本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電力需求響應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，是一種計(jì)及三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車分布式充放電策略研究。

背景技術(shù)：

近年來，傳統(tǒng)燃油私家汽車數(shù)量不斷增長(zhǎng)，不僅加劇了化石燃料消耗的速度，而且大量汽車尾氣的排放造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。在面臨能源危機(jī)和環(huán)境惡化的雙重壓力下，世界各國(guó)政府相繼出臺(tái)有關(guān)政策推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展。在中國(guó)，為發(fā)展新能源汽車提供重要政策保障，國(guó)務(wù)院辦公廳提出大力推進(jìn)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，從而有效解決電動(dòng)汽車充電難題。在美國(guó)，能源部通過EV Project計(jì)劃，為電動(dòng)汽車用戶免費(fèi)安裝充電樁，意在推廣電動(dòng)汽車的使用。

電動(dòng)汽車的普及已成為一種趨勢(shì)，未來大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，無序充電行為會(huì)對(duì)負(fù)荷平衡、電源容量、電能質(zhì)量、環(huán)境等方面產(chǎn)生不利影響。電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空隨機(jī)特性給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來更多的不確定性，主要涉及電壓偏移、網(wǎng)絡(luò)損耗、三相負(fù)荷不平衡等問題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電動(dòng)汽車充放電控制策略問題開展了廣泛大量的研究，其控制策略主要是集中式管理的方式，由中央控制系統(tǒng)根據(jù)電動(dòng)汽車電池模型、行駛模型、配電系統(tǒng)約束條件、電價(jià)等信息對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)汽車進(jìn)行充電優(yōu)化，得出每臺(tái)汽車每一時(shí)段充電功率。集中控制需要建立完備的通訊設(shè)施，并且處理的數(shù)據(jù)量大。在電動(dòng)汽車數(shù)量增多時(shí)，優(yōu)化變量和約束條件的增加，將導(dǎo)致優(yōu)化問題變得更加復(fù)雜，甚至不能得到全局最優(yōu)解。而分布式控制方法則不需要大量的通訊信息和復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算，更加適合大規(guī)模電動(dòng)汽車充放電優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提出一種科學(xué)合理，適用性強(qiáng)，效果佳的計(jì)及三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車分布式充放電策略，從而解決電動(dòng)汽車集中式管理的缺陷和不足。

本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種計(jì)及三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車分布式充放電調(diào)度策略，其特征是，它包括以下步驟：

1)建立電動(dòng)汽車分布式充放電優(yōu)化模型：

以負(fù)荷填谷為目標(biāo)的優(yōu)化模型為：

式中：U(.)是凸函數(shù)，P_ch(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段的充電功率；P_dch(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段的放電功率；D(t)是配電系統(tǒng)第t時(shí)段的常規(guī)負(fù)荷；

分布式調(diào)度與管理將系統(tǒng)分成若干個(gè)子區(qū)域，通過對(duì)子區(qū)域汽車的分散控制完成整個(gè)系統(tǒng)中電動(dòng)汽車充放電功率優(yōu)化；每個(gè)子區(qū)域配置一個(gè)中間運(yùn)營(yíng)商，中間運(yùn)營(yíng)商的作用是制定虛擬價(jià)格信號(hào)，將電動(dòng)汽車的充電時(shí)段引導(dǎo)至系統(tǒng)用電低谷時(shí)段；中間商以負(fù)荷填谷為目標(biāo)制定的虛擬價(jià)格信號(hào)數(shù)學(xué)模型為式(2)：

式中，p(·)是虛擬價(jià)格函數(shù)；ΔU(.)是凸函數(shù)U(.)的導(dǎo)數(shù)；系數(shù)γ的范圍是β是利普希茨常數(shù)，從而確保分布式充放電優(yōu)化過程收斂，虛擬價(jià)格隨常規(guī)負(fù)荷與電動(dòng)汽車充放電發(fā)生變化，負(fù)荷需求大時(shí)，價(jià)格信號(hào)較高；

