程 琳, 門(mén)富媛, 聶 煜, 錢(qián) 文

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心,安徽 合肥 230022;2.國(guó)網(wǎng)亳州供電公司,安徽 亳州 236800)

電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)充能源的方式主要分為充電式和換電式兩種。其中，換電式通過(guò)更換電動(dòng)汽車(chē)電池組來(lái)補(bǔ)充能量，這是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。換電式充電站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“換電站”)可以?xún)?chǔ)存分布式能源系統(tǒng)中的電能，能夠減小風(fēng)電、光伏等新能源并網(wǎng)帶來(lái)的電網(wǎng)波動(dòng)。

文獻(xiàn)[1]對(duì)換電站中的電池組配比進(jìn)行分析，換電站接入電網(wǎng)將導(dǎo)致配電網(wǎng)壓力增大，設(shè)備利用率低。文獻(xiàn)[2]基于電動(dòng)公交車(chē)及其換電站的實(shí)際工作狀況，利用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)公交車(chē)的充換電安排進(jìn)行完善，降低換電站的營(yíng)業(yè)費(fèi)用。文獻(xiàn)[3]利用分時(shí)電價(jià)這一經(jīng)濟(jì)措施，引導(dǎo)、控制用戶(hù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為，以降低對(duì)電網(wǎng)的不利影響。文獻(xiàn)[4]-[8]提出采用電動(dòng)汽車(chē)在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)消耗能量，并探索在含有儲(chǔ)能的主動(dòng)配電網(wǎng)中開(kāi)展雙層聯(lián)合調(diào)度。

在電力市場(chǎng)環(huán)境中，需求響應(yīng)策略將激勵(lì)用電方根據(jù)市場(chǎng)優(yōu)惠政策，調(diào)整用電習(xí)慣，促使負(fù)荷需求與區(qū)域供電量相互配合，在不考慮電網(wǎng)升級(jí)或改造的前提下，實(shí)現(xiàn)供需兩側(cè)平衡。基于此，文章提出將電動(dòng)汽車(chē)換電站自主納入需求響應(yīng)計(jì)劃，建立基于電價(jià)激勵(lì)的需求響應(yīng)雙層優(yōu)化機(jī)制，在考慮平衡“儲(chǔ)能-負(fù)荷”約束條件下，以節(jié)省電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的用電成本和換電站整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳為目標(biāo)，降低用電高峰期電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)充電需求和用戶(hù)峰值電價(jià)時(shí)段的購(gòu)電損失。

1 考慮電動(dòng)汽車(chē)換電站的等效需求側(cè)管理

與充電模式相比，換電模式是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)能“短時(shí)停留”唯一可行的補(bǔ)能手段，達(dá)到與燃油車(chē)同等效率。圖1是電動(dòng)汽車(chē)換電站的運(yùn)行結(jié)構(gòu)。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)換電站的運(yùn)行結(jié)構(gòu)

在電動(dòng)汽車(chē)換電站中，電池儲(chǔ)備庫(kù)中電池組的電能是通過(guò)逆變電源提前補(bǔ)充，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入換電工作區(qū)后直接進(jìn)行電池組的更換，從而節(jié)省電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間。若對(duì)上述運(yùn)行詳細(xì)過(guò)程進(jìn)行建模，將給在線優(yōu)化帶來(lái)很大的計(jì)算量。目前的研究多采用混合整數(shù)線性規(guī)劃思想對(duì)電動(dòng)汽車(chē)換電站進(jìn)行建模，在滿足工程應(yīng)用的前提下，簡(jiǎn)化建模過(guò)程。電動(dòng)汽車(chē)換電站模型為：

(1)

式中，Swap表示電動(dòng)汽車(chē)組，共計(jì)

m

臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)。每臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)時(shí)用電由

soc

表示。

load

表示換電站的電池組的實(shí)時(shí)電荷狀態(tài)，

n

=1表示對(duì)應(yīng)的電池組在電動(dòng)汽車(chē)中且處于使用狀態(tài)，

n

=0表示對(duì)應(yīng)的電池組處于待用狀態(tài)。

f

表示總充放電次數(shù)。電動(dòng)汽車(chē)換電站的用電成本主要是由從主網(wǎng)中購(gòu)電成本，其計(jì)算公式為：

(2)

