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(dòng)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(dòng)汽車充電，政府及相關(guān)電動(dòng)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(fù)荷，電網(wǎng)公司迎來了新的挑戰(zhàn)。而電動(dòng)汽車作為一種特殊的移動(dòng)儲(chǔ)能裝置，具有靈活可調(diào)，可雙向充放電的特性，因此成為負(fù)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(biāo)為電動(dòng)汽車聚合商利益最大化為目標(biāo)，下層目標(biāo)為發(fā)電商成本最低，建立了計(jì)及激勵(lì)型需求響應(yīng)的雙層優(yōu)化模型。杜習(xí)超等[4]和張明霞等[5]研究了配網(wǎng)中電動(dòng)汽車不同接入位置及不同滲透率下對配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jī)制；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了EV聚合商同時(shí)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(yùn)作模式，對空調(diào)負(fù)荷調(diào)度策略展開研究，正常運(yùn)行過程中尋求負(fù)荷的平滑接入，削峰運(yùn)行過程中尋求最優(yōu)削峰效果。劉敦楠等[9]提出了充電負(fù)荷聚合商的定義及運(yùn)營框架，并分析了針對充電負(fù)荷聚合商參與綠色證書交易市場的驅(qū)動(dòng)力，構(gòu)建了充電負(fù)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(jī)理，建立了多市場協(xié)調(diào)機(jī)制。孫偉卿等[10]將具有一定調(diào)節(jié)能力的負(fù)荷資源作為虛擬儲(chǔ)能，并將其與儲(chǔ)能相結(jié)合，建立用戶側(cè)廣義儲(chǔ)能的不確定性響應(yīng)模型，提出狹義儲(chǔ)能優(yōu)先響應(yīng)和虛擬儲(chǔ)能優(yōu)先響應(yīng)兩種負(fù)荷聚合商控制策略。

上述文獻(xiàn)在進(jìn)行電動(dòng)汽車負(fù)荷調(diào)度時(shí)大多數(shù)以電動(dòng)汽車聚合商經(jīng)濟(jì)利益為主要考慮目標(biāo)，未考慮電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行?；诖耍疚氖紫雀攀鲭妱?dòng)汽車負(fù)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(dòng)汽車聚合商側(cè)和電動(dòng)汽車用戶三者之間的運(yùn)作機(jī)制，接著分析了配網(wǎng)內(nèi)負(fù)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(biāo)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(yàn)證有效性。

1 電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商的概念及運(yùn)行機(jī)制

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

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

電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商與區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車充電站、私人電動(dòng)汽車充電樁、電動(dòng)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(dòng)汽車充電狀態(tài)，并通過遠(yuǎn)程通信技術(shù)控制區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車充電功率。電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商通過與電網(wǎng)公司需求響應(yīng)中心和電動(dòng)汽車負(fù)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(shí)電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商調(diào)度區(qū)域電動(dòng)汽車充電負(fù)荷完成需求響應(yīng)事件[14-15]。電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商運(yùn)行機(jī)制如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商運(yùn)行機(jī)制

電網(wǎng)、電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商和電動(dòng)汽車用戶三者，以電動(dòng)汽車負(fù)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(jì)運(yùn)行，負(fù)荷商則主要以經(jīng)濟(jì)利益為目標(biāo)，用戶側(cè)對充電費(fèi)用及充電體驗(yàn)較為敏感。三者以電網(wǎng)側(cè)為主導(dǎo)，電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商為樞紐，電動(dòng)汽車用戶為終端對象。

2 電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)網(wǎng)損機(jī)理分析

一定規(guī)模的電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)負(fù)載空間上的差異化分布會(huì)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(dòng)[16]。

以典型輻射型配電網(wǎng)拓?fù)錇槔瑢﹄妱?dòng)汽車接入配電網(wǎng)對其網(wǎng)損影響進(jìn)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(yùn)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(fù)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(yùn)行電壓大小有關(guān)，但在通常運(yùn)行方式下是一個(gè)很小的量；變壓器的銅損與配變的負(fù)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?fù)?/p>

輻射型配電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D3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(yùn)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(dòng)汽車一般認(rèn)為恒功率負(fù)載，一定規(guī)模電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)第k處并網(wǎng)后，整條饋線的網(wǎng)損ΔP為：

式中：PEV為電動(dòng)汽車接入配網(wǎng)的充電功率；U為變壓器運(yùn)行電壓；UN為變壓器額定運(yùn)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(dòng)汽車同時(shí)接入配電網(wǎng)時(shí)，負(fù)載分布的位置及大小的差異會(huì)造成的有功損耗差別也會(huì)較大，因此電動(dòng)汽車聚合商在電網(wǎng)側(cè)發(fā)布需求響應(yīng)時(shí)，根據(jù)各充電站響應(yīng)能力，合理分配功率可達(dá)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(xué)模型和步驟

3.1 網(wǎng)商樁能量優(yōu)化數(shù)學(xué)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(dòng)汽車接入負(fù)載大小可有效優(yōu)化配網(wǎng)網(wǎng)損，因此電動(dòng)汽車負(fù)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(fù)荷量[17-20]。

以電網(wǎng)為主體，以各電動(dòng)汽車負(fù)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(biāo)的優(yōu)化模型并對其求解，對各電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商分配需求響應(yīng)量。

目標(biāo)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(yùn)行需滿足潮流約束、節(jié)點(diǎn)電壓約束。

（1）網(wǎng)絡(luò)潮流約束

（2）節(jié)點(diǎn)電壓約束

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

（3）需求響應(yīng)約束

為保證充電站安全運(yùn)行，各充電站的充電功率需小于配變額定容量，同時(shí)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(fù)荷聚合商下發(fā)的需求響應(yīng)量；PSTAi為負(fù)荷聚合商對第i個(gè)充電站分配的功率。

（4）電動(dòng)汽車充電站容量約束

式中：PSTAi為第i個(gè)電動(dòng)汽車充電站的充電功率；SNi為第i個(gè)電動(dòng)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(biāo)函數(shù)，采用蒙特卡洛模擬進(jìn)行尋優(yōu)，利用對各個(gè)充電站的功率分配達(dá)到配網(wǎng)能量優(yōu)化。具體步驟如下。

（1）網(wǎng)架搭建及負(fù)荷低谷時(shí)期任一時(shí)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(dòng)汽車充電站初始負(fù)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(dòng)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(fù)荷，全線共有30個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，如圖5所示，其中節(jié)點(diǎn)22、30、38、42、50分布電動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 電動(dòng)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(shí)際應(yīng)用較少，因此本文不考慮電動(dòng)汽車V2G模式。本算例中選取線路負(fù)荷低谷時(shí)期某一時(shí)刻網(wǎng)架潮流，根據(jù)區(qū)域配電網(wǎng)電動(dòng)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(dòng)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(gè)充電站，方案2～4隨機(jī)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(jìn)行潮流計(jì)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(dá)到17.97%。因此，本文所提方法通過電動(dòng)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(yùn)行安全性。

5 結(jié)束語

本文首先概述電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商和分析配網(wǎng)有功功率網(wǎng)損機(jī)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(jìn)行算例仿真。結(jié)果表明，不同電動(dòng)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(jì)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(dòng)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(jià)值。下一階段可在基于電動(dòng)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(dòng)汽車負(fù)荷聚合商的經(jīng)濟(jì)利益，建立雙層優(yōu)化模型，通過協(xié)同控制達(dá)到電網(wǎng)側(cè)和電動(dòng)汽車負(fù)荷聚合商互利共贏的目標(biāo)。