一种考虑充电桩无功容量参与配电网电压控制的光储充电站运行方法
文献发布时间：2024-04-18 20:01:30
技术领域
本发明涉及一种考虑充电桩无功容量参与配电网电压控制的光储充电站运行方法。
背景技术
为了实现“双碳”目标和经济绿色发展，全社会正在逐步用清洁能源代替传统耗竭性能源。由于电动汽车具有绿色、经济和政策优惠等优势，有广阔的发展空间。然而，电动汽车在快速发展的同时改变了配电网的负荷特性，一方面，电动汽车具有时间和空间上的不确定性，大规模并网会加剧负荷的波动性；另一方面，作为给电动汽车提供能量补充的充电设施，充电桩中广泛使用具有开关特性的非线性元件，会威胁到电网电压的稳定性。但是，电动汽车在带来挑战的同时，其自身就是解决问题的方案：电动汽车具有可控负荷与储能单元的双重属性，给电网带来新的运营模式；利用充电桩中IGBT能量的双向传输特性，给V2G(Vehicle to Grid,V2G)技术的发展带来契机。V2G技术自提出以来虽然备受学术界瞩目，但是由于基础充电装置技术不够成熟、标准不够完善，用户的响应度较低等问题，导致其落地实践受到很大阻力。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，提出一种考虑充电桩无功容量参与配电网电压控制的光储充电站运行方法。
对此，本发明基于V2G技术双向能量传输的特点，提出一种新颖的“桩网”互动方法：在给电动汽车充电的同时，利用充电桩剩余容量给电网提供无功补偿，集群调度电动汽车有功资源和充电桩无功资源，减小配电网电压波动。所提方法无需额外增加设备，提高了系统运行的经济性。本发明从电动汽车充电机模型出发，剖析能量转换机理，在光伏、储能就地消纳的情况下，合理规划电动汽车充电站资源，建立完整的电压优化模型，为充电桩参与配电网运行提供理论依据。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种考虑充电桩无功容量参与配电网电压控制的光储充电站运行方法，包括以下步骤：
S1：建立电动汽车充电桩的数学模型，利用网侧双环控制策略，使电压快速、准确响应，分析充电桩在给电动汽车充电过程中提供无功补偿的可行性与合理性；
S2：搭建大规模光伏、储能接入的电动汽车充电站并网拓扑结构，分析分布式光伏电源和电动汽车并网对电网电压和电能损耗的影响；
S3：充分考虑充电桩无功补偿能力与电动汽车充电功率的耦合关系，基于蒙特卡洛预测电动汽车充电数据，建立电网节点电压偏差最小的目标函数，求解得到典型日不同时刻充电桩的最优无功补偿量；
S4：通过电动汽车充电功率和充电站无功容量联动控制，仿真分析不同场景下光储充电站证明充电站无功资源能够减小配电网节点电压偏差，降低网络损耗。
进一步，所述步骤S1中，充电桩数学模型包括以下构成：
S1：构建充电桩核心电能转换器件AD/DC变流器数学模型：
城市快充电站主要以快充为主，充电桩中广泛采用三相PWM变流器，采用“电压外环”来控制整流器直流侧输出电压的稳定，采用“电流内环”消除扰动对输出电压的影响。为了实现无静态误差控制，将网侧三相电压变换到d、q两相旋转坐标系，分别得到E
其中，i
用式(3)表示流入充电桩的有功功率和无功功率：
根据能量守恒，电动汽车在充电的过程中，流入充电桩的平均功率和电动汽车的充电功率持平，即
P
结合式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可得充电桩安全运行约束：
其中V
其中，S
再进一步，在所述步骤S2中，充电站并网拓扑结构以及光伏电源、电动汽车负荷对电网影响包括以下构成：
S2-1：充电站并网及充电桩无功调压机理表示如下：
S2-1：光伏电站和大型电动汽车充电站接入对电压的影响：
