[发明专利]一种计及电动汽车和可控负荷的配电系统阻塞调控方法

权利要求书

1.一种计及电动汽车和可控负荷的配电系统阻塞调控方法，其特征在于包括如下步骤：

a.确定电动汽车调度特性；根据电动汽车用户的出行习惯、电动汽车充电功率和电池特性，建立电动汽车可调度特性的模型，包括：

1)充放电负荷模型

设初始充电时刻T_start的SoC为S_init,充电结束时刻T_end的SoC为S_final,EV电池容量为B_C,充电功率P_ch(t)和EV的SoC值S_ch(t)为时间的函数,充电效率为η_c,电池自放电率为η_l,则单个EV充电需满足:

Sfinal=Sinit+BC-1∫TstartTendηcPch(t)dt-∫TstartTendηlSch(t)dt---(1)]]>

当电动汽车(electric vehicle,EV)具备车联网(vehicle-to-grid,V2G)，设EV放电功率为P_dch(t),电池的V2G效率为η_d,则式(1)可修正为:

Sfinal=Sinit+BC-1∫TstartTend(ηcPch(t)-Pdch(t)ηd)dt-∫TstartTendηlSch(t)dt---(2)]]>

在V2G模式下,EV的放电功率会增加EV的电池损耗,由单位V2G放电电能导致的额外电池损耗成本可估算为:

Lpd=IbBcBlcDod---(3)]]>

式中:L_pd、B_lc、I_b、D_od分别为EV在V2G模式下的单位放电电能成本、电池设计的充放电循环寿命、电池成本和V2G放电深度；

2)EV充放电约束模型

为满足车主的使用需求,EV充放电需要满足下述约束条件:

S_ch,min≤S_ch(t)≤S_ch,max (4)

S_final≥S_final,min (5)

式中:S_ch,max和S_ch,min均为保证电池寿命的荷电状态(SoC)上限和下限约束,分别用于防止电池过度充电和过度放电；S_final,min为充电结束时车主可接受的最低SoC值；

EV充放电需要满足自身的功率约束,而且每台EV不能同时处于充电和放电状态:

0≤P_ch(t)≤P_ch,max(6)

0≤P_dch(t)≤P_dch,max(7)

P_ch(t)P_dch(t)＝0 (8)

式中:P_ch,max和P_dch,max分别为EV的最大充电功率和最大放电功率；

b.确定家用负荷调度特性；结合空调、冰箱、电热水器的控制特性和能耗特性，建立可控负荷的需求和可调度模型，包括：

1)居民用户整体负荷模型

室内气温T_a、冰箱内部温度T_f和热水器蓄水温度T_w需满足下述约束:

T_a,min≤T_a≤T_a,max (9)

T_f,min≤T_f≤T_f,max (10)

T_w,min≤T_w≤T_w,max(11)

式中:T_a,max、T_a,min、T_f,max、T_f,min、T_w,max、T_w,min分别表示室内气温上限、室内气温下限、冰箱内部温度上限、冰箱内部温度下限、热水器内蓄水的温度上限及热水器内蓄水的温度下限；

此外,空调的热功率Q_AC、冰箱的热功率Q_RF和电热水器的热功率Q_WH必须满足电器设备自身的热功率约束,即:

0≤Q_AC≤Q_AC,max (12)

0≤Q_RF≤Q_RF,max (13)

0≤Q_WH≤Q_WH,max (14)

式中:Q_AC,max、Q_RF,max和Q_WH,max分别为家用空调、电冰箱和电热水器的热功率上限；

分别用η_a、η_f和η_w表示空调热功率与电功率的比值、电冰箱热功率与电功率的比值和电热水器消耗的热功率与电功率的比值,则空调的电功率P_AC、电冰箱的电功率P_RF和电热水器的电功率P_WH分别可用式(15)-(17)计算,用户的总用电负荷可由式(18)求取：

P_AC＝Q_AC/η_a(15)

P_RF＝Q_RF/η_f (16)

P_WH＝Q_WH/η_w (17)

P_D＝P_fix+P_AC+P_RF+P_WH (18)

式中:P_D和P_fix分别表示居民总用电负荷功率和不可控用电负荷功率；

住宅内部的热容量和温度分别用C_a和T_a表示，住宅墙体的热容量和温度分别用C_s和T_s表示，假设住宅内部和外界的热传递速率为R_ae,住宅墙体与外界的热传递速率为R_se,住宅内部与墙体的热传递速率为R_as，C_a和C_s与住宅面积A_s和高度H有关,热传递速率R_se与住宅外墙面积S和空气流通率V_a相关，具体计算公式如下:

C_a＝5.2×10³A_sH(J/K) (19)

C_s＝1.44×10²A_sH(J/K) (20)

R_ae＝0.34V_aA_sH(W/K) (21)

Rse=7.69S(69.05+1.07As)7.69S-(69.05+1.07As)(W/K)---(22)]]>

R_as＝7.69S(W/K)(23)

2)家用空调模型

家用空调的数学模型可简化表示为

dTadt=1Ca(ξsWQs+Ras(Ts-Ta)+Rae(Te-Ta)+Rac(Tc-Ta))---(24)]]>

dTsdt=1Cs(ξsSQs+Ras(Ta-Ts)+Rse(Te-Ts))---(25)]]>

dTcdt=1Cc(Rac(Ta-Tc)-QAC)---(26)]]>

式中:T_e为外界温度；Q_s和ξ_s分别表示太阳能辐射的热量和效率；W为住宅窗户面积；C_c、T_c和R_ac分别表示空调冷凝机构的热容量、温度和空调冷凝机构与室内空气的热传递速率；

