一种基于V2G技术的电动汽车配电网调控方法与流程

一种基于v2g技术的电动汽车配电网调控方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统经济调度的技术领域，尤其是一种基于v2g技术的 电动汽车配电网调控方法。


背景技术：

2.伴随着环境污染和能源短缺形势的日益严峻，不依赖化石能源的电动汽车 开始受到社会的广泛关注。电动汽车具有能效高、噪音低和零尾气排放等特点， 较传统的燃油汽车对环境更加友好，大规模应用电动汽车能够有效缓解能源短 缺、环境污染等危机并有助于低碳经济目标的实现。
3.电动汽车目前可以分为公交车、出租车和私家车三大类。电动公交车和电 动私家车自身的电池容量难以满足一天运营的需要，因此需要通过更换电池或 快速充电的方式补充电能。私家车主要用于车主上下班出行，其充电地点大都 固定于单位停车场或者小区车库，由于其日行驶里程较少，因此大都采用慢速 充电的方式。电动汽车规模化应用会在一天中特定时段形成巨大充电负荷，对 电网造成冲击，影响电网安全性。三类电动汽车的充电时间由各自的出行习惯 决定，有很强的规律性，这意味着可以通过一定的方式对电动汽车的充电过程 进行有序控制，降低充电负荷，提高电网的可靠性和安全性。
4.v2g技术是电动汽车技术领域的最新技术，其核心是利用电动汽车的蓄电 池能够充电放电的特点，将大量电动汽车视作一个分布式储能系统并对其进行 管理，实现在电网负荷高峰期放电、低谷期充电，从而降低峰谷差率，实现电 网安全性和经济性的提升。此外，大量蓄电池也能够作为可再生能源的缓冲， 实现对光伏等间歇式能源的消纳。
5.但是，现有技术相关的研究模型对于各方参与主体的利益分析和考虑还不 够充分，尤其是对于用户、聚合商的效益分析较为片面。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于v2g技术的电动汽车配电网调 控方法。
7.本发明的技术方案为：一种基于v2g技术的电动汽车配电网调控方法，包 括以下步骤：
8.s1)、采集区域负荷数据和个体电动汽车充电数据；
9.s2)、建立电动汽车充放电调控潜力评估模型；
10.s3)、建立基于电动汽车参与的配电网调控模型；
11.s4)、根据实际数据获取调控方案。
12.作为优选的，步骤s1)中，所述的电动汽车充电数据包括soc状态、出行 需求、充电功率。
13.作为优选的，步骤s2)中，所述的电动汽车充放电调控潜力评估模型的建 立包括约束条件的建立，具体步骤：
14.s201)、电池安全约束
15.t时段新增的
△
soc
t
要确保充放电后的soc
t
始终在电池的安全约束范围内， 即：
[0016][0017]
其中，soc0表示电动汽车的初始soc值，soc
l
、soch、
△
soci分别表示电 动汽车电池状态上限、下限和第i个时段的电量差；
[0018]
当电动汽车在t时刻之前的各时段一直以约束内的最大功率充电，且 soc
t
＝soc
l
，此时电动汽车的
△
soc
t
最小，此时，电动汽车的放电容量最大：
[0019][0020]
式中，表示在第一个约束条件下，t时段soc的最小增量；
△
soc
max,i
表示i时段最大soc增量；
[0021]
当电动汽车在t时刻之前的各时段一直以约束内的最大功率放电，且 soc
t
＝soch，此时电动汽车的
△
soc
t
最大，此时，电动汽车的充电容量最大：
[0022][0023]
式中，表示在第一个约束条件下，t时段soc的最大增量；
△
soc
min,i
表示i时段最小soc增量；
[0024]
s202)、出行需求约束，用户结束充电后，电动汽车电池电量至少应能支撑 用户一天的行程，即：
[0025][0026]
式中，t
l
为电动汽车结束调控的时段；则第二个约束条件下t时段最小soc 增量可以用下式计算得到：
[0027][0028]
式中，ld、lr、分别表示用户的日行驶里程、电动汽车的续航里程、 第二个约束条件下时段t最小soc增量；pn、cb、tr分别表示电动汽车充电桩 的额定充电功率、表示充电桩在t时刻的充放电功率、电动汽车结束调控的时段；