对于配电网来说，电压长期处于稳定的范围内至关重要，但是常常由于线路电抗或非线性元器件的使用，节点电压相较标称电压有所下降。当系统网络有N个节点，序号分别为1，2，…，N，假设公共耦合点m为参考节点，其电压值为1(p.u.)，公共耦合点n由于线路阻抗R
式中，
光伏系统接入使电网从放射状结构变为多电源结构，改变电网潮流，引起节点电压波动，造成网损变化。当在节点m接入容量为P
由此可以看出光伏电站接入电力系统，可以减小电压降落，有效抬升电压，防止节点电压落差过大使系统发生故障。
当在节点m接入充电站时，一方面，电动汽车作为有功负荷消耗电能，造成节点之间电压差加大，另一方面，由于配电网线路以及电力电子器件产生的无功功率
此时，电动汽车充电桩接入n节点，若其工作于有功充电、容性运行状态，在给电动汽车充电的同时给电网无功补偿。
S2-2：光伏电站大型电动汽车充电站接对节点网络损耗的影响：
电动汽车充电站接入电网后属于大功率负荷，因此可能造成电网负荷的重新分配，从而导致潮流的变化，电网损耗增大。电网网损可由下式表示：
其中，N
当并入电网的充电站容量较小时，其充电桩聚合无功容量有限，网络降损能力较弱。当大型充电站并入电网时，站内充电桩数量多，可调节能力强，具备可观的潜在无功补偿能力。
再进一步，所述步骤S3中，充电站参与电网调压以及建立的节点电压最小数学模型如下：
S3-1：基于蒙特卡洛预测电动汽车充电数据：
城市快充电站主要针对的客户是充电频次高、停留时间短的网约车，或者是充电时间相对宽裕的上下班通勤车，为电动汽车提供统一的充电服务，没有涉及到充电桩的无功补偿，因此有必要考虑不同出行需求的电动汽车能够提供的无功补偿潜能。
网约车和私家车的日行驶里程有显著差距，通过调研不同充电站内不同类型车辆的充电起始时间以及行驶里程，对其行为规律的数据进行处理，拟合得到两者服从不同的正态分布，均服从
其中，x代表电动汽车的日行驶里程或者充电起始时间，当表示不同量时，服从的正态分布参数不同。根据电动汽车行驶里程，可计算其充电时的荷电初始状态如下：
式中，SOC
式中，C
由式(5)可得充电桩的无功补偿能力与电动汽车的充电功率耦合变化，当减小充电功率时，充电桩对电网的无功补偿潜能也随之变大。充电站内的电动汽车有功负荷与充电桩的聚合无功补偿潜能为：
其中，Num
S3-2：光储充电站集群无功功率的调度过程：
充电桩无功调度系统由配电网运营商、充电站后台规划室和EV车主三方组成。目前城市快充电站主要为普通充电站，运营商并没有对充电桩集群资源有效利用。首先根据预测得到充电站每一时间段驶入的电动汽车数量Num
随后，将充电站的有功负荷
最后，配电网运营商将最优无功补偿量传输给充电站后台规划室。在满足配电网无功补偿的基础上，最大程度提高充电功率以缩短充电时长。
由于无功功率的来源是充电桩本身，并不会损害电动汽车蓄电池的使用寿命，但是当电网所需无功需求较大时，需要牺牲给EV充电的功率来换取无功容量，这种做法会延长电动汽车的充电时间，在预定时间内未能达到车主期望电量，降低车主满意度。
S3-3：构建电网节点电压偏差最小的数学模型如下：
S3-3-1：所建立的目标函数如下：
光储充电站在实现光伏出力最大化的前提下，利用自身充电桩的聚合无功潜能支撑电网电压，在不额外增加设备的前提下，利用现有充电桩设施提升配电网电压质量，所以将配电网节点电压偏差最小作为所建模型的目标函数：
其中，V
S3-3-2：系统运行约束，包括：
在配电网台区原有负荷的基础上接入光储充电站，优化变量是充电桩的集群无功功率。在电动汽车有序充电以及充电桩合理无功补偿的过程中，需满足配电网节点潮流约束：
式中，P
电动汽车的充电功率与无功补偿量受到充电桩容量的限制，功率约束可由式(18)表示：
其中，
S3-3-3：充电站储能充放电约束如下：
储能充电和放电功率不能超过其最大值，且需要保证储能荷电状态的连续性，即：
其中，P
S3-3-4：车主充电满意度降低的惩罚约束包括如下：
为了提升充电桩的无功潜能而降低电动汽车的充电功率导致充电时间变长，
