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        多端柔性交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力評(píng)估方法

        2022-10-10 06:30:02張明珂邱曉燕孫旭張志榮任昊
        電氣傳動(dòng) 2022年18期
        關(guān)鍵詞:交直流柔性直流

        張明珂,邱曉燕,孫旭,張志榮,任昊

        (四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610065)

        由于全球變暖和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重,使用電動(dòng)汽車(chē)作為出行工具已經(jīng)成為減少碳排放的重要手段。近年來(lái),電動(dòng)汽車(chē)在配電網(wǎng)中的滲透率正在迅速提高,而大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)的接入將對(duì)配電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生重大影響,主要包括配電網(wǎng)損耗增加、電壓偏差增大以及線路與變壓器過(guò)載等問(wèn)題[1]。因此,為保證配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,促進(jìn)配電網(wǎng)與電動(dòng)汽車(chē)的協(xié)調(diào)發(fā)展,有必要對(duì)配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)的能力進(jìn)行定量評(píng)估。目前,提高配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力的方案主要有兩類(lèi):第1 類(lèi)是從調(diào)整電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的角度出發(fā),制定電動(dòng)汽車(chē)的有序充電策略[2];第2 類(lèi)是對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)進(jìn)行升級(jí)改造以提高配電網(wǎng)的供電能力。作為未來(lái)配電網(wǎng)發(fā)展的主要形式之一,多端柔性交直流配電網(wǎng)具有良好的潮流控制能力與較低的線路損耗,并且可以節(jié)省電動(dòng)汽車(chē)等直流負(fù)荷和光伏、風(fēng)電等分布式電源(distributed generator,DG)接入電網(wǎng)的變流環(huán)節(jié)[3]。隨著分布式能源以及直流負(fù)荷滲透率的不斷提高,交直流配電網(wǎng)可以有效提高對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的接納能力。分析多端柔性交直流配電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的接納能力、探索制約接納能力提升的主要因素,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃以及交直流配電網(wǎng)的升級(jí)改造均具有重要的參考價(jià)值。

        配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)的能力是指在考慮配電網(wǎng)主動(dòng)調(diào)整措施下,滿足安全運(yùn)行約束條件時(shí)配電網(wǎng)所能承受同時(shí)充電的電動(dòng)汽車(chē)的最大數(shù)量。在傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力評(píng)估方面,文獻(xiàn)[4]從安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性三方面對(duì)配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)的能力進(jìn)行評(píng)估,使用層次分析法從指標(biāo)層、準(zhǔn)則層、目標(biāo)層3 個(gè)層次建立了接納能力的評(píng)估體系;文獻(xiàn)[5]按照負(fù)荷特點(diǎn)將居民區(qū)進(jìn)行劃分,以居民區(qū)變壓器不過(guò)載為約束條件,評(píng)估了在不同電動(dòng)汽車(chē)滲透率水平下居民區(qū)配電變壓器接納電動(dòng)汽車(chē)充電的能力;文獻(xiàn)[6]在評(píng)估配電網(wǎng)接納能力時(shí)考慮了電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響,提出了可靠性靈敏度指標(biāo)和最優(yōu)保有量指標(biāo),求解了配電網(wǎng)可接納電動(dòng)汽車(chē)充電的最大規(guī)模;文獻(xiàn)[7]在評(píng)估配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力時(shí)加入了用戶排隊(duì)充電時(shí)間指標(biāo),計(jì)算了在有序充電啟動(dòng)機(jī)制下不同充電負(fù)荷接入方式對(duì)配電網(wǎng)接納能力的影響。

