邱朝明，曲大鵬，范晉衡，劉琦穎，劉 軒，湯清權(quán)

（1.廣州供電局有限公司，廣州 510620；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510630）

0 引言

近年來，由于低碳清潔、綠色出行理念的大力倡導(dǎo)，大中型城市電動汽車規(guī)?？焖僭鲩L，大量的充電設(shè)施、換電站等接入城市配電網(wǎng)[1]。為方便電動汽車充電，政府及相關(guān)電動汽車充電樁廠商規(guī)劃建設(shè)了較為密集的充電設(shè)施接入城市電網(wǎng)[2]。面對激增的負荷，電網(wǎng)公司迎來了新的挑戰(zhàn)。而電動汽車作為一種特殊的移動儲能裝置，具有靈活可調(diào)，可雙向充放電的特性，因此成為負荷聚合商側(cè)優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)資源。

針對上述問題，宮鑫等[3]以上層目標為電動汽車聚合商利益最大化為目標，下層目標為發(fā)電商成本最低，建立了計及激勵型需求響應(yīng)的雙層優(yōu)化模型。杜習超等[4]和張明霞等[5]研究了配網(wǎng)中電動汽車不同接入位置及不同滲透率下對配網(wǎng)節(jié)點電壓的影響。侯建朝等[6]和吳巨愛等[7]分析了影響聚合商充/放電策略的因素，進而提出了可接納EV參與競爭的用戶充/放電合約及相應(yīng)的市場機制；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了EV聚合商同時參與現(xiàn)貨和備用市場的優(yōu)化問題。孫亮等[8]基于聚合商的服務(wù)運作模式，對空調(diào)負荷調(diào)度策略展開研究，正常運行過程中尋求負荷的平滑接入，削峰運行過程中尋求最優(yōu)削峰效果。劉敦楠等[9]提出了充電負荷聚合商的定義及運營框架，并分析了針對充電負荷聚合商參與綠色證書交易市場的驅(qū)動力，構(gòu)建了充電負荷聚合商內(nèi)外2級綠色證書交易模式，并針對綠色證書交易與碳排放權(quán)交易、電力市場交易的耦合機理，建立了多市場協(xié)調(diào)機制。孫偉卿等[10]將具有一定調(diào)節(jié)能力的負荷資源作為虛擬儲能，并將其與儲能相結(jié)合，建立用戶側(cè)廣義儲能的不確定性響應(yīng)模型，提出狹義儲能優(yōu)先響應(yīng)和虛擬儲能優(yōu)先響應(yīng)兩種負荷聚合商控制策略。

上述文獻在進行電動汽車負荷調(diào)度時大多數(shù)以電動汽車聚合商經(jīng)濟利益為主要考慮目標，未考慮電網(wǎng)的經(jīng)濟安全運行?；诖?，本文首先概述電動汽車負荷聚合商的基本概念，以大型充電站為對象，分析了電力側(cè)、電動汽車聚合商側(cè)和電動汽車用戶三者之間的運作機制，接著分析了配網(wǎng)內(nèi)負荷分布和配網(wǎng)有功損耗之間的關(guān)系，然后從電網(wǎng)公司的角度以配網(wǎng)網(wǎng)損最小為目標建立網(wǎng)商樁能量優(yōu)化模型并介紹求解流程，最后結(jié)合算例驗證有效性。

1 電動汽車負荷聚合商的概念及運行機制

傳統(tǒng)負荷聚合商是一個整合用戶需求響應(yīng)并提供給市場購買者的獨立組織，不僅可以為中小負荷提供參與市場調(diào)節(jié)的機會，還可以通過專業(yè)的技術(shù)手段充分發(fā)掘負荷資源，提供市場需要的輔助服務(wù)產(chǎn)品[11]。

電動汽車負荷聚合商是針對于電動汽車這一特殊充電負荷的負荷聚合商，相較于傳統(tǒng)的負荷聚合商，電動汽車類負荷具有數(shù)量龐大、可調(diào)度性強等特點。電動汽車負荷聚合商通過整合區(qū)域內(nèi)電動汽車負荷資源提高電動汽車需求響應(yīng)資源聚合管理支撐，對各類車主進行業(yè)務(wù)指導(dǎo)，提高認購、響應(yīng)、結(jié)算等環(huán)節(jié)的效率[12-13]。

電動汽車負荷聚合商與區(qū)域內(nèi)電動汽車充電站、私人電動汽車充電樁、電動汽車換電站等安裝智能充電控制設(shè)備，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)電動汽車充電狀態(tài)，并通過遠程通信技術(shù)控制區(qū)域內(nèi)電動汽車充電功率。電動汽車負荷聚合商通過與電網(wǎng)公司需求響應(yīng)中心和電動汽車負荷簽署雙向協(xié)議，在電網(wǎng)側(cè)發(fā)布需求響應(yīng)事件時電動汽車負荷聚合商調(diào)度區(qū)域電動汽車充電負荷完成需求響應(yīng)事件[14-15]。電動汽車負荷聚合商運行機制如圖1所示。