当充电时间T>T
其中，T为电动汽车充电实际充电时长，由电动汽车容量、充电有功功率和充电效率决定。
再进一步，所述步骤S4中，建立的优化问题建模如下：
S4-1：通过算例仿真验证本策略的有效性，包括以下步骤：
S4：由于电动汽车充电站负荷具有随机性和强冲击性的特点。合理模拟充电站对电网的影响对电动汽车的普及具有重要意义。以IEEE33节点模型为基础，在节点8接入一定规模的光伏、储能，配置不同容量的充电站。为了研究方便，做出如下假设：
(1)充电桩容量均为120KVA；
(2)驶入各充电站的电动汽车最大容量均为90kWh；
(3)电动汽车初始电量、行驶路程、到站时间等满足蒙特卡洛预测模型，当充电桩不提供无功补偿时，电动汽车均可在车主提供的预计充电时间T
电网节点的常规负荷选取IEEE33节点典型负荷数据，配电网电压等级10kV。对比分析以下几种场景下，充电站的无功补偿能力与对电网的电压调节能力，并计算每个场景的网络损耗情况：
(1)只有光伏、储能接入配电网节点时，对电网电压、网损的影响；
(2)在上述场景下接入不同容量的充电站，充电桩未对电网提供无功补偿，探讨该种场景下对电网电压、网损的影响；
(3)在上述场景下，改变充电桩工作模式，探讨充电桩在集群无功补偿情况下对电网的辅助服务效果。
然后分析在节点8接入一定容量的光储充电站，典型日24小时内系统运行结果，仿真得到充电站储能的充放电利用情况以及充电桩的无功潜能。
本发明的有益效果是：
1.充分考虑电动汽车充电时的安全运行条件，给出充电桩在有功输出过程中的无功容量；
2.提出一种过渡式的充电站参与电网运行的控制策略，能够在给EV充电的同时对电网进行无功补偿，提升用户充电满意度，改善电网质量。
附图说明
图1是本发明的充电桩无功容量参与电网调压结构图。
图2是本发明的光储充电站并网拓扑结构图。
图3是本发明的充电站四象限无功容量约束图。
图4是充电站典型日运行流程图。
图5是节点8在不同场景下的电压情况图。
图6是节点8在不同场景下的网损情况图。
图7是光伏不出力下节点8电压情况图。
图8是多个节点接入充电站时电网电压情况图。
图9是光储充电站典型日运行图。
图10是光储充电站无功补偿效果图。
图11是光储充电站运行方法流程图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图10，一种考虑变流器无功极限的电动汽车充电桩参与电网调压的充放电策略，所述方法包括以下步骤：
S1：建立电动汽车充电桩的数学模型，利用网侧双环控制策略，使电压快速、准确响应，分析充电桩在给电动汽车充电过程中提供无功补偿的可行性与合理性；
S2：搭建大规模光伏、储能接入的电动汽车充电站并网拓扑结构，分析分布式光伏电源和电动汽车并网对电网电压和电能损耗的影响；
S3：充分考虑充电桩无功补偿能力与电动汽车充电功率的耦合关系，基于蒙特卡洛预测电动汽车充电数据，建立电网节点电压偏差最小的目标函数，求解得到典型日不同时刻充电桩的最优无功补偿量；
S4：利用本发明提出的充电站运行方法对典型日光储充电站进行算例仿真，通过充电功率和无功容量联动调节，证明充电站无功资源能够减小配电网节点电压偏差，降低网络损耗。
所述步骤S1中，充电桩数学模型包括以下构成：
S1：构建充电桩核心电能转换器件AD/DC变流器数学模型：
城市快充电站主要以快充为主，充电桩中广泛采用三相PWM变流器，采用“电压外环”来控制整流器直流侧输出电压的稳定，采用“电流内环”消除扰动对输出电压的影响。如图1所示，为了实现无静态误差控制，将网侧三相电压变换到d、q两相旋转坐标系，分别得到E
其中，i
用式(3)表示流入充电桩的有功功率和无功功率：
根据能量守恒，电动汽车在充电的过程中，流入充电桩的平均功率和电动汽车的充电功率持平，即
P
结合式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可得充电桩安全运行约束：
