算出城市配电网的分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施、电动汽车的节点电压；潮流计算，就是在电力***给定运行条件和***接线方式下，对***的电压分布、功率分布进行求解，本质上就是电路问题，求电压、功率等。可以通过高斯-赛德尔法、牛顿拉夫逊法、P-Q分解法等潮流计算方法求解得到本发明所需的城市配电网的分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施、电动汽车的节点电压。由于潮流计算并不是本发明的重点，因此本发明对此不做详细介绍，本领域技术人员可以根据现有的潮流计算方法对此进行处理。
202、根据分布式光伏和储能设施的节点电压，采用电压型虚拟同步发电机控制分布式光伏和储能设施的有功功率和无功功率；
在本发明实施例中，光伏、储能电力电子控制模型中采用电压型虚拟同步发电机，其主要包含控制频率和电压幅值的输出，分别对应的是有功控制环和无功控制环。采用电压型虚拟同步发电机控制分布式光伏和储能设施的有功功率包括：
其中，Tm和Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，B0为虚拟阻尼系数，wN为实际角速度；wm为电网角速度；Dp和J(J主要和前述分布式光伏出力功率及储能并网放电功率有关)分别为虚拟的同步发电机的阻尼系数和惯性系数，θ为功角。
正是由于J和Dp的存在，使得虚拟的同步发电机能够模拟出功率和频率动态过程中的惯性和阻尼，具有阻尼功率震荡的能力，抑制储能过快响应。采用电压型虚拟同步发电机控制分布式光伏和储能设施的无功功率包括：
其中，eq作为调制波q轴分量，反映在潮流稳态计算中为考虑电力电子影响的实际节点电压，Ka为电压增益，KV为无功调压系数，Vset为节点设定的额定电压值，U0为节点实际的电压幅值，nq为无功增益，Qset为设定的无功功率，Q为虚拟同步发电机无功功率。
其中，公式J的计算公式表示为：
J＝αPB+βPPV+γPgV+δPC
式中，α、β、γ、δ代表四个不同的系数，α+β+γ+δ＝1，PB为储能装置吸收的功率，PPV为光伏设备发出的功率，PEV为电动汽车吸收的功率，PC为电动汽车充电站发出的功率。
其中，公式Q的计算公式表示为：
式中，θ为功角。
本发明实施例通过分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施和电动汽车吸收或者发出的功率，从而计算出J和Q，使得虚拟的同步发电机能够模拟出功率和频率动态过程中的惯性和阻尼，具有阻尼功率震荡的能力，抑制储能过快响应，对各个端口功率流向以及大小进行准确控制。
203、对当前时刻所有电动车充电需求进行排序，优先安排剩余电量低、补电需求高、排队靠前的电动汽车进行充电；
在本发明实施例中，智能充电调度***将统计平台车辆剩余电量(通过车载设备采集数据)，并对当前时刻所有电动车充电需求进行排序。假设私家电动车出行期望电量SOC_de(满电情况)，计算每辆运营电动车的缺充电量Qs(Qs＝SOC_de-SOC_re)、补电需求度De(De＝1-SOC_re/SOC_de)(剩余电量越接近出行期望电量，补电需求度越低)。并根据补电需求度De按从高到低的顺序对每辆运营电动车进行排序，列出所有私家电动汽车的充电排队序列表EvBus_list。私家电动汽车按照充电排队序列表中的顺序，优先安排剩余电量低、补电需求高、排队靠前的待运营电动车进行调度充电。
204、通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度；
在本发明实施例中，智能充电调度***在统计排序完所有有充电需求的电动汽车后，将通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离光伏电站最近的充电站进行充电调度。假设可选充电站有1,2,3号充电站进行充电，但对于每辆EV来说，最后选择哪个充电站来实施其充电行为取决于多种因素，比如配电网的运行状态、充电调度产生的额外行驶补偿费用和电价补偿等。
在这里对电动汽车EV因充电调度产生的额外行驶补偿及电价补偿费用进行说明。对于电动汽车车主而言，往往并不会考虑自己的充电决策结果是否会有利于配电网承载能力的提升，因此在这里对因充电调度产生的额外行驶及电价补偿费用进行补偿，具体表示为：
式中，T为时段总数；BCF、Bbus分别为充电站接入节点集合、***节点集合；Nar,t,i为t时刻到达节点i的电动汽车数量；ctTR为t时刻调度电动汽车额外行驶距离奖励单价；为表征电动汽车负荷空间调度情况的0-1变量；dij为节点i和节点j间的距离。
在本发明优选实施例中，本发明实施例还考虑了分时电价补贴系数、当前市电电价、调峰辅助服务补贴以及需求响应补贴等额外因素，充分优化平台电价补贴，表示为：
式中，其中b表示分时电价补贴系数，M表示当前市电电价，y表示调峰辅助服务补贴，x表示需求响应补贴。