        目前對(duì)于多端柔性交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力評(píng)估的研究相對(duì)較少,文獻(xiàn)[8]對(duì)含有分布式電源的純直流網(wǎng)絡(luò)供電能力進(jìn)行了評(píng)估;文獻(xiàn)[9]建立了交直流混合配電網(wǎng)供電能力的評(píng)估模型,設(shè)定了不同的負(fù)荷增長(zhǎng)模型,對(duì)交直流配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備容量進(jìn)行了優(yōu)選;文獻(xiàn)[10]對(duì)交直流配電網(wǎng)中柔性互聯(lián)裝置進(jìn)行分析,研究了不同交直流分區(qū)間的功率交換情況,證明交直流網(wǎng)絡(luò)之間的電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)可以對(duì)負(fù)載率過(guò)高的分區(qū)進(jìn)行電壓支撐和有功功率支援。在多端柔性交直流配電網(wǎng)中,由于VSC 具有良好的潮流控制能力,可以有效解決配電網(wǎng)約束條件越限的問(wèn)題[11],因此對(duì)多端柔性交直流配電網(wǎng)的接納能力進(jìn)行評(píng)估時(shí)必須充分考慮VSC的潮流調(diào)控特性。

        本文提出了一種多端柔性交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力的評(píng)估方法,設(shè)定了純交流網(wǎng)絡(luò)以及不同直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和VSC 控制方式的多端柔性交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)充電的多個(gè)場(chǎng)景,并對(duì)這些場(chǎng)景下配電網(wǎng)的接納能力進(jìn)行了對(duì)比,評(píng)估了直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及VSC 控制方式對(duì)接納能力的影響。

        1 路網(wǎng)耦合下電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷建模

        電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響主要通過(guò)充電負(fù)荷來(lái)集中反映,因此電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷模型是研究配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力的基礎(chǔ)。目前電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的建模方法主要有:考慮電動(dòng)汽車(chē)出行規(guī)律的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法[12]、基于馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率矩陣的出行鏈方法[13]等。為了更好地模擬電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際出行規(guī)律,電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的建模需要考慮交通網(wǎng)的影響[14],使用一種交通網(wǎng)約束下基于馬爾科夫概率轉(zhuǎn)移矩陣的充電負(fù)荷建模方法。首先,建立電動(dòng)汽車(chē)的充電模型以及道路交通模型,根據(jù)由馬爾科夫空間轉(zhuǎn)移概率矩陣隨機(jī)抽樣得到出行目的地區(qū)域,并由各路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移概率抽樣得到本次出行目的地所在的路網(wǎng)節(jié)點(diǎn),按最短路徑法生成電動(dòng)汽車(chē)的行駛路徑,結(jié)合對(duì)應(yīng)路段的參數(shù)確定車(chē)輛行駛參數(shù)。然后結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)電量信息以及各區(qū)域停車(chē)時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律確定出行過(guò)程中的充電規(guī)律,進(jìn)而生成一日內(nèi)的馬爾科夫出行鏈,最后根據(jù)路網(wǎng)耦合關(guān)系將電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷歸算至對(duì)應(yīng)的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。重復(fù)以上過(guò)程即可得到多輛電動(dòng)汽車(chē)的充電負(fù)荷的時(shí)空分布模型。單輛電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷建模流程如圖1所示。

        圖1 EV充電負(fù)荷時(shí)空分布模型Fig.1 Spatiotemporal distribution model of EV charging load

        2 多端柔性交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力評(píng)估

        2.1 目標(biāo)函數(shù)

        為了充分發(fā)揮多端柔性交直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì),將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為滿足配電網(wǎng)安全運(yùn)行約束前提下,考慮VSC 調(diào)控等交直流配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整措施,配電網(wǎng)所允許接入的同時(shí)充電的電動(dòng)汽車(chē)最大輛數(shù):

        式中:nEV為由各節(jié)點(diǎn)接入的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量組成的向量;eT為單位向量;v為VSC 優(yōu)化調(diào)整措施;V為v的可行集。

        2.2 交直流配電網(wǎng)VSC參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

        1)交直流網(wǎng)絡(luò)潮流約束如下:

        式中:Pi,s,Qi,s分別為交流網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)i注入的有功、無(wú)功功率;Gij,Bij分別為交流支路的電導(dǎo)、電納;θij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的相角差;Pi,d為直流節(jié)點(diǎn)注入的有功功率;Yij,d為直流網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣元素;Ui,d,Uj,d分別為直流節(jié)點(diǎn)i、直流節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)電壓。