其中V
其中，S
在所述步骤S2中，充电站并网拓扑结构以及光伏电源、电动汽车负荷对电网影响包括以下构成：
S2-1：充电站并网及充电桩无功调压机理表示如下：
S2-1：光伏电站和大型电动汽车充电站接入对电压的影响：
光储充电站拓扑结构如图2所示，对于配电网来说，电压长期处于稳定的范围内至关重要，但是常常由于线路电抗或非线性元器件的使用，节点电压相较标称电压有所下降。当系统网络有N个节点，序号分别为1，2，…，N，假设公共耦合点m为参考节点，如图1所示，其电压值为1(p.u.)，公共耦合点n由于线路阻抗R
式中，
光伏系统接入使电网从放射状结构变为多电源结构，改变电网潮流，引起节点电压波动，造成网损变化。当在节点m接入容量为P
由此可以看出光伏电站接入电力系统，可以减小电压降，有效抬升电压，防止节点电压落差过大使系统发生故障。
当在节点m接入充电站时，一方面，电动汽车作为有功负荷消耗电能，造成节点之间电压差加大，另一方面，由于配电网线路以及电力电子器件产生的无功功率
此时，电动汽车充电桩接入n节点，若其工作于有功充电、容性运行状态，在给电动汽车充电的同时给电网无功补偿。
S2-2：光伏电站大型电动汽车充电站接对节点网络损耗的影响：
电动汽车充电站接入电网后属于大功率负荷，因此可能造成电网负荷的重新分配，从而导致潮流的变化，电网损耗增大。电网网损可由下式表示：
其中，N
当并入电网的充电站容量较小时，其充电桩聚合无功容量有限，网络降损能力较弱。当大型充电站并入电网时，站内充电桩数量多，可调节能力强，具备可观的潜在无功补偿能力。
所述步骤S3中，充电站参与电网调压以及建立的节点电压最小数学模型如下：
S3-1：基于蒙特卡洛预测电动汽车充电数据：
城市快充电站主要针对的客户是充电频次高、停留时间短的网约车，或者是充电时间相对宽裕的上下班通勤车，为电动汽车提供统一的充电服务，没有涉及到充电桩的无功补偿，因此有必要考虑不同出行需求的电动汽车能够提供的无功补偿潜能。
网约车和私家车的日行驶里程有显著差距，通过调研不同充电站内不同类型车辆的充电起始时间以及行驶里程，对其行为规律的数据进行处理，拟合得到两者服从不同的正态分布，均服从
其中，x代表电动汽车的日行驶里程或者充电起始时间，当表示不同量时，服从的正态分布参数不同。根据电动汽车行驶里程，可计算其充电时的荷电初始状态如下：
式中，SOC
式中，C
由式(5)可得充电桩的无功补偿能力与电动汽车的充电功率耦合变化，当减小充电功率时，充电桩对电网的无功补偿潜能也随之变大。充电站内的电动汽车有功负荷与充电桩的聚合无功补偿潜能为：
其中，Num
S3-2：光储充电站集群无功功率的调度过程：
充电桩无功调度系统由配电网运营商、充电站后台规划室和EV车主三方组成。目前城市快充电站主要为普通充电站，运营商并没有对充电桩集群资源有效利用。首先根据预测得到充电站每一时间段驶入的电动汽车数量Num
随后，将充电站的有功负荷
最后，配电网运营商将最优无功补偿量传输给充电站后台规划室。在满足配电网无功补偿的基础上，最大程度提高充电功率以缩短充电时长。
由于无功功率的来源是充电桩本身，并不会损害电动汽车蓄电池的使用寿命，但是当电网所需无功需求较大时，需要牺牲给EV充电的功率来换取无功容量，这种做法会延长电动汽车的充电时间，在预定时间内未能达到车主期望电量，降低车主满意度。
S3-3：构建电网节点电压偏差最小的数学模型如下：
S3-3-1：所建立的目标函数如下：
光储充电站在实现光伏出力最大化的前提下，利用自身充电桩的聚合无功潜能支撑电网电压，在不额外增加设备的前提下，利用现有充电桩设施提升配电网电压质量，所以将配电网节点电压偏差最小作为所建模型的目标函数：
其中，V
S3-3-2：系统运行约束，包括：
在配电网台区原有负荷的基础上接入光储充电站，优化变量是充电桩的集群无功功率。在电动汽车有序充电以及充电桩合理无功补偿的过程中，需满足配电网节点潮流约束：
