基于集群电动汽车接入区域配电网电压的综合优化控制*

范晋衡，邱朝明，曲大鹏，刘琦颖，黄国华，汤清权

（1.广州供电局有限公司，广州 510620；2.广州市奔流电力科技有限公司，广州 510630）

0 引言

随着全球碳排放的急剧增加，温室效应带来的影响受到世界各国的密切关注[1]。而电动汽车由于其绿色低碳的出行特点受到各国政府的欢迎因而一些国家为降低碳排放鼓励电动汽车发展相应地出台了电动汽车补贴政策甚至一些国家本国禁售燃油车时间表[2]，因此综合来看电动汽车未来将会成为交通出行的主流方式。

对城市配电网而言，电动汽车的大规模无序接入对配电网的安全运行带来了一定的挑战[3]。尤其是在负荷高峰时电动汽车的大规模接入会造成区域重过载等问题，从而直接造成用户低电压问题，影响用电体验[4]。由于电动汽车具有时空调节的灵活性，在区域供电能力及可调资源有限的条件下，对集群电动汽车的调控为成为了配电网电压调节的一种手段[5-6]。

苏粟[7]利用电动汽车无功补对区域配电网的电压进行调节，策略通过有效调节充电机的运行功率因数，对节点进行无功补偿的同时改变充电有功功率，从而在保证节点电压安全稳定的同时又不降低配电网经济性。王晓梅、胡标等[8-9]提出了一种利用电动汽车的电池能量管理和分布式光伏阵列的无功、有功控制，来调节光伏发电渗透率较高的配电网中的电压。赵兴勇等[10]基于风光储的微电网系统，考虑电动汽车的时空分布特性，提出一种动态电价调整策略。根据可再生能源出力和负荷的实时数据，求出当前微电网中的不平衡功率，根据当前不平衡率，发布对应的电价信息，充分调动电动汽车参与微电网的调度，实现微电网中可再生能源和电动汽车间的协调控制。程杉、赵玉、陈中等[11-13]提出基于动态电价的电动汽车充电站有序充放电控制方法，将电动汽车的充放电价与充放电状态及功率作为决策变量，构建以最大化充电站收益和最小化充电站与配电网交互功率波动为目标的电动汽车充放电优化调度数学模型。

通过不同的策略直接或间接的方式调控电动汽车入网充放电。本文拟通过调节集群电动汽车充电功率对配电网节点电压进行改善。因此本文首先分析了配电网节点电压机理，接着阐述了电动汽车集群控制模式，建立了区域配电网优化数学模型并介绍了控制流程，最后结合算例算例验证本策略的有效性。

1 电动汽车充电站有序充电控制运行机制

1.1 配电网节点电压机理

图1 交流配电线路等效示意图

图2 电压降落向量图

于是网络元件的电压降落可以表示为：

用功率代替电流，则式可表示为：

则：

由于城市配电网中配电线路大多为电缆线路，相较于输电线路常用的架空线，输电线路的线路阻抗比较大，因此城市配电网对区域节点电压调节时，在无功功率调节能力有限的情况下，可通过调节节点负荷的有功功率来调节节点电压。

1.2 集群有序充电控制模式

集群有序充电控制器首先需要监测配变的负载状态，采集配变低压侧的电气量，包括各相电压、电流；其次需要通过光纤、CAN总线等和集群电动汽车充电桩建立通信连接，以监测电动汽车充电桩状态及对其下发控制指令；同时集群有序充电控制器通过5G等通信技术与上层调度中心建立连接，接收指令及反馈配变及电动汽车充电站状态。