        2)線路容量約束如下:

        式中:Pmaxi,d,Smaxi,s分別為直流線路和交流線路的載流量上限。

        3)VSC載流量約束如下:

        式中:Smax

        Vi為VSC的最大容量。

        4)交直流電壓約束如下:

        式中:Us,max,Us,min,Ud,max,Ud,min分別為交流節(jié)點(diǎn)和直流節(jié)點(diǎn)的電壓上、下限。

        2.3 交直流配電網(wǎng)VSC參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

        VSC 可以控制直流側(cè)電壓Ud、交流側(cè)電壓Us、交流側(cè)有功功率Ps、交流側(cè)無(wú)功功率Qs中的任意兩個(gè)量,單臺(tái)VSC 一般可采用的控制方式有定Ps、定Qs控制;定Ud、定Qd控制;Ud—Pd下垂、定Qs控制等。多端柔性交直流配電網(wǎng)還需要考慮VSC之間控制方式的配合,設(shè)置主從控制和電壓下垂控制兩種典型的VSC 換流站控制方式,主從控制的主站設(shè)置為定Ud、定Qs控制,用于維持直流網(wǎng)絡(luò)的電壓水平,其他站設(shè)置為定Ud、定Qs控制。電壓下垂控制設(shè)置一個(gè)換流站為Ud—Pd下垂、定Qs控制,其他換流站設(shè)置為定Ps、定Qs控制。

        目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為節(jié)點(diǎn)電壓、交直流支路容量、換流站載流量的越限程度之和最小,即其中

        式中:ΔUi,ΔSi,ΔPi,vsc,ΔQi,vsc分別為節(jié)點(diǎn)電壓、支路容量、換流站的有功、無(wú)功功率的越限量;fU,fI,fP,vsc,fQ,vsc分別為ΔUi,ΔSi,ΔPi,vsc,ΔQi,vsc的懲罰函數(shù);w1,w2,w3,w4分別為各自對(duì)應(yīng)的懲罰系數(shù)。

        采用自適應(yīng)遺傳算法對(duì)所提出的VSC 參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解,相比于傳統(tǒng)遺傳算法具有更快的收斂速度。

        2.4 模型求解

        按照所建立的電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷模型,由快到慢逐步增加電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模,按照多端柔性交直流配電網(wǎng)潮流計(jì)算方法進(jìn)行潮流計(jì)算[15],并檢驗(yàn)安全運(yùn)行約束條件是否越限,若某一安全運(yùn)行約束條件越限,求解出當(dāng)前VSC 控制方式及控制參數(shù)下交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)的最大數(shù)量,然后針對(duì)安全運(yùn)行條件越限的情況,優(yōu)化VSC 控制參數(shù),解決達(dá)到最大接納數(shù)量時(shí)約束條件越限的問(wèn)題,反復(fù)迭代即可求解所提模型。模型求解流程如圖2所示,步驟如下:

        圖2 模型求解流程Fig.2 Model solution process

        1)設(shè)定電動(dòng)汽車(chē)初始規(guī)模、VSC 控制方式與初始參數(shù)以及24 h基礎(chǔ)負(fù)荷數(shù)據(jù);

        2)計(jì)算初始規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)在時(shí)段1的充電負(fù)荷,檢查是否滿足運(yùn)行安全約束條件,如果不滿足某個(gè)條件,則進(jìn)入下一步,若滿足條件,則按照自適應(yīng)方法由快到慢增加電動(dòng)汽車(chē)的規(guī)模,直至配電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)越限;

        3)對(duì)VSC 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,若調(diào)整后配電網(wǎng)重新滿足安全運(yùn)行約束條件,可繼續(xù)接納電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷,返回步驟2);若VSC 參數(shù)調(diào)整后配電網(wǎng)仍然不滿足安全運(yùn)行的約束條件,輸出此時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量,即為該時(shí)段可接納的電動(dòng)汽車(chē)最大數(shù)目,進(jìn)入下一步;