式中，P
电动汽车的充电功率与无功补偿量受到充电桩容量的限制，功率约束可由式(18)表示：
其中，
S3-3-3：充电站储能充放电约束如下：
储能充电和放电功率不能超过其最大值，且需要保证储能荷电状态的连续性，即：
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其中，P
S3-3-4：车主充电满意度降低的惩罚约束包括如下：
为了提升充电桩的无功潜能而降低电动汽车的充电功率导致充电时间变长，
当充电时间T>T
其中，T为电动汽车充电实际充电时长，由电动汽车容量、充电有功功率和充电效率决定。
所述步骤S4中，建立的优化问题建模如下：
S4：由于电动汽车充电站负荷具有随机性和强冲击性的特点。合理模拟充电站对电网的影响对电动汽车的普及具有重要意义。以IEEE33节点模型为基础，在节点8接入一定规模的光伏、储能，配置不同容量的充电站。为了研究方便，做出如下假设：
(1)充电桩容量均为120KVA；
(2)驶入各充电站的电动汽车最大容量均为90kWh；
(3)电动汽车初始电量、行驶路程、到站时间等满足蒙特卡洛预测模型，当充电桩不提供无功补偿时，电动汽车均可在车主提供的预计充电时间T
电网节点的常规负荷选取IEEE33节点典型负荷数据，配电网电压等级10kV。对比分析以下几种场景下，充电站的无功补偿能力与对电网的电压调节能力，并计算每个场景的网络损耗情况：
(1)只有光伏、储能接入配电网节点时，对电网电压、网损的影响；
(2)在上述场景下接入不同容量的充电站，充电桩未对电网提供无功补偿，探讨该种场景下对电网电压、网损的影响；
(3)在上述场景下，改变充电桩工作模式，探讨充电桩在集群无功补偿情况下对电网的辅助服务效果。
首先分析单个节点接入光储充电站对整个电网电压和网损的影响，在节点8接入容量为10MW的光伏板，参考全年光照的实际数据，拟合得到该节点光伏出力。并入充电桩个数为40的中型充电站，仿真模拟常规情况下站内不同场景对电网电压和有功损耗的影响。
图5和图6展示了在光照正常的情况下，不同场景的电压调节效果和网络损耗情况。可见，当只有光伏接入时，其作为有功功率的输入，可以就地补偿给本节点原始负荷，所以减少了从变压器节点传输电能的损耗，不仅降低了电压，而且也减小了网损。当电动汽车作为有功负荷进行充电而不利用充电桩的无功潜能时，节点负荷增大，造成电压偏差显著，甚至出现越限的可能，电网的有功损耗也进一步加大。当在给电动汽车充电的同时，利用充电桩的无功潜能给电网提供补偿，电网节点电压偏差有很明显的缩减。由此可见利用充电桩在给电动汽车充电的同时，利用其无功补偿能力，可以有效提升电压质量，减少电网网损。
图7展示了在没有光照的情况下，不同场景的电压调节效果。可见，即使在光伏不出力活无光伏时，利用充电桩自身也可以提升电网节点电压质量。当在不同节点接入光储充电站时，对电网的电压提升效果更加明显，如图8所示，当在节点8，14，23，26接入相同规模的光储充电站时，可将电压维持在理想值0.95～1.05(p.u.)之间。
图9展示了光储充电站典型日运行过程，可见当光伏出力较大时，在满足给电动汽车充电的前提下，优先为储能电池充电，当夜间光照不足、电动汽车负荷大，电压偏差较大，将蓄电池的电能替代电网电能给电动汽车充电，以此减小充电负荷，提升电压。图10为电动汽车无功补偿前后负荷曲线以及充电桩能够提供的无功功率，可以明显看出，无功补偿前，电动汽车主要集中在中午11：00-15：00和晚上20：00-23：00，中午时，光伏出力较大，所需无功补偿较小；夜间，光伏不出力，所需无功补偿量大。但是在无功补偿的同时，由于减小了电动汽车的充电功率，导致汽车在站内停留时间较长。
综上，本方法可以有效缓解大型充电站并网造成的电压越限问题，能够在给EV充电的同时对电网进行无功补偿，改善电网质量。