3)家用冰箱模型

冰箱箱体的热容量与温度分别用C_f1与T_f1表示，冷藏箱体的热容量与温度分别用C_f2与T_f2表示，冰箱内部的热容量与温度分别用C_f与T_f表示，制冷结构的热容量与温度分别用C_f4与T_f4表示，家用冰箱的热力学模型为

dTf1dt=1Cf1(Rf1f(Tf-Tf1))---(27)]]>

dTf2dt=1Cf2(Rf24(Tf4-Tf2))---(28)]]>

dTfdt=1Cf(Rf1f(Tf1-Tf)+Rff4(Tf4-Tf)+Raf(Ta-Tf))---(29)]]>

dTf4dt=1Cf4(Rff4(Tf-Tf4)+Rf24(Tf2-Tf4)-QRF)---(30)]]>

式中:R_f1f、R_f24、R_ff4、R_af分别表示冰箱箱体与内部的热传递速率、冷藏箱与制冷部分的热传递速率、冰箱内部与制冷部分的热传递速率、冰箱内部与室内空气的热传递速率；

4)电热水器模型

分别用C_t与T_t表示箱体的热容量与温度，用C_w与T_w表示内部蓄水的热容量与温度，电热水器的热力学模型可表示为

dTtdt=1Ct(Rat(Ta-Tt)+Rwt(Tw-Tt))---(31)]]>

dTwdt=1Cw(Rwt(Tt-Tw)+QWH)---(32)]]>

式中:R_wt、R_at分别表示热水箱与内部蓄水的热传递速率、热水箱与室内空气的热传递速率；

c.利用节点边际电价和最优潮流的模型，建立配电系统阻塞费用计算模型，包括：

1)零售商代理RA的初始负荷计划

在日前市场出清之前,RA并不知道下一交易日的日前市场电价,而需要结合历史数据和下一交易日的预测信息对日前市场的电价进行估算；假设N_d为配电系统的负荷节点数,T_sum为考虑的调度时段,配电系统每个节点上有N_h位用户和N_e辆EV,估算的日前市场电价为λ(t),t＝1,2,…,T_sum；RA的优化目标如下:

MinimizeΣi=1NdΣt=1Tsum(λ(t)(Σh=1NhPD(i,h,t)+Σe=1NePch(i,e,t)-Σe=1NePdch(i,e,t))+Σe=1NeLpd(e)Pdch(i,e,t))---(33)]]>

式中，i,t,h,e分别为配电网负荷节点、调度时段、用户和电动汽车的编号，其中i＝1,2,…,N_d；t＝1,2,…,T_sum；h＝1,2,…,N_h；e＝1,2,…,N_e；RA的优化目标要受式(1)-(8)和(9)-(18)所分别表示的电动汽车充放电负荷特性和居民负荷的约束；RA在得到各个用户的用电计划后,以节点为单位汇总并上报配电系统调度机构DSO；

2)配电系统调度机构DSO阻塞管理模型

采用多时段直流最优潮流求解配电系统的节点电价DLMP，进而确定节点i在时刻t的阻塞价格λ_c(i,t),目标函数为：

MinimizeΣtTsumλ(t)PG,sum(t)---(34)]]>

约束条件为：

PG,sum(t)-Σi=1Nd(PSD(i,t)+PSch(i,t)-PSdch(i,t))=0---(35)]]> 3

PG(i,t)-(PSD(i,t)+PSch(i,t)-PSdch(i,t))=Σj=1NdBijθij(t)---(36)]]>

-F_ij,max≤B_ijθ_ij(t)≤F_ij,max(37)

P_SD,min(i,t)≤P_SD(i,t)≤P_SD,max(i,t)(38)

P_Sch,min(i,t)≤P_Sch(i,t)≤P_Sch,max(i,t) (39)

P_Sdch,min(i,t)≤P_Sdch(i,t)≤P_Sdch,max(i,t) (40)

式中:P_G(i,t)和P_G,sum(t)分别为S在时刻t由节点i注入系统的有功功率和配电系统在时刻t从上层输电系统购买的有功功率；B_ij和θ_ij(t)分别为节点i和节点j之间的线路导纳阵虚部和时刻t节点i与j之间的电压相角差；F_ij,max为线路i-j的有功潮流上限；P_SD(i,t)、P_Sch(i,t)和P_Sdch(i,t)分别为RA上报的以节点为单位的可控负荷、EV充电负荷和EV放电负荷的初始计划；P_SD,max(i,t)、P_SD,min(i,t)、P_Sch,max(i,t)、P_Sch,min(i,t)、P_Sdch,max(i,t)和P_Sdch,min(i,t)分别为时段t节点i可控负荷的上下限、电动汽车的充电负荷上下限和放电负荷上下限，式(8)的约束同样需要在该模型中考虑；

用上述模型求解出的节点电价DLMP为λ_m(i,t),则阻塞价格可由式(41)求得,并作为RA调整可控负荷和EV充放电负荷用电计划的依据，

λ_c(i,t)＝λ_m(i,t)-λ(t) (41)

3)RA对负荷计划的修正

在DSO发布阻塞价格后,RA需要综合考虑用户购电情况,市场电价和阻塞价格,调整可控负荷和EV充放电负荷的用电计划,通过对调度结果利润的最大化实现对DSO阻塞管理信号的响应,自主规避阻塞；RA的优化目标修改如下:

MinimizeΣi=1NdΣt=1Tsum((λ(t)+λc(i,t))(Σh=1NhPD(i,h,t)+Σe=1NePch(i,e,t)-Σe=1NePdch(i,e,t))+Σe=1NeLpd(e)Pdch(i,e,t))---(42)]]>

RA在修正负荷计划时需要考虑的约束条件与制定初始负荷计划时相同。