中間運(yùn)營(yíng)商根據(jù)常規(guī)負(fù)荷以及電動(dòng)汽車充放電功率情況制定虛擬價(jià)格信號(hào)后，將虛擬價(jià)格信號(hào)發(fā)送至其所管轄的電動(dòng)汽車用戶，基于此，用戶根據(jù)虛擬價(jià)格價(jià)格信號(hào)來優(yōu)化自身充放電功率，一方面使充電成本最小，另一方面要兼顧三相負(fù)荷不平衡問題，對(duì)充放電功率進(jìn)行修正，并將充放電功率信息反饋至中間商，由中間商再次制定虛擬電價(jià)，從而得出最優(yōu)的充放電計(jì)劃，用戶充放電優(yōu)化模型為式(3)：

式中：是電動(dòng)汽車i第k次迭代的充電費(fèi)用；p^k(t)是第t時(shí)段第k次迭代的充放電電價(jià)；是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代的充電功率；是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代的放電功率；σ^k(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代三相負(fù)荷不平衡修正量；式(3)中，是用戶充電成本，是對(duì)前后兩次優(yōu)化充放電功率以及三相不平衡的懲罰項(xiàng)，從而使優(yōu)化更加易于收斂；設(shè)置懲罰項(xiàng)的目的在于使同一時(shí)段前后兩次優(yōu)化的充放電功率相等，在三相負(fù)荷均衡的情況下，不平衡修正量σ^k(i,t)為零，否則根據(jù)不平衡量對(duì)前一次充放電功率進(jìn)行修正，進(jìn)而改變當(dāng)前次充放電功率；當(dāng)σ^k(i,t)＝0且同一時(shí)段前后兩次充放電功率相等，則懲罰項(xiàng)不再產(chǎn)生作用；

2)約束條件

①充放電功率約束：

式中：P_max是電動(dòng)汽車充放電功率最大值；

②電量需求約束：

式中：η是充放電效率；P_trip(i)是電動(dòng)汽車i一天中行駛電量需求；該式能夠確保接入系統(tǒng)的每輛電動(dòng)汽車在最后時(shí)段充滿電；

③充放電邏輯約束：

式(6)保證電動(dòng)汽車在某一時(shí)段不可同時(shí)進(jìn)行充放電；

④提供V2G服務(wù)約束：

式中：ρ是用戶選擇提供放電服務(wù)電量占電池的百分?jǐn)?shù)；c_bat是電池容量；

⑤充電SOC約束：

式中：SOC^k(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代的電池荷電狀態(tài)；

⑥放電SOC約束：

式中：λ是電池最低荷電狀態(tài)，用以保證電池壽命；

⑦配電網(wǎng)三相負(fù)荷平衡約束：

配電網(wǎng)中三相負(fù)荷平衡常用負(fù)序電壓與正序電壓的比值表述，但為了使約束條件線性化，采用每相負(fù)荷與三相負(fù)荷平均值定義三相不平衡度；

式中：P_φ(t)＝D_φ(t)+P_chφ(t)-P_dchφ(t)，φ∈{A,B,C}；其中，P_φ(t)是某一相上t時(shí)段負(fù)荷總量，D_φ(t)是某一相第t時(shí)段的常規(guī)負(fù)荷，P_chφ(t)是某一相第t時(shí)段電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，P_dchφ(t)是某一相第t時(shí)段電動(dòng)汽車放電負(fù)荷，是三相負(fù)荷最大不平衡度；

分布式控制過程中，對(duì)于用戶和網(wǎng)絡(luò)的約束同樣滿足式(4)-(10)；但需要對(duì)三相負(fù)荷平衡約束做進(jìn)一步簡(jiǎn)化處理，其中各相上任意一臺(tái)電動(dòng)汽車需要承擔(dān)由于充放電導(dǎo)致的三相負(fù)荷不平衡量近似表達(dá)式如下：

式中：是各相上電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代計(jì)及的三相負(fù)荷不平衡修正量；是某一相第t時(shí)段第k-1次迭代時(shí)的負(fù)荷；是其余相第t時(shí)段第k-1次迭代時(shí)的負(fù)荷；N_φ是接入各相上電動(dòng)汽車的數(shù)量；其中φ∈s＝{A,B,C}，δ＝C_sφ；

3)分布式優(yōu)化模型求解

制定的分布式控制方法關(guān)鍵在于用戶根據(jù)中間運(yùn)營(yíng)商制定的虛擬電價(jià)信號(hào)，對(duì)自身充電功率進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)成本最??；此優(yōu)化方法是循環(huán)迭代、反復(fù)調(diào)整各時(shí)段充放電功率的交互式控制過程，也是響應(yīng)系統(tǒng)用電多少、平滑網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的過程，具體內(nèi)容是：