        4)時(shí)段數(shù)加1,返回步驟2),直至計(jì)算出一天內(nèi)每個(gè)時(shí)段可接納的電動(dòng)汽車(chē)最大數(shù)量,其中的最小值nEV= min{nEV1,nEV2,…,nEV24},即為配電網(wǎng)可接納電動(dòng)汽車(chē)的最大數(shù)量。

        3 算例分析

        以某城市交通網(wǎng)為例進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷建模,交通網(wǎng)和IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)耦合關(guān)系如圖3 所示,其中1~29 為交通網(wǎng)節(jié)點(diǎn),(1)~(29)為配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。將區(qū)域劃分為居民區(qū)(節(jié)點(diǎn)1~16)、工作區(qū)(節(jié)點(diǎn)17~20)和商業(yè)區(qū)(節(jié)點(diǎn)21~29)三部分,1 d 內(nèi)各時(shí)段各區(qū)域的停車(chē)時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律、目的轉(zhuǎn)移概率矩陣以及道路參數(shù)采用文獻(xiàn)[13-14]所列統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

        圖3 交通網(wǎng)和IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)耦合關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of coupling relationship between transportation network and IEEE33 node distribution network

        在IEEE33 節(jié)點(diǎn)交流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造[16],得到含三端VSC 直流配電網(wǎng)絡(luò)的交直流配電網(wǎng),如圖4 所示。圖中,節(jié)點(diǎn)8~18 為直流節(jié)點(diǎn),其余節(jié)點(diǎn)為交流節(jié)點(diǎn);節(jié)點(diǎn)8 與節(jié)點(diǎn)18 之間存在一條直流聯(lián)絡(luò)線,用于構(gòu)造不同結(jié)構(gòu)的直流網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn)11、節(jié)點(diǎn)18、節(jié)點(diǎn)20 接入3 組光伏發(fā)電;節(jié)點(diǎn)7、節(jié)點(diǎn)31接入兩組風(fēng)力發(fā)電機(jī)。VSC額定容量為2 MV·A,兩種VSC 控制方式設(shè)置如表1所示。

        圖4 IEEE33節(jié)點(diǎn)多端柔性交直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 IEEE33 flexible AC/DC distribution network structure diagram

        表1 VSC控制方式Tab.1 VSC control mode

        分布式電源滲透率設(shè)為10%,電壓下垂控制下垂系數(shù)設(shè)為0.04,設(shè)定以下5種情景:

        情景1:配電網(wǎng)為純交流配電網(wǎng)。

        情景2:配電網(wǎng)為交直流配電網(wǎng),直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為鏈?zhǔn)?,即直流?lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)斷開(kāi),VSC 控制方式為單點(diǎn)電壓控制。

        情景3:配電網(wǎng)為交直流配電網(wǎng),直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)式,即直流聯(lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)閉合,VSC 控制方式為單點(diǎn)電壓控制。

        情景4:配電網(wǎng)為交直流配電網(wǎng),直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為鏈?zhǔn)?,VSC控制方式為電壓下垂控制。

        情景5:配電網(wǎng)為交直流配電網(wǎng),直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為環(huán)式,VSC控制方式為電壓下垂控制。

        5 種情景配電網(wǎng)電動(dòng)汽車(chē)接納能力計(jì)算結(jié)果如表2所示,相應(yīng)的VSC控制參數(shù)如表3所示。

        表2 各情景下配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力Tab.2 Capacity of distribution networks to accept electric vehicles

        表3 各情景下VSC控制參數(shù)Tab.3 VSC control parameters in each scenario( 標(biāo)幺值)

