1电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题

,Jul52011y2

[编者按]电动汽车充电行为具有不确定性,大量充电负荷接入电网必定会对电网运行带来较大影响,与之相关的运行分析和计算、充电设施规划、充电负荷与新能源的协同调度等相关技术问题已引起业界的关注。同时,电动汽车也可以作为移动的、分布式储能单元接入电网,用于电网负荷的削峰填谷、旋转备用等,以提高电网供电灵活性、可靠性和能源利用效率。因此,本刊已将“电动汽车与电网互动及其相关研究暠作为重点关注课题之一,并以此为专题,邀请浙江大学文福拴教授作为特约主编,策划和组织了国内外1以飨读者。文福拴教授1篇相关研究论文,长期从事电力系统警报处理与故障诊断、电力经济与电力市场、电力系统投资规划与运行优化方面的研究工作,并任多所大学的特聘或兼职教授,同时担任了InternationalJournalofRenewableEnerechnologyTgy杂志的亚洲区主)《编、编委、电力系统自动化》等8本国内学术InternationalJournalofEmerinlectricPowerSstems(IJEEPSggEy杂志编委。在此,衷心感谢文福拴教授为本专题所贡献的智慧和大量工作!希望本专题有助于进一步推动电动汽车充放电与智能电网的相关研究。

电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题

(1.浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027;2.华南理工大学电力学院,广东省广州市5100;

)3.江西省电力科学研究院,江西省南昌市330006

赵俊华1,文福拴1,杨爱民2,辛建波3

摘要:首先概述了电动汽车发展的技术、经济、环境和背景,简要综述了大量电动汽车广泛应

用对电力系统的影响,评述了现有文献中提出的电动汽车调度与控制方法。然后就电动汽车广泛接入对电力系统所带来的经济价值评估、电动汽车调度及其优化算法、电动汽车充放电控制等问题提出了研究建议。

关键词:电动汽车;电力系统;安全性;经济性;优化调度;充放电控制

0暋引言

电动汽车不是一项新技术。与传统的内燃机相比,电机的许多优点在汽车时代的早期就已经很明显了。但是,由于早年的电池容量小、寿命短,且当时电力系统的容量也很有限,而石油则具有高能量密度、易于储存和供应量不断增长的优势,因而早在20世纪初期以石油为基础的道路运输就得到了广泛采用。不过,在20世纪随着电力工业的不断发展,世界范围内的非交通能源需求则逐步采用了电力这种二次能源形式。

20世纪70年代发生的石油危机和部分地区,如美国加利福尼亚州,所面临的地区性空气污染问题使电动汽车再度受到了相关研究机构、工业界和部门的关注和重视。然而,全球实际运行的电动汽车数量仍然非常有限。

在过去的几年中,由于电动汽车技术的进步,特别是存储密度更高的电池和充电性能更好的电机

收稿日期:2011灢06灢24。

及其控制系统的发展使得电动汽车的发展明显加

快。更重要的是,过去十多年间在很多国家,尤其是一些快速发展中的国家,如中国,汽车工业发展非常快速,汽车数量持续快速增加,石油消耗量不断攀升,空气和环境污染严重恶化,温室气体所引起的自然灾害趋于频繁和严重。在此背景下,不少发达国家采用了以提高经济效率、保障能源安全和减少环境污染为主要目标的能源。这样的、技术和环境背景以及下述优点促进了电动汽车的快速发展。

提高经济效率:在一些发达国家如澳大利1)

亚,电动汽车每千米的耗电成本约为燃油汽车耗油成本的三分之一。这样,如果电动汽车的投资成本结构合理,那么车主采用电动汽车就会有明显的成本节约。需要指出,与其他新能源汽车如氢燃料汽车相比,电动汽车更适应现有的电力设施,需要的附加投资更少。

)有助于保障能源安全:目前交通运输环节几2

,乎完全依赖石油(天然气)导致油(气)价高企且波

动剧烈。对于化石能源储备并不充裕的中国,可能导致越来越严重的能源安全问题。此外,目前也没有其他液体燃料可以广泛替代石油。例如,生物燃料的广泛使用要受可用土地的制约。相对而言,国

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(;中国博士后科学基金资助项目200805610020)();江西省电力公司科研项目。20100481406

—2—

·电动汽车与电网互动及其相关研究·暋赵俊华,等暋电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题

内的发电资源则较为充裕。)减少对环境的影响:传统燃油(天然气)汽车3的尾气排放占了温室气体排放中相当大的比重。电动汽车的广泛采用,不仅可以减少传统燃油汽车在人口密集地区所引起的区域空气污染,还可以减少整体的温室气体排放。与替代石油的可选液体燃料相比,现在已经有多种类型和容量的可再生、低(无)排放的发电资源可以选择,如风能和太阳能发电。电动汽车的广泛应用会引发现代交通业的性变革,对电力系统的发展也会产生深远的影响。量,导致系统投资成本和运行成本增加;此外,也会