[0029]
若t时段之后的时段持续充电能够满足用户的出行需求，则t时段用户电池 电量可以放到最小值；若t时段之后的时段持续充电不能满足用户的出行需求， 则t时段用户电池增量需要考虑出行需求的限制；
[0030]
s203)、充放电功率约束，除了电池和需求约束，电动汽车的充放电过程还 受充电桩的功率限制，即不能超过额定限值：
[0031][0032][0033]
其中，分别表示电动汽车在第三个约束条件下，t时段 soc增量的最小、最大值；
[0034]
s204)、综合考虑上述三个约束条件，电动汽车soc增量的上下限计算公 式如下：
[0035][0036][0037]
电动汽车t时刻对应的充放电可调潜力为：
[0038]
[
△
soc
min,t
cb,
△
soc
max,t
cb]。
[0039]
作为优选的，步骤s3)中，所述的基于电动汽车参与的配电网调控模型建 立为：以平抑电网负荷波动为目标，以各电动汽车电池容量、充放电功率、充 放电时间及电动汽车出站时电量、聚合商净利润、电动汽车用户净充电成本为 约束，以
△
t为单位响应调度的时长，将各电动汽车在停驶状态下各时刻的充放 电功率作为优化控制变量，建立电动汽车v2g模式下的充放电调度模型如下：
[0040]
s301)、目标函数为电网日负荷波动最小化：
[0041][0042]
式中，f1为电网日负荷波动均方根，n为电动汽车的数量；t为充放电负 荷测量的时刻数量；p(t)为系统在第t个时刻的常规负荷；p
ev,i
(t)为第i辆电动汽 车第t个时刻的充放电功率：
[0043]
当p
ev,i
(t)》0时，表示电动汽车正在进行充电；
[0044]
当p
ev,i
(t)《0时，表示电动汽车正在放电；
[0045]
当p
ev,i
(t)＝0时，表示车网间无功率流动；
[0046]
p
ave
为计及充放电功率的电网日平均负荷，可由下式求得：
[0047][0048]
s302)、约束条件包括
[0049]
①
荷电状态约束，当电池过度放电时，将对电池性能产生严重损害，故设 定荷电状态的最低值为soc
min
，低于此值时，电池停止放电，并设定荷电状态 的最高值为soc
max
，高于此值时停止充电，即：
[0050]
soc
min,i
≤soci(t)≤soc
max,i
；
[0051]
式中，soci(t)为第i辆电动汽车在第t个时刻的荷电量；soc
min,i
第i辆电动 汽车的最低电量限值；soc
max,i
为第i辆电动汽车的最高电量限值；
[0052]
其中，第i辆电动汽车在第t+1个时刻的荷电量可由下式求出：
[0053][0054]
式中，p
ev,i
(t)为第i辆电动汽车在第t个时刻的充放电功率；ci为第i辆电 动汽车的电池容量，δt为单位响应调度的时长。
[0055]
②
充放电功率约束及调控潜力约束，v2g技术可以实现电动汽车与电网之 间能量的双向流通，在负荷低谷期电网向电动汽车充电，而在负荷高峰期电动 汽车向电网进行放电，因而电动汽车充放电率在最大放电功率(负值)与最大 充电功率(正值)之间变化：
[0056]
p
dmin,i
(t)≤p
ev,i
(t)≤p
cmax,i
(t)；
[0057]
式中，p
dmin,i
(t)为第i辆电动汽车在第t个时刻的最大放电功率；p
ev,i
(t)为第 i辆电动汽车第t个时刻的充放电功率；p
cmax,i
(t)为第i辆电动汽车第t个时刻的 最大充电功率。
[0058]
③
车主充电需求约束，为了保证电动汽车离开充电站后，车辆电池电量可 以满足车主的出行需求，车主可自定义车辆离开时的目标电池容量：
[0059][0060]
式中，soci(t
out,i
)为第i辆电动汽车出站时刻的荷电状态；soc
need,i
为满足第 i辆电动汽车车主出行需求而设定的荷电状态，实际中可以根据车主的下一次出 行需求来设置；
[0061]
p
ev,i
(t)为第i辆电动汽车第t个时刻的充放电功率；t
in,i
为第i辆电动汽车的 进站时间；
[0062]
t
out,i