集群有序充电控制器作为连接电动汽车充电桩和上层调度中心的主体，在调节电动汽车充电站有功功率环节，对区域配电网电压调节承担重要的作用。如图3所示。

图3 集群有序充电结构

2 区域配电网电压优化数学模型和求解步骤

2.1 区域配电网电压优化数学模型

结合上述分析，通过对接入配电网的电动汽车充电站的充电功率进行调节可对节点节点电压进行调节，因此建立以电网节点偏差最小为目标函数。目标函数如下所示：

配电网的安全为稳定运行需满足潮流约束、节点电压约束。

（1）网络潮流约束

（2）节点电压约束

式中：Vmin为节点电压幅值下限；Vi为节点i的电压幅值；Vmax为节点电压幅值上限。

（3）电动汽车充电站有序充电约束

为保证各节点电动汽车充电站安全运行，各充电站的充电功率需小于配变额定容量，同时参与需求响应的各充电站需求响应功率之和需等于需求响应中心发布的需求响应量。

电动汽车充电站充电功率

其中：

式中：PEVCS-i为第i个电动汽车充电站的充电功率；SNi为第i个电动汽车充电站配变的额定功率；βmax为配变负载率上限，此处取0.8；cosφ为充电站变压器额定功率因数，一般取0.95；PDC-ij为第i个电动汽车充电站内第j台直流充电桩的充电功率；PDC-gear为直流充电桩每档的充电功率，本文取20 kW；NDC-ij为第i个电动汽车充电站内第j台直流充电桩的充电档位；PAC-ij为第i个电动汽车充电站内第j台交流充电桩的充电功率；PAC-gear为交流充电桩每档的充电功率，本文取20 kW；NAC-ij为第i个电动汽车充电站内第j台交流充电桩的充电档位。

分组投切电容器Ctotal,i,t是离散变量，其运行约束条件如下：

式中：Ctotal,i,t为节点在t时刻电容器的投切容量；Cper为单组电容的容量；N t为t时刻投入电容器的数量。

2.2 求解步骤

图4 求解流程

根据优化模型及目标函数，在节点电压越限时，通过优化算法，给充电站内各充电桩进行功率分配。具体步骤包括：（1）网架搭建及负荷低谷时期任一时刻潮流数据；（2）监测电动汽车充电站电压监测点是否越限；（3）根据节点电压越限情况计算电容器投切数量；（4）节点电容器投切后，判断节点电压情况，若节点电压合格，则结束；若节点电压不合格，则执行步骤6；（5）根据节点电压情况，计算电动汽车充电站充电调整功率，通过优化模型分配各充电桩功率分配方案。

3 算例仿真

以IEEE33节点为例，不同类型电动汽车充电站接入位置如图5所示，不同位置电动汽车充电桩接入情况如表1所示。

图5 电动汽车接入IEEE33节点

表1 充电站接入位置及其配置参数

选取某一时间断面下节点数据，各节点电压如下所示，图6可知，由于节点10及节点29电压越下限导致其后节点电压均越下限。

图6 各节点初始电压

因此首先通过对节点10及节点29附近的电容器进行投入，各节点电容器投入情况如表2所示。

表2 各节点电容器投入容量

投切后各节点电压情况如图7所示，由图可知，电容器投入后，节点10及节点29电压略有提升，但由于调节能力有限，仍有部分节点电压不合格。因此，对电动汽车充电站内电动汽车进行降负荷操作，具操作如表3所示。

图7 各节点电压一次调节情况

调节后各节点电压如图8所示，由图可知在电压一次调节的基础上通过区域电网电压协调控制模型优化模型对部分节点的电动汽车充电站的充电功率进行调节可有效改善节点电压，提升电压水平。

图8 各节点初始电压二次调节情况

4 结束语

本文首先分析配电网有功及无功功率对节点电压的影响，其次阐述了电动汽充电站集群有序充电控制模式，然后建立了区域配电网电压优化数学模型并介绍了求解步骤，最后通过算例仿真验证了所提策略的有效性。由上述研究分析可知，区域节点电压质量不合格时，在配电网原有无功调压资源基础上，通过调节集群电动汽车的充电功率可一定程度改善部分区域节点电能质量。也即通过协调配电网内无功资源及有功资源，优化电网潮流分布，可一定程度改善区域节点电能质量。因此对于电网公司而言，通过调动配电网内的无功及电动汽车资源，使其协调配合其出力，可有效降低电网公司配电网改善电能质量投资金额，提升客户用电满意度。