(a)假定電動(dòng)汽車各時(shí)段充放電功率均為零；

(b)中間商根據(jù)常規(guī)負(fù)荷與各時(shí)段充放電功率總和制定虛擬電價(jià)，并傳送至各用戶；

(c)用戶根據(jù)該電價(jià)信號(hào)進(jìn)行充放電優(yōu)化，并將各時(shí)段充放電功率反饋至中間商；

(d)重復(fù)執(zhí)行步驟2)。

本發(fā)明的計(jì)及三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車充放電調(diào)度策略研究，相對(duì)于電動(dòng)汽車無序充放電和集中式充放電而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)分布式管理策略能夠達(dá)到集中式優(yōu)化的效果，并有效規(guī)避集中式管理產(chǎn)生的優(yōu)化時(shí)間長(zhǎng)，通訊復(fù)雜的缺點(diǎn)。

2)計(jì)及三相負(fù)荷平衡約束，可有效減小因電動(dòng)汽車充放電產(chǎn)生的配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡，同時(shí)降低電壓偏差，提高電能質(zhì)量。

3)該策略將電動(dòng)汽車充電時(shí)段引導(dǎo)至夜間用電低谷時(shí)期，并且在負(fù)荷高峰期間可向系統(tǒng)提供V2G服務(wù)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用，從而平滑系統(tǒng)負(fù)荷，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4)其科學(xué)合理，適用性強(qiáng)，效果佳。

附圖說明

圖1是分布式充放電優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是計(jì)算流程圖；

圖3是IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)圖。

圖4是集中式優(yōu)化結(jié)果；

圖5是分布式充放電優(yōu)化結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面利用附圖和實(shí)際算例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的一種計(jì)及三相負(fù)荷平衡的電動(dòng)汽車分布式充放電調(diào)度策略，包括以下步驟：

1)建立電動(dòng)汽車分布式充放電優(yōu)化模型：

以負(fù)荷填谷為目標(biāo)的優(yōu)化模型為：

式中：U(.)是凸函數(shù)，從而保證電動(dòng)汽車充放電以填谷為目標(biāo)；P_ch(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段的充電功率；P_dch(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段的放電功率；D(t)是配電系統(tǒng)第t時(shí)段的常規(guī)負(fù)荷。

參照?qǐng)D1，提出分布式充放電優(yōu)化策略，分布式充放電控制與集中式管理不同，在優(yōu)化過程中，用戶根據(jù)某個(gè)控制信號(hào)對(duì)自身的充放電過程進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最優(yōu)的充放電功率曲線。

分布式調(diào)度與管理將系統(tǒng)分成若干個(gè)子區(qū)域，通過對(duì)子區(qū)域汽車的分散控制完成整個(gè)系統(tǒng)中電動(dòng)汽車充放電功率優(yōu)化。每個(gè)子區(qū)域配置一個(gè)中間運(yùn)營(yíng)商，中間運(yùn)營(yíng)商的作用是制定虛擬價(jià)格信號(hào)，將電動(dòng)汽車的充電時(shí)段引導(dǎo)至系統(tǒng)用電低谷時(shí)段。中間商以負(fù)荷填谷為目標(biāo)制定的虛擬價(jià)格信號(hào)數(shù)學(xué)模型為式(2)：

式中，p(·)是虛擬價(jià)格函數(shù)；ΔU(.)是凸函數(shù)U(.)的導(dǎo)數(shù)；系數(shù)γ的范圍是β是利普希茨常數(shù)，從而確保分布式充放電優(yōu)化過程收斂。虛擬價(jià)格隨常規(guī)負(fù)荷與電動(dòng)汽車充放電發(fā)生變化，負(fù)荷需求大時(shí)，價(jià)格信號(hào)較高。