为第i辆电动汽车的出站时刻；δt为单位响应调度的时长。
[0063]
④
聚合商收益约束，聚合商参与调度响应的成本包括对用户参与有序充放 电调度响应的补贴(分成充电响应和放电响应两部分)，收益则是来自电网公司 的补偿费和服务费的收入，聚合商的服务费收入计算公式为：
[0064][0065][0066]
式中，f0为车主参与有序充放电的需求响应时，聚合商的服务费收入；c
ser
(t) 为第t个时刻的充电服务价格；pe′
v,i
(t)为响应调度的第i辆电动汽车在第t个时 刻的充电功率；δt为单位响应调度的时长；
[0067]
聚合商对用户参与调度响应的补偿费用，包含用户参与有序充电响应和有 序放电响应这两部分，充电响应补偿费用如下：
[0068][0069]
式中，f3′
为用户参与有序充放电调度时充电响应部分的补贴收益； pe′
v,i
(t)为第i辆电动汽车第t个时刻的充电功率；p
need
(t)为电网在t时 刻下达的目标负荷值；p(t)为系统在第t个时刻的日常规负荷；p0(t)为无 序充电下电动汽车在第t个时刻的总的充电负荷；δt为单位响应调度的时 长；c
dr
为用户参与充电响应的补贴标准；
[0070]
放电响应补偿费用如下：
[0071][0072]
式中，f3″
为用户参与有序充放电调度时放电响应部分的补贴收益；c
sell
(t) 为第t个时刻的放电激励电价；pe″
v,i
(t)为响应调度的第i辆电动汽车在第t个时 刻的放电功率；δt为单位响应调度时长；
[0073]
综上，聚合商对用户参与有序充放电调度响应的补偿费用为：
[0074]
f3＝f3′
+f3″
；
[0075]
为了保证参与有序充放电调度响应的聚合商其净收益大于无序充电时聚合 商的服务费收入，故有以下约束：
[0076]
f＝f
0-f3≥0。
[0077]
本发明的有益效果为：
[0078]
1、本发明提出了电动汽车充放电调控潜力评估模型，在此基础上以电网日 负荷波动最小化为目标，考虑网-商-车多方主体效益量化计算分析，建立电动汽 车参与的配电网调控模型，获取最佳调控方案；
[0079]
2、本发明在区域负荷高峰时段，电动汽车会减少充电或进行放电，相比有 序充电仅调小充电功率，具有更好的削峰效果，同时负荷波动改善情况也比现 有技术的有序充电具有更佳的调控效果。
附图说明
[0080]
图1为本发明实施例2中基本负荷曲线图；
[0081]
图2为本发明实施例2中调控前后区域总负荷对比情况图；
[0082]
图3为本发明实施例2中调控前后区域充电负荷对比情况图；
[0083]
具体实施方式
[0084]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
[0085]
实施例1
[0086]
本实施例提供一种基于v2g技术的电动汽车配电网调控方法，包括以下步 骤：
[0087]
s1)、采集区域负荷数据和个体电动汽车充电数据；其中，所述的电动汽车 充电数据包括soc状态、出行需求、充电功率。
[0088]
s2)、建立电动汽车充放电调控潜力评估模型；包括多个约束条件的建立， 具体步骤：
[0089]
s201)、电池安全约束
[0090]
t时段新增的
△
soc
t
要确保充放电后的soc
t
始终在电池的安全约束范围内， 即：
[0091][0092]
其中，soc0表示电动汽车的初始soc值，soc
l
、soch、
△
soci分别表示电 动汽车电池状态上限、下限和第i个时段的电量差；
[0093]
当电动汽车在t时刻之前的各时段一直以约束内的最大功率充电，且 soc
t
＝soc
l
，此时电动汽车的
△
soc
t
最小，此时，电动汽车的放电容量最大：
[0094][0095]
式中，表示在第一个约束条件下，t时段soc的最小增量；
△
soc
max,i
表示i时段最大soc增量；
[0096]
当电动汽车在t时刻之前的各时段一直以约束内的最大功率放电，且 soc
t
＝soch，此时电动汽车的
△
soc
t
最大，此时，电动汽车的充电容量最大：
[0097][0098]
式中，表示在第一个约束条件下，t时段soc的最大增量；