2 需求響應(yīng)雙層優(yōu)化模型

雙層優(yōu)化模型中，上層問(wèn)題和下層問(wèn)題的決策向量映射關(guān)系如圖2所示。每個(gè)上層決策向量，都將與之對(duì)應(yīng)一個(gè)下層函數(shù)需要解決，下層函數(shù)的最優(yōu)解可作為上層問(wèn)題的決策向量。上層問(wèn)題和下層問(wèn)題的決策向量分別用{

x

}和{

x

}來(lái)表示，雙層模型問(wèn)題的一組可行解可表示為{

x

,

x

}。

圖2 雙層問(wèn)題解集空間示意圖

為激勵(lì)需求響應(yīng)，提高用電的靈活性，在考慮電動(dòng)汽車(chē)換電站等效的需求側(cè)管理模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)雙層優(yōu)化模型，提出分布式能源雙層調(diào)度策略。在考慮平衡“儲(chǔ)能-負(fù)荷”約束條件下，以節(jié)省用戶(hù)用電成本和整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳為目標(biāo)，建立用戶(hù)用電成本和電動(dòng)汽車(chē)效用函數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，如圖3所示。

圖3 分布式能源雙層調(diào)度策略模型

圖3中，上層模型以最小化用戶(hù)經(jīng)濟(jì)損失為目標(biāo)，引導(dǎo)、控制用戶(hù)用電行為。當(dāng)電力市場(chǎng)購(gòu)電價(jià)格較高時(shí)，電網(wǎng)企業(yè)通過(guò)實(shí)施實(shí)際、有效的經(jīng)濟(jì)措施，引導(dǎo)用戶(hù)在該時(shí)段減少換電電池組的使用量，增加向電網(wǎng)提供能源的換電電池組數(shù)量，從而用戶(hù)降低在電力市場(chǎng)尖峰電價(jià)時(shí)段的購(gòu)電經(jīng)濟(jì)損失，并獲得電動(dòng)汽車(chē)作為并網(wǎng)儲(chǔ)能電池的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。下層模型是電動(dòng)汽車(chē)在上層經(jīng)濟(jì)激勵(lì)下優(yōu)化自身的效用函數(shù)。上層用戶(hù)的購(gòu)電量和送電量分別為

G

,,

S

,；用戶(hù)在電力市場(chǎng)購(gòu)電量的電價(jià)為

λ

,，受到的電力市場(chǎng)鼓勵(lì)為

R

,。上層用戶(hù)的用電行為產(chǎn)生的消減負(fù)荷為

X

,，用戶(hù)消減負(fù)荷后的電量需求為

D

,。用戶(hù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是最小化經(jīng)濟(jì)損失，模型表達(dá)式為:

(3)

約束條件為：

(4)

下層模型的目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的效用函數(shù)，式(2)變形為：

(5)

式中，

D

和

D

分別代表用戶(hù)參與需求響應(yīng)后電量需求的下限和上限。

調(diào)度控制器對(duì)k管轄區(qū)域的電動(dòng)汽車(chē)需求量因子ω，變化區(qū)間為[0,1]，電量需求與電價(jià)之間的關(guān)系可通過(guò)電量電價(jià)彈性系數(shù)來(lái)反映:

(6)

式中，

β

是調(diào)度控制器管轄區(qū)域的用戶(hù)需求價(jià)格彈性系數(shù)。

雙層模型求解采用KKT條件，將下層目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為等式約束，并將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)偶問(wèn)題并引入強(qiáng)對(duì)偶條件，將雙層優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單層優(yōu)化問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)目標(biāo)函數(shù)的拉格朗日表達(dá)式如下:

(7)

約束條件：

(8)