中間運(yùn)營(yíng)商根據(jù)常規(guī)負(fù)荷以及電動(dòng)汽車充放電功率情況制定虛擬價(jià)格信號(hào)后，將虛擬價(jià)格信號(hào)發(fā)送至其所管轄的電動(dòng)汽車用戶?；诖?，用戶根據(jù)虛擬價(jià)格信號(hào)來優(yōu)化自身充放電功率，一方面使充電成本最小，另一方面要兼顧三相負(fù)荷不平衡問題，對(duì)充放電功率進(jìn)行修正，并將充放電功率信息反饋至中間商，由中間商再次制定虛擬電價(jià)，從而得出最優(yōu)的充放電計(jì)劃，本發(fā)明中第三部分制定詳細(xì)的優(yōu)化過程。用戶充放電優(yōu)化模型為式(3)：

式中：是電動(dòng)汽車i第k次迭代的充電費(fèi)用；p^k(t)是第t時(shí)段第k次迭代的充放電電價(jià)；是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代的充電功率；是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代的放電功率；σ^k(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代三相負(fù)荷不平衡修正量。式(3)中，是用戶充電成本，是對(duì)前后兩次優(yōu)化充放電功率以及三相不平衡的懲罰項(xiàng)，從而使優(yōu)化更加易于收斂；設(shè)置懲罰項(xiàng)的目的在于使同一時(shí)段前后兩次優(yōu)化的充放電功率相等。在三相負(fù)荷均衡的情況下，不平衡修正量σ^k(i,t)為零，否則根據(jù)不平衡量對(duì)前一次充放電功率進(jìn)行修正，進(jìn)而改變當(dāng)前次充放電功率。當(dāng)σ^k(i,t)＝0且同一時(shí)段前后兩次充放電功率相等，則懲罰項(xiàng)不再產(chǎn)生作用。

2)約束條件

①充放電功率約束。

式中：P_max是電動(dòng)汽車充放電功率最大值。

②電量需求約束。

式中：η是充放電效率；P_trip(i)是電動(dòng)汽車i一天中行駛電量需求。該式能夠確保接入系統(tǒng)的每輛電動(dòng)汽車在最后時(shí)段充滿電。

③充放電邏輯約束。

式(6)保證電動(dòng)汽車在某一時(shí)段不可同時(shí)進(jìn)行充放電。

④提供V2G服務(wù)約束。

式中：ρ是用戶選擇提供放電服務(wù)電量占電池的百分?jǐn)?shù)；c_bat是電池容量。

⑤充電SOC約束。

式中：SOC^k(i,t)是電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代的電池荷電狀態(tài)；

⑥放電SOC約束。

式中：λ是電池最低荷電狀態(tài)，用以保證電池壽命；

⑦配電網(wǎng)三相負(fù)荷平衡約束。

配電網(wǎng)中三相負(fù)荷平衡常用負(fù)序電壓與正序電壓的比值表述，但為了使約束條件線性化，本發(fā)明采用每相負(fù)荷與三相負(fù)荷平均值定義三相不平衡度。

式中：P_φ(t)＝D_φ(t)+P_chφ(t)-P_dchφ(t)，φ∈{A,B,C}；其中，P_φ(t)是某一相上t時(shí)段負(fù)荷總量，D_φ(t)是某一相第t時(shí)段的常規(guī)負(fù)荷，P_chφ(t)是某一相第t時(shí)段電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，P_dchφ(t)是某一相第t時(shí)段電動(dòng)汽車放電負(fù)荷，是三相負(fù)荷最大不平衡度。

分布式控制過程中，對(duì)于用戶和網(wǎng)絡(luò)的約束同樣滿足式(4)-(10)。但需要對(duì)三相負(fù)荷平衡約束做進(jìn)一步簡(jiǎn)化處理，其中各相上任意一臺(tái)電動(dòng)汽車需要承擔(dān)由于充放電導(dǎo)致的三相負(fù)荷不平衡量近似表達(dá)式如下：

式中：是各相上電動(dòng)汽車i第t時(shí)段第k次迭代計(jì)及的三相負(fù)荷不平衡修正量；是某一相第t時(shí)段第k-1次迭代時(shí)的負(fù)荷；是其余相第t時(shí)段第k-1次迭代時(shí)的負(fù)荷；N_φ是接入各相上電動(dòng)汽車的數(shù)量；其中φ∈s＝{A,B,C}，δ＝C_sφ。

3)分布式優(yōu)化模型求解

參照?qǐng)D2，制定的分布式控制方法關(guān)鍵在于用戶根據(jù)中間運(yùn)營(yíng)商制定的虛擬電價(jià)信號(hào)，對(duì)自身充電功率進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)成本最??；此優(yōu)化方法是循環(huán)迭代、反復(fù)調(diào)整各時(shí)段充放電功率的交互式控制過程，也是響應(yīng)系統(tǒng)用電多少、平滑網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的過程，具體內(nèi)容是：

