基于配电网限制条件与市场控制的协调电动汽 车充电方案研究

437·Issue4·December2015Engineering基于配电网限制条件与市场控制的协调电动汽车充电方案研究*摘要：电动汽车(EV)充电会对配电网产生影响，其充电成本取决于充电时的电价。为了最大程度地降低成本，一个负责大EV集群的集中器可采用基于市场的控制算法来协调车辆充电。在这一优化中，不考虑连接EV的配电网的运行参数。这可能会导致不符合电网技术限制条件的情况出现(如电压偏低、相位不平衡)；例如，当电价较低时大量汽车开始同时充电。同时考虑经济方面和技术方面的多目标优化是比较复杂的，因为该优化必须将市场层面的时间驱动型控制与运行层面的事件驱动型控制结合起来。不同的案例研究调查了在何种情况下协调EV充电的基于市场的控制会与配电网的运行限制条件发生冲突。尤其是在弱电网中，相位的不平衡和电压问题会随着EV的高份额而出现。如果局部电压较低，在EV的充电位置可以采用低水平电压下垂控制器，通过降低充电功率来满足电网的运行限制条件。虽然这一操作意味着会偏离成本最优运行点，但结果表明该方法对集中器工作状况的影响是非常有限的，即使是在承载大量EV的弱配电网中，也能够满足配电网技术的限制条件。关键词：电动汽车充电，配电网，技术目标与经济目标的结合，分散控制1 引言(DR)()(EV)EV()EV(DSO)EV()DSO()[1,2]•()(MW·h)15min1h•()()kWEV1KULeuven-EnergyVille,Leuven3001,Belgium;2VITO-EnergyVille,Mol2400,Belgium*[e-mail]9September2015;receivedinrevisedform27November2015;accepted1December2015©TheAuthor(s)2015.PublishedbyEngineeringSciencesPress.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBYlicense()英文原文：Engineering2015,1(4):453–465引用本文：GeertDeconinck,KlaasDeCraemer,BertClaessens.CombiningMarket-BasedControlwithDistributionGridConstraintswhenCoordinatingElectricVehicleCharging.Engineering,DOI10.15302/J-ENG-2015095SmartGrid—ArticleResearchSmartGrid—ArticleResearch438EngineeringVolume1·Issue4·December2015[3–5]EV[6–10]EV[2][11,12]()EV(MBC)23452 背景2.1 市场层面的运行–DR(1)DR()[11,13][14–17]––()[18–20]–[3]MBC–(3)2.2 实时层面和输电阻塞[21]2.2.1 电网拥塞的度量EN50160•10minRMS±10%图1.市场层面三类算法和需求响应（DR）协调图。SmartGrid—ArticleResearch439·Issue4·December2015Engineering–15%~–10%(5%)•10001min85%(180s)500•(VUF)VUF10minRMS95%2%2.2.2 拥塞缓解DSO•()•[21]DR•()DSO()2.2.3 电压下垂控制EV[22,23]()2EV0.90.85[24]3 市场层面的运行：针对EV的MBCMBC[25]()[26]DR(MAS)(EV)()3.1 架构MBCPowerMatcher[26,27](15min)[25]Walrasian3MASMBC图2.电动汽车(EV)充电器电压下垂控制特性实例。pu为标幺值。SmartGrid—ArticleResearch440EngineeringVolume1·Issue4·December2015()3.1.1 EV设备代理的需求函数EViiEreqiΔtdepPmaxiPdem((1))3(a)(b)EV(tcritical)((2))()demreqdepmax,,iiiiPfEtP=∆(1)criticalreqmaxdepiiiittEPt==∆(2)[2,3]EV3.1.2 集中器代理和整合nPg((3))3(c)DRPctrlPequi((4))aggregdemdem1niiPP==∑(3)aggregequidemctrlpPP=(4)Pctrl3.2 MASMBC的优势和劣势PowerMatcherDRMASMBC•(O(n))PowerMatcherO(logn)•••PowerMatcher3.3 增加调度功能和控制目标EV[3]iEViiPdem()iEmaxiEmin((5))(5)()()(){}{}()()()(){}{}maxmaxmaxmaxreqdepminminminreqdepmaxdepmin,0,1,,max,00,1,,iiiiiiiiiiiiiEtEttPEttEtEtEttPt==∀∈t∀∈∆==−∆−∆EEiEmaxEVi图3.(a)MASMBC的控制框架；(b)由设备代理从充电EVs向上发送的需求函数iPdem；(c)整合个别需求函数后，确定了均衡优先级pequi并返回给代理。