△
soc
min,i
表示i时段最小soc增量；
[0099]
s202)、出行需求约束，用户结束充电后，电动汽车电池电量至少应能支撑 用户一天的行程，即：
[0100][0101]
式中，t
l
为电动汽车结束调控的时段；则第二个约束条件下t时段最小soc 增量可以用下式计算得到：
[0102][0103]
式中，ld、lr、分别表示用户的日行驶里程、电动汽车的续航里程、 第二个
约束条件下时段t最小soc增量；pn、cb、tr分别表示电动汽车充电桩 的额定充电功率、表示充电桩在t时刻的充放电功率、电动汽车结束调控的时段；
[0104]
若t时段之后的时段持续充电能够满足用户的出行需求，则t时段用户电池 电量可以放到最小值；若t时段之后的时段持续充电不能满足用户的出行需求， 则t时段用户电池增量需要考虑出行需求的限制；
[0105]
s203)、充放电功率约束，除了电池和需求约束，电动汽车的充放电过程还 受充电桩的功率限制，即不能超过额定限值：
[0106][0107][0108]
其中，分别表示电动汽车在第三个约束条件下，t时段 soc增量的最小、最大值；
[0109]
s204)、综合考虑上述三个约束条件，电动汽车soc增量的上下限计算公 式如下：
[0110][0111][0112]
电动汽车t时刻对应的充放电可调潜力为：
[0113]
[
△
soc
min,t
cb,
△
soc
max,t
cb]。
[0114]
s3)、建立基于电动汽车参与的配电网调控模型；以平抑电网负荷波动为目 标，以各电动汽车电池容量、充放电功率、充放电时间及电动汽车出站时电量、 聚合商净利润、电动汽车用户净充电成本为约束，以
△
t为单位响应调度的时长， 将各电动汽车在停驶状态下各时刻的充放电功率作为优化控制变量，建立电动 汽车v2g模式下的充放电调度模型如下：
[0115]
s301)、目标函数为电网日负荷波动最小化：
[0116][0117]
式中，f1为电网日负荷波动均方根，n为电动汽车的数量；t为充放电负 荷测量的时刻数量；p(t)为系统在第t个时刻的常规负荷；p
ev,i
(t)为第i辆电动汽 车第t个时刻的充放电功率：
[0118]
当p
ev,i
(t)》0时，表示电动汽车正在进行充电；
[0119]
当p
ev,i
(t)《0时，表示电动汽车正在放电；
[0120]
当p
ev,i
(t)＝0时，表示车网间无功率流动；
[0121]
p
ave
为计及充放电功率的电网日平均负荷，可由下式求得：
[0122][0123]
s302)、约束条件包括
[0124]
①
荷电状态约束，当电池过度放电时，将对电池性能产生严重损害，故设 定荷电状态的最低值为soc
min
，低于此值时，电池停止放电，并设定荷电状态 的最高值为soc
max
，高于此值时停止充电，即：
[0125]
soc
min,i
≤soci(t)≤soc
max,i
；
[0126]
式中，soci(t)为第i辆电动汽车在第t个时刻的荷电量；soc
min,i
第i辆电动 汽车的最低电量限值；soc
max,i
为第i辆电动汽车的最高电量限值；
[0127]
其中，第i辆电动汽车在第t+1个时刻的荷电量可由下式求出：
[0128][0129]
式中，p
ev,i
(t)为第i辆电动汽车在第t个时刻的充放电功率；ci为第i辆电 动汽车的电池容量，δt为单位响应调度的时长。
[0130]
②
充放电功率约束及调控潜力约束，v2g技术可以实现电动汽车与电网之 间能量的双向流通，在负荷低谷期电网向电动汽车充电，而在负荷高峰期电动 汽车向电网进行放电，因而电动汽车充放电率在最大放电功率(负值)与最大 充电功率(正值)之间变化：
[0131]
p
dmin,i
(t)≤p
ev,i
(t)≤p
cmax,i
(t)；
[0132]
式中，p
dmin,i
(t)为第i辆电动汽车在第t个时刻的最大放电功率；p
ev,i
(t)为第 i辆电动汽车第t个时刻的充放电功率；p
cmax,i
(t)为第i辆电动汽车第t个时刻的 最大充电功率。
[0133]
③