(a)假定電動(dòng)汽車各時(shí)段充放電功率均為零；

(b)中間商根據(jù)常規(guī)負(fù)荷與各時(shí)段充放電功率總和制定虛擬電價(jià)，并傳送至各用戶；

(c)用戶根據(jù)該電價(jià)信號(hào)進(jìn)行充放電優(yōu)化，并將各時(shí)段充放電功率反饋至中間商；

(d)重復(fù)執(zhí)行步驟2)。

參照?qǐng)D3，本發(fā)明以IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)為例，對(duì)發(fā)明中提出的調(diào)度策略進(jìn)行驗(yàn)證。該算例共包含37條支路，5個(gè)環(huán)。功率基值取10MVA，電壓基值設(shè)為12.66KV，其中節(jié)點(diǎn)0與主網(wǎng)相連，設(shè)為參考節(jié)點(diǎn)。

假設(shè)配電網(wǎng)內(nèi)共有350輛電動(dòng)汽車，并按照每個(gè)節(jié)點(diǎn)常規(guī)負(fù)荷占網(wǎng)絡(luò)總負(fù)荷的比例分配至不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充放電。電動(dòng)汽車的電池容量設(shè)為21kW·h，充放電效率設(shè)為0.85，荷電狀態(tài)下限設(shè)為0.2，可提供V2G服務(wù)的電量設(shè)為10％·cbat，初始荷電狀態(tài)設(shè)為0.2-0.6間的連續(xù)隨機(jī)數(shù)，行駛電量需求根據(jù)用戶需要設(shè)定。

圖4所示，為考慮三相負(fù)荷平衡約束的電動(dòng)汽車在集中控制下的充放電優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)充放電曲線可知，以系統(tǒng)負(fù)荷方差最小為目標(biāo)對(duì)電動(dòng)汽車各時(shí)段充電功率進(jìn)行控制，電動(dòng)汽車大多在夜間進(jìn)行充電，能夠平抑系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)；另外，由于模型中考慮了電動(dòng)汽車放電的情況，使得在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)期，可利用電動(dòng)汽車V2G服務(wù)為系統(tǒng)提供電力，從而減小負(fù)荷峰值。在考慮三相負(fù)荷平衡約束下，可根據(jù)系統(tǒng)不平衡度要求，進(jìn)一步控制電動(dòng)汽車充放電功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖5所示，為考慮三相負(fù)荷平衡約束的分布式優(yōu)化結(jié)果，與圖5比較可知，此種情況下能夠得到與集中控制相近的優(yōu)化結(jié)果。

本發(fā)明中涉及的電動(dòng)汽車充放電策略可概括為四種形式：A—無序充電；B—無負(fù)荷平衡約束的分布式充放電優(yōu)化；C—有負(fù)荷平衡約束的分布式充放電優(yōu)化；D—有負(fù)荷平衡約束的集中式充放電優(yōu)化。

綜合以上分析，通過對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)施分布式優(yōu)化控制，使其在低谷負(fù)荷時(shí)期進(jìn)行合理的充放電，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能得到明顯提升，改善程度見表1所示。

表1不同控制策略下系統(tǒng)性能比較

表中峰谷差率指峰谷差值與峰荷的比值。

根據(jù)表1中所列仿真結(jié)果可得出，本發(fā)明中所采用的分布式優(yōu)化方法較集中式優(yōu)化，峰谷差率降低35％，三相負(fù)荷不平衡度降低1.16％，電壓偏差最大值降低3.95％；較無負(fù)荷平衡約束的分布式充放電優(yōu)化，峰谷差率降低2.3％，三相負(fù)荷不平衡度降低2.73％，電壓偏差最大值降低0.31％；較有負(fù)荷平衡約束的集中式充放電優(yōu)化，峰谷差率提高1％，三相負(fù)荷不平衡度相同，電壓偏差最大最升高0.14％。可見分布式優(yōu)化與集中式優(yōu)化的結(jié)果已非常接近，并且由于分布式優(yōu)化計(jì)算量小，更易于應(yīng)用實(shí)際。