3 算例驗(yàn)證

將電動(dòng)汽車(chē)接入IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)，構(gòu)建微電網(wǎng)群并進(jìn)行算例驗(yàn)證，如圖4所示。

圖4 含電動(dòng)汽車(chē)換電站的33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)10、26、18、33接入電動(dòng)汽車(chē)換電站。換電站電池的充放電功率上限為160 kW，初始容量為350 kW·h，充電容量上限為400 kW·h，放電容量上限為300 kW·h，充放電效率為0.95，算例中采用的分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表1。

表1 分時(shí)電價(jià)表

上層電力市場(chǎng)注入配電網(wǎng)的功率，即配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)1的輸入功率用node1表示。圖5為未采用雙層優(yōu)化調(diào)度模型，求解得到的換電站各時(shí)間段吸收配電網(wǎng)的功率。圖6為采用雙層優(yōu)化調(diào)度后的結(jié)果，MT1、MT2、MT3、MT4為配電網(wǎng)分別與不同電動(dòng)汽車(chē)換電站的功率交換。

圖5 未采用雙層優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

圖6 采用雙層優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

由圖5可知，未采用雙層優(yōu)化調(diào)度時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的依賴(lài)程度較高。考慮到主動(dòng)配電網(wǎng)的線路損耗，總輸入功率大于總負(fù)荷功率。

對(duì)比圖5與圖6中兩個(gè)負(fù)荷運(yùn)行結(jié)果，采用雙層優(yōu)化調(diào)度后，電動(dòng)汽車(chē)可作為負(fù)荷從電網(wǎng)吸收電能，還可作為儲(chǔ)能設(shè)備向電網(wǎng)提供電能。如圖6所示，當(dāng)處于用電負(fù)荷低谷時(shí)，功率從電網(wǎng)傳輸至換電站進(jìn)行充電；當(dāng)處于用電負(fù)荷高峰時(shí)，換電站對(duì)電網(wǎng)反送電，緩解電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。未采用雙層調(diào)度優(yōu)化和采用雙層調(diào)度優(yōu)化兩種情形下，配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓分布如圖7所示。從圖7中可以看出，采用雙層調(diào)度優(yōu)化后系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)明顯減小，有利于系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7 優(yōu)化前后的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓分布

在滿足節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定的條件下，電動(dòng)汽車(chē)換電站參與優(yōu)化調(diào)度，向電網(wǎng)售電獲得一部分經(jīng)濟(jì)效益。采用雙層優(yōu)化調(diào)度與未采用雙層優(yōu)化調(diào)度相比，電動(dòng)汽車(chē)換電站經(jīng)濟(jì)效益提升18.85%，具體見(jiàn)表2。通過(guò)仿真驗(yàn)證了作為儲(chǔ)能設(shè)備的電動(dòng)汽車(chē)能夠在電網(wǎng)高峰時(shí)段起到削峰填谷的功能，使電網(wǎng)更加穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)，用戶(hù)在受到激勵(lì)的需求響應(yīng)策略的影響下，能夠有效減少電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的用電成本。

表2 電動(dòng)汽車(chē)換電站經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比 單位：元

4 結(jié)論

文章提出一種基于電價(jià)激勵(lì)的需求響應(yīng)雙層優(yōu)化機(jī)制，建立以用戶(hù)為上層決策者，電動(dòng)汽車(chē)為下層決策者的雙層優(yōu)化模型，利用粒子群算法求解用戶(hù)經(jīng)濟(jì)損耗最低的非線性的優(yōu)化問(wèn)題，以降低用戶(hù)在峰值時(shí)的充電需求及購(gòu)電損失，通過(guò)IEEE-33節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證了該雙層模型的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)鼓勵(lì)電動(dòng)汽車(chē)換電站參與雙層優(yōu)化模型需求響應(yīng)，用戶(hù)將電動(dòng)汽車(chē)作為儲(chǔ)能設(shè)備并入電網(wǎng)，降低經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)減小電網(wǎng)在用電峰值時(shí)段的調(diào)峰壓力，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。