圖1 電動汽車負荷聚合商運行機制

電網(wǎng)、電動汽車負荷聚合商和電動汽車用戶三者，以電動汽車負荷聚合商為樞紐，電網(wǎng)側(cè)注重電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟運行，負荷商則主要以經(jīng)濟利益為目標，用戶側(cè)對充電費用及充電體驗較為敏感。三者以電網(wǎng)側(cè)為主導(dǎo)，電動汽車負荷聚合商為樞紐，電動汽車用戶為終端對象。

2 電動汽車接入配電網(wǎng)網(wǎng)損機理分析

一定規(guī)模的電動汽車接入配電網(wǎng)負載空間上的差異化分布會造成配電網(wǎng)潮流重新分布，引起配網(wǎng)的網(wǎng)損及電壓的波動[16]。

以典型輻射型配電網(wǎng)拓撲為例，對電動汽車接入配電網(wǎng)對其網(wǎng)損影響進行分析。低壓配電變壓器等值電路如圖2所示。配電網(wǎng)網(wǎng)損一般包括配變損耗及線路損耗，其中配變損耗ΔPT可分為銅耗PCu和鐵耗PFe兩部分，變壓器模型如下：

式中：U為變壓器高壓側(cè)運行電壓；UN為變壓器高壓側(cè)額定電壓；P0為配電變壓器空載損耗，P為配電變壓器接入負載，SN為變壓器額定容量；λ為功率因數(shù)，Pk為變壓器短路損耗。

由此可知變壓器的鐵損與運行電壓大小有關(guān)，但在通常運行方式下是一個很小的量；變壓器的銅損與配變的負載大小成正比。

圖2 低壓配電變壓器等值電路

圖3 輻射型配電網(wǎng)拓撲

輻射型配電網(wǎng)拓撲如圖3所示。

假設(shè)線路單位電阻值為r，則該段線路的有功損耗為：

式中：R為線路電阻；P為輸送功率；U為運行電壓；λ為功率因數(shù)；r為單位線路電阻；l為線路長度。

電動汽車一般認為恒功率負載，一定規(guī)模電動汽車接入配電網(wǎng)節(jié)點第k處并網(wǎng)后，整條饋線的網(wǎng)損ΔP為：

式中：PEV為電動汽車接入配網(wǎng)的充電功率；U為變壓器運行電壓；UN為變壓器額定運行電壓；SN為變壓器額定容量；P0為變壓器空載損耗；Pk為變壓器短路損耗n≠k，m≠k。

由于配網(wǎng)線路及配變等元器件參數(shù)的差異，由上式可知，一定數(shù)量的電動汽車同時接入配電網(wǎng)時，負載分布的位置及大小的差異會造成的有功損耗差別也會較大，因此電動汽車聚合商在電網(wǎng)側(cè)發(fā)布需求響應(yīng)時，根據(jù)各充電站響應(yīng)能力，合理分配功率可達到配網(wǎng)節(jié)能降損的目的。

3 網(wǎng)商樁能量優(yōu)化數(shù)學模型和步驟

3.1 網(wǎng)商樁能量優(yōu)化數(shù)學模型

結(jié)合上文分析，在配網(wǎng)不同位置通過調(diào)節(jié)電動汽車接入負載大小可有效優(yōu)化配網(wǎng)網(wǎng)損，因此電動汽車負荷聚合商根據(jù)需求響應(yīng)中心發(fā)布的需求響應(yīng)事件及各充電站反饋的可響應(yīng)負荷量[17-20]。

以電網(wǎng)為主體，以各電動汽車負荷聚合商響應(yīng)量為約束，通過建立以電網(wǎng)網(wǎng)損最小為目標的優(yōu)化模型并對其求解，對各電動汽車負荷聚合商分配需求響應(yīng)量。

目標函數(shù)：

式中：Ii為第i條支路的電流，Ri為第i條支的電阻。

配電網(wǎng)的安全為穩(wěn)定運行需滿足潮流約束、節(jié)點電壓約束。

（1）網(wǎng)絡(luò)潮流約束

（2）節(jié)點電壓約束

式中：Vmin為節(jié)點電壓幅值下限；Vi為節(jié)點i的電壓幅值；Vmax為節(jié)點電壓幅值上限。

（3）需求響應(yīng)約束

為保證充電站安全運行，各充電站的充電功率需小于配變額定容量，同時參與需求響應(yīng)的各充電站需求響應(yīng)功率之和需等于需求響應(yīng)中心發(fā)布的需求響應(yīng)量。