车主充电需求约束，为了保证电动汽车离开充电站后，车辆电池电量可 以满足车主的出行需求，车主可自定义车辆离开时的目标电池容量：
[0134][0135]
式中，soci(t
out,i
)为第i辆电动汽车出站时刻的荷电状态；soc
need,i
为满足第 i辆电动汽车车主出行需求而设定的荷电状态，实际中可以根据车主的下一次出 行需求来设置；
[0136]
p
ev,i
(t)为第i辆电动汽车第t个时刻的充放电功率；t
in,i
为第i辆电动汽车的 进站时间；
[0137]
t
out,i
为第i辆电动汽车的出站时刻；δt为单位响应调度的时长。
[0138]
④
聚合商收益约束，聚合商参与调度响应的成本包括对用户参与有序充放 电调度响应的补贴(分成充电响应和放电响应两部分)，收益则是来自电网公司 的补偿费和服务费的收入，聚合商的服务费收入计算公式为：
[0139]
[0140][0141]
式中，f0为车主参与有序充放电的需求响应时，聚合商的服务费收入；c
ser
(t) 为第t个时刻的充电服务价格；pe′
v,i
(t)为响应调度的第i辆电动汽车在第t个时 刻的充电功率；δt为单位响应调度的时长；
[0142]
聚合商对用户参与调度响应的补偿费用，包含用户参与有序充电响应和有 序放电响应这两部分，充电响应补偿费用如下：
[0143][0144]
式中，f3′
为用户参与有序充放电调度时充电响应部分的补贴收益； pe′
v,i
(t)为第i辆电动汽车第t个时刻的充电功率；p
need
(t)为电网在t时 刻下达的目标负荷值；p(t)为系统在第t个时刻的日常规负荷；p0(t)为无 序充电下电动汽车在第t个时刻的总的充电负荷；δt为单位响应调度的时 长；c
dr
为用户参与充电响应的补贴标准；
[0145]
放电响应补偿费用如下：
[0146][0147]
式中，f3″
为用户参与有序充放电调度时放电响应部分的补贴收益；c
sell
(t) 为第t个时刻的放电激励电价；pe″
v,i
(t)为响应调度的第i辆电动汽车在第t个时 刻的放电功率；δt为单位响应调度时长；
[0148]
综上，聚合商对用户参与有序充放电调度响应的补偿费用为：
[0149]
f3＝f3′
+f3″
；
[0150]
为了保证参与有序充放电调度响应的聚合商其净收益大于无序充电时聚合 商的服务费收入，故有以下约束：
[0151]
f＝f
0-f3≥0。
[0152]
s4)、根据实际数据获取调控方案，在满足约束条件前提下获取每一个时段 的充电功率调控值，并按照该调控值实际调控充电桩的充放电状态和功率值， 以此达到最优调控的目的。
[0153]
实施例2
[0154]
本实施例以某区域夏季工作日的典型常规日负荷曲线为调控目标曲线，如 图1所示。电动汽车充放电及自身参数设置如表1所示。电动汽车数量设置为 1200辆，聚合商参与放、充电响应补贴标准分别为2.5元/千瓦时、1元/千瓦时， 算例所覆盖的时间t为日前邀约
响应的24个调控时段。
[0155]
表1电动汽车充放电及自身参数设置
[0156][0157]
本实施例设置调控前、有序充电、有序充放电(本实施例方法)来进行调 控效果及指标对比，调控后区域负荷情况结果如图2所示，两种方式调控前后 的充电负荷结果如图3所示，相关调控前后的指标对比情况如表2所示。本实 施例调控后和一般有序充电调控后区域负荷峰值分别削减了3884.4kw和3152.8kw，相比原来分别降低了17.7％和14.4％，本发明的方法相比一般有序充 电具有更大的可调控空间，本发明方法调控后，在区域负荷高峰时段，电动汽 车会减少充电或进行放电，相比有序充电仅调小充电功率，具有更好的削峰效 果，同时负荷波动改善情况也比一般有序充电具有更佳的调控效果，由此验证 了本文方法的可行性和实用性。
[0158]
表2相关调控前后的指标对比情况
[0159][0160]
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不 脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和 改进都落入要求保护的本发明范围内。