        將情景1 與情景2~5 進(jìn)行對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn),采用不同VSC 運(yùn)行方式與直流部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交直流配電網(wǎng)接納能力均優(yōu)于純交流配電網(wǎng)。對(duì)比情景2和情景3,情景4和情景5,可以發(fā)現(xiàn)直流網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的交直流配電網(wǎng)相比采用鏈?zhǔn)降慕蛹{能力更強(qiáng)。對(duì)比情景2 和情景4,情景3 和情景5,可以發(fā)現(xiàn)VSC 采用下垂控制的交直流配電網(wǎng)比VSC 采用單點(diǎn)電壓控制的交直流配電網(wǎng)接納能力更強(qiáng)。因此,直流網(wǎng)絡(luò)環(huán)式運(yùn)行或者VSC 采用電壓下垂控制均有利于提高交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)的能力。

        5 種情景下接納能力達(dá)到上限均是由于配電網(wǎng)某些節(jié)點(diǎn)的電壓不滿足電壓安全約束條件,可見(jiàn)電壓越限是制約配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力的主要因素。5 種情景電壓分布情況如圖5 所示,由圖可見(jiàn),純交流配電網(wǎng)整體電壓水平最低,節(jié)點(diǎn)電壓從配電網(wǎng)首端到末端逐漸降低,這是因?yàn)檩椛湫越涣髋潆娋W(wǎng)不同支路之間缺乏功率流動(dòng)途徑,電壓水平較高的支路無(wú)法對(duì)電壓水平較低的支路形成功率支援,而多端柔性交直流配電網(wǎng)由于可以通過(guò)VSC 控制支路間的功率流動(dòng),具有更好的潮流控制能力。由圖可見(jiàn),直流網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)式結(jié)構(gòu)或者VSC 控制方式采用電壓下垂控制有利于提高交直流配電網(wǎng)整體的電壓水平。

        圖5 各情景下節(jié)點(diǎn)電壓分布情況Fig.5 Node voltage distribution under various situation

        各情景下VSC 上功率傳輸情況如表4 所示。由表4可見(jiàn),當(dāng)交流側(cè)電壓水平過(guò)低時(shí),VSC 會(huì)向交流側(cè)注入容性無(wú)功功率,提高對(duì)應(yīng)交流側(cè)的電壓水平,當(dāng)交流側(cè)電壓水平過(guò)高時(shí),VSC 會(huì)向交流側(cè)注入感性無(wú)功功率降低電壓水平,具有良好的無(wú)功調(diào)節(jié)功能,同樣的,定PQ控制的VSC 可以通過(guò)調(diào)節(jié)注入直流網(wǎng)絡(luò)的有功功率對(duì)直流配電網(wǎng)的電壓水平進(jìn)行調(diào)整,例如情景5 表示直流網(wǎng)絡(luò)在電壓下垂控制時(shí)某些節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)偏高,需要通過(guò)VSC3 向交流部分發(fā)出有功功率來(lái)降低自身電壓水平,這種功率調(diào)節(jié)能力是多端柔性交直流配電網(wǎng)相比傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)之一。

        表4 各情景下VSC功率傳輸情況Tab.4 Power transmission of VSC in each scenario

        4 結(jié)論

        多端柔性交直流配電網(wǎng)可以使用VSC 控制技術(shù)對(duì)潮流進(jìn)行靈活控制,因此在評(píng)估交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力時(shí)必須充分考慮VSC 的潮流調(diào)控特性。首先在交通網(wǎng)約束下對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷進(jìn)行建模,然后對(duì)多端柔性交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力的評(píng)估方法進(jìn)行了研究,算例分析結(jié)果顯示:

        1)相比于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng),考慮VSC 潮流調(diào)控特性的多端柔性交直流配電網(wǎng)能夠有效提升對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的接納能力。

        2)多端柔性交直流配電網(wǎng)的直流網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)式結(jié)構(gòu)運(yùn)行或者VSC 采用電壓下垂控制均有利于提高交直流配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)的能力。

        3)制約配電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車(chē)能力的主要原因是節(jié)點(diǎn)電壓越限,這與電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷時(shí)空分布的不均衡性有關(guān),交直流配電網(wǎng)中直流網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)式結(jié)構(gòu)運(yùn)行或者VSC 采用電壓下垂控制方式可以有效提高配電網(wǎng)整體的電壓水平。

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