式中：PDR為對負荷聚合商下發(fā)的需求響應(yīng)量；PSTAi為負荷聚合商對第i個充電站分配的功率。

（4）電動汽車充電站容量約束

式中：PSTAi為第i個電動汽車充電站的充電功率；SNi為第i個電動汽車充電站配變的額定功率；cosφ為充電站變壓器額定功率因數(shù)，一般取0.95。

3.2 求解流程

根據(jù)網(wǎng)商樁能量優(yōu)化模型及目標函數(shù)，采用蒙特卡洛模擬進行尋優(yōu)，利用對各個充電站的功率分配達到配網(wǎng)能量優(yōu)化。具體步驟如下。

（1）網(wǎng)架搭建及負荷低谷時期任一時刻潮流數(shù)據(jù)。

（2）設(shè)置蒙特卡洛總模擬次數(shù)K，記模擬次數(shù)i=1。

（3）蒙特卡洛模擬分配各充電站功率分配方案，并記蒙特卡洛模擬次數(shù)i=i+1。

（4）在各電動汽車充電站初始負載功率基礎(chǔ)上疊加步驟（3）中分配給各充電站分配的功率，判斷是否超過配變?nèi)萘?，若是，則返回步驟（3），若否，則執(zhí)行步驟（5）。

（5）根據(jù)電動汽車充電站功率分配方案，代入網(wǎng)商樁能量優(yōu)化模型求解，求解配網(wǎng)網(wǎng)損，并篩選最優(yōu)方案。

（6）篩選最優(yōu)方案。

求解流程如圖4所示。

4 算例仿真

本算例選取南方地區(qū)某變電站其中一條10 kV線路，該線路為城鎮(zhèn)負荷，全線共有30個負荷點，如圖5所示，其中節(jié)點22、30、38、42、50分布電動汽車充電站，各充電站容量如表1所示。

圖4 求解流程

圖5 10 kV線路拓撲結(jié)構(gòu)

表1 電動汽車充電站位置及配變?nèi)萘?/p>

考慮目前V2G技術(shù)不成熟，且實際應(yīng)用較少，因此本文不考慮電動汽車V2G模式。本算例中選取線路負荷低谷時期某一時刻網(wǎng)架潮流，根據(jù)區(qū)域配電網(wǎng)電動汽車充電站需求響應(yīng)能力，需求響應(yīng)中心下發(fā)的需求響應(yīng)量為500 kW，根據(jù)區(qū)域配電網(wǎng)電動汽車充電站需求響應(yīng)能力具體方案如表2所示，方案1將需求響應(yīng)量均勻分布給5個充電站，方案2～4隨機分配區(qū)域配網(wǎng)內(nèi)充電站，方案5為根據(jù)本文所提策略為區(qū)域內(nèi)各充電站分配的功率。

表2 各充電站容量分配方案kW

在算例網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及初始潮流數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)上述分配方案重新進行潮流計算，不同方案下配網(wǎng)網(wǎng)損如圖6所示。

圖6 不同方案下配網(wǎng)網(wǎng)損對比

通過對比分析可知，本方案下網(wǎng)損量低于其他4種方案平均網(wǎng)損量約14.57%，最大可達到17.97%。因此，本文所提方法通過電動汽車充電站功率分配方案有效降低配網(wǎng)的網(wǎng)損，且一定程度上提高配網(wǎng)運行安全性。

5 結(jié)束語

本文首先概述電動汽車負荷聚合商和分析配網(wǎng)有功功率網(wǎng)損機理，接著建立了網(wǎng)商樁能量優(yōu)化模型，并闡述了求解流程。最后結(jié)合南方地區(qū)某變電站其中一條10 kV線路進行算例仿真。結(jié)果表明，不同電動汽車充電站功率分配方案結(jié)果對比下，采用本方案相較于其他方案下的配網(wǎng)網(wǎng)損平均降低約14.57%，能量優(yōu)化效果顯著。

該模型計算速度快，求解流程簡單，能適應(yīng)區(qū)域配網(wǎng)內(nèi)多電動汽車充電站參與需求響應(yīng)業(yè)務(wù)等場景，對電網(wǎng)公司調(diào)度及需求響應(yīng)中心有一定參考價值。下一階段可在基于電動汽車聚合商參與需求響應(yīng)業(yè)務(wù)的配網(wǎng)能量優(yōu)化控制的基礎(chǔ)上考慮電動汽車負荷聚合商的經(jīng)濟利益，建立雙層優(yōu)化模型，通過協(xié)同控制達到電網(wǎng)側(cè)和電動汽車負荷聚合商互利共贏的目標。