205、根据电动汽车充电站和电动汽车的节点电压，通过电力电子变换器控制电动汽车的充电时间和充电速度。
在本发明实施例中，本实施例与电动汽车充电站、储能设施、电动汽车、分布式光伏和电力公司的通信接口进行交互。这些接口允许***实时控制充电过程，根据需要调整电动汽车的充电速度或时间，以最大程度减少充电成本、促进光伏消纳以及提高***稳定性。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种采用电力电子化的智能充电调度***，其特征在于，所述***包括：
能量路由器，对内通过直流母线及电力电子变换器连接分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施设备并对功率能流进行控制，对外提供交流并网接口；并对电网负载所需的电能以及不同地点下的分布式光伏的发电量以及电动汽车充电站的用电量进行监测，并实时收集和上传电动汽车剩余电量；
分布式光伏，向电动汽车充电站提供能量；
电动汽车充电站，向电动汽车提供能量；
储能设施，存储电网中多余的能量；
电动汽车，向电动汽车充电站获取能量；
调度模块，用于根据能量路由器获取的信息，通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度。
2.根据权利要求1所述的一种采用电力电子化的智能充电调度***，其特征在于，所述能量路由器包括微控制单元，所述微控制单元通过AC/DC转换器分别与并网接口和电动汽车充电站连接，所述微控制单元通过DC/DC转换器分别控制分布式光伏、储能设施和电动汽车的连接。
3.根据权利要求1所述的一种采用电力电子化的智能充电调度***，其特征在于，所述调度模块包括数据处理单元，充电需求排序单元，引导调度单元：
所述数据处理单元，根据能量路由器获取的信息，通过潮流计算出城市配电网的分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施、电动汽车的节点电压；
所述充电需求排序单元，对当前时刻所有电动车充电需求进行排序，优先安排剩余电量低、补电需求高、排队靠前的电动汽车进行充电；
所述引导调度单元，通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度。
4.一种采用电力电子化的智能充电调度方法，其特征在于，所述方法包括：
根据能量路由器获取的信息，通过潮流计算出城市配电网的分布式光伏、电动汽车充电站、储能设施、电动汽车的节点电压；
根据分布式光伏和储能设施的节点电压，采用电压型虚拟同步发电机控制分布式光伏和储能设施的有功功率和无功功率；
对当前时刻所有电动车充电需求进行排序，优先安排剩余电量低、补电需求高、排队靠前的电动汽车进行充电；
通过实时导航***确定每辆有充电需求的电动汽车的位置，通过平台电价补贴的方式，引导每辆电动汽车前往距离分布式光伏最近的电动汽车充电站进行充电调度；
根据电动汽车充电站和电动汽车的节点电压，通过电力电子变换器控制电动汽车的充电时间和充电速度。
5.根据权利要求4所述的一种采用电力电子化的智能充电调度方法，其特征在于，采用电压型虚拟同步发电机控制分布式光伏和储能设施的有功功率包括：
其中，Tm和Te分别为虚拟同步发电机的机械转矩和电磁转矩，B0为虚拟阻尼系数，wN为实际角速度；wm为电网角速度；Dp和J分别为分布式光伏和储能设施的有功功率所对应的虚拟的同步发电机的阻尼系数和惯性系数，θ为功角。
6.根据权利要求4所述的一种采用电力电子化的智能充电调度方法，其特征在于，采用电压型虚拟同步发电机控制分布式光伏和储能设施的无功功率包括：
其中，eq作为调制波q轴分量，反映在潮流稳态计算中为考虑电力电子影响的实际节点电压，Ka为电压增益，KV为无功调压系数，Vset为节点设定的额定电压值，U0为节点实际的电压幅值，nq为无功增益，Qset为设定的无功功率，Q为虚拟同步发电机无功功率。
7.根据权利要求4所述的一种采用电力电子化的智能充电调度方法，其特征在于，平台电价补贴的方式包括：
式中，T为时段总数；BCF、Bbus分别为充电站接入节点集合、***节点集合；Nar,t,i为t时刻到达节点i的电动汽车数量；ctTR为t时刻调度电动汽车额外行驶距离奖励单价；为表征电动汽车负荷空间调度情况的0-1变量；dij为节点i和节点j间的距离。
8.根据权利要求7所述的一种采用电力电子化的智能充电调度方法，其特征在于，平台电价补贴的方式还包括：
式中，其中b表示分时电价补贴系数，M表示当前市电电价，y表示调峰辅助服务补贴，x表示需求响应补贴。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118246696A (zh) * 2024-05-21 2024-06-25 国网安徽省电力有限公司合肥供电公司 基于能量路由器的快充站资源聚合与互动调控方法

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