SmartGrid—ArticleResearch441·Issue4·December2015Engineering(tidle)tdepiEmin(tcritical)(5)4(a)iEmaxiEmin(7)()()horizonopt0argminwithttttttCECEpE===∑EEEV•EVEVEEVEwindEnomin((8))(8)horizon2optEV,wind,nomin,401argmin4tttttEEE==++∑EE(15min)24h5EVEV4.2 EV、风电和负荷模型()EV/图4.(a)单一汽车i的能源限制图；(b)整合能源限制图和通过其的某一计划路径E。nEVaggregmaxEaggregminEC((6))thorizonEopt(6)()optargminC=EEE{}{}{}{}horizonlimithorizonaggregaggregmin,max,horizon1with0,1,,,s.t.0,1,,0,1,,0,1,,tttttttttEttPPttEEEttEEPtt+=∀∈≤∀∈≤≤∀∈=+∆∀∈E{}horizon1t−(6)EttPtttC(E)EV4.14 模拟目标和模型EVEV• • JavaCPLEXMatlabMat-lab–4.1 市场层面的集中器目标•(ToU)pt(LP)((7))图5.平衡目标图。SmartGrid—ArticleResearch442EngineeringVolume1·Issue4·December2015•EV20kW·h25kW·h10%90%•0~3.3kW•[28]获取()•[29]2.5MWp[30]10015min4.3 弱电网拓扑结构和代理架构6400kVA191(0)381~3D2D1D3(153)(1)NBNC33-322(D1D2)EIAJB1kV(3mm70mm1mm50mm)(D3)EXVB1kV(4mm16mm)1NSNL(100m)NLFL(914m805m)6(b)38200~1000图6.(a)单个物理电网拓扑结构实例；(b)涉及物理电网的代理拓扑结构。表1.基于物理的拓扑结构的变化(代表各弱电网)CasenameAbbreviationD1(m)D2(m)D3(m)Totallength(m)NeartransformershortcableNS1001520655NeartransformerlongcableNL1002220914FartransformershortcableFS250720509FartransformerlongcableFL2501520805SmartGrid—ArticleResearch443·Issue4·December2015EngineeringEV2表2.代理拓扑结构的变化(代表弱电网内不同数量的汽车)CasenameEVsinsideweakgridx-3838x-11438×3x-38038×10x-76038×205 集中器案例：模拟和结果MASMBC()PmaxToUEV(5.1)(5.2)5.1 持ToU成本目标的集中器ToU24hToU24hBelgianBELPEX100EN50160•(NSNLFSFL)•EVEV(x-38x-114)•((HHOnly)=EV==MBC+=)5.1.1 实时层面结果7HHOnlyEVEVEN501605%0.97(a)0.857(b)7(c)NSNLFSFLFLVUFNSFSToU图7.符合EN50160标准的电压幅值以及七天内的不平衡问题(随机100天)。(a)电压标幺值在0.9以下；(b)电压标幺值在0.85以下；(c)VUF大于2%。SmartGrid—ArticleResearch444EngineeringVolume1·Issue4·December2015(0.95)EN501605.1.2 市场层面结果3200EV8()5.1.3 关于ToU方案的结论ToU()ToUEN50160EN50160(50%)(2%)5.2 有平衡目标的集中器24hToU[31](ARP)EV表3.ToU方案的成本结果和由于在电动汽车充电器中采用电压下垂控制而产生的差异，以及由于未送达电能而造成的成本差异CasenameDumbEventMBCEventMBC+droopCostdifferenceduetovoltagedroopw/oEdeficitwEdeficitNS-38€805.46€595.00€596.71€598.03+0.28%NL-38€795.83€589.72€594.25€600.02+0.77%FS-38€814.26€604.59€606.71€608.20+0.35%FL-38€806.75€603.77€609.84€616.50+1.00%NS-114€792.28€580.16€585.32€589.99+0.89%NL-114€823.00€611.03€626.54€645.26+2.50%FS-114€816.26€614.34€620.61€625.55+1.02%FL-114€819.28€610.95€630.91€653.93+3.27%tdepEdeficit((9))deficitreq,batt,depiiitttiEEEtt=−=∑∑(9)50·(MW·h)–1x-380.6%x-1142%60%EVEdeficit1.15%SmartGrid—ArticleResearch445·Issue4·Dec