、引起电压控制、电能质量(谐波与次谐波)供需平衡、继电保护等方面的问题。

1.1暋电动汽车充放电时的负荷特性研究

与传统负荷不同,电动汽车充电负荷在时间和空间上都具有不确定性,因此很有必要研究电动汽车充放电功率特性。文献[采用蒙特卡洛仿真比1]

较深入地研究了电动汽车充电功率曲线,但没有研,究电动汽车接入电力网络(模vehicletogridV2G)式下的放电容量曲线。文献[考虑了不同类型电2]

这种变革与影响的范围和程度取决于许多因素,包括技术进步、社会经济状况、财政状况、经营模式的创新、扶持、监管框架和广泛的社会认同等。在最近几年中,与电动汽车应用有关的许多方面取得了明显进展,如技术进步、电动汽车主要部件的成本下降、公众对石油价格上升和来源受限而不断增加的担忧,以及在能源和环境方面越来越多的努力。

随着电动汽车的快速发展,系统地研究大量电动汽车广泛接入电力系统后对电力系统的影响以及对电动汽车进行智能化的充放电管理、最优调度控制就成为重要课题。本文主要对这两大方面的研究作了综述与研究展望。

电动汽车广泛应用对电力系统的影响

大量电动汽车的接入对电力系统的安全与经济

运行带来了新的挑战。考虑到电动汽车充电行为的随机性,电动汽车接入会给电力系统的运行与控制带来显著的不确定性。电动汽车广泛采用后对电力系统的影响既有正面的,也有负面的。就正面而言,电动汽车广泛采用后,会成为电力系统的一种新型、大容量的负荷:对于每个家庭用户而言每天采用10~对于供电公司而言15A的电流充电6,~电动汽车的快速发展8h将会是一个很大的负荷;和广泛应用意味着销售电量的巨大增加,这可以促进电力工业的发展;从系统运行的角度看,电动汽车相当于一个分布式储能器,可以在负荷高峰时将电能反送回网络。从另一方面讲,大量电动汽车的无序充电行为会给系统带来显著的负面影响,甚至可能影响电力系统的安全与可靠运行。若数以百万计的电动汽车车主下班回家后立即(差不多同时)开始充电肯定会影响局部或者更大范围内电力系统的安全运行。这样,如果不适当控制充电负荷,则可能引起一些时段负荷的明显上升,在晚间负荷高峰时期这会产生更加不利的影响,如需要增加电力网络容量,以及为满足高峰负荷需求而新增发电容

动汽车的相关使用特点,仿真了电动汽车的随机充、放电负荷曲线,但没有系统地分析大量电动汽车充放电行为对电力系统运行的影响,此外文中还给出了起始充电时间服从均匀分布的相当强的假设。文献[离子电池3]以)的实际充电负荷曲线GMEV1(铅酸电池)、和英国的实时电价以

NissanAltra

(锂及美国交通部统计的家庭车辆行驶调查数据作为计算依据,并假设同一配电系统模型中包含工业负荷、居民负荷、商业负荷等多种负荷类型,研究了电动汽车接入对馈线负荷的影响。文献[含受控电压源和串联电阻的电池仿真模型4]建立了一个包,以电池起始荷电状态(量,最终通过与S制OC造)商作提为供仿的真放模电型容唯量一曲的线状比态较变,证明了所建模型的正确性。文献[为复杂的电池仿真模型,能够反映电池充放电时的5]发展了一个较开路电压、电流、持续时间等特性,通过与实验数据相对比,得出其充放电持续时间误差在在30mV以内,模型具0有.4较%以内,开路电压误差高的准确性。文献[池等多种类型电池的数学模型6

]建立了一个包含锂离子电池,考虑了电池自放电、铅酸电以及充放电过程中的老化,能够比较准确地仿真电池的起始荷电状态和伏安特性曲线等。

现有的研究工作大都忽视了电动汽车日行驶里程的统计规律,以及电动汽车充电功率在时间和空间上的随机特性,而一般简单给定电动汽车规模、起始荷电状态、起始充电时间等。这与实际情况有较大的差距。

1.2暋电动汽车对电力系统的影响研究1.2.1暋电动汽车充电对电力系统的影响

电动汽车作为未来一种新型的重要负荷,其充电行为可能对系统有显著的影响。文献[了电动汽车在未来电力系统负荷中所占的比例7灢8]展,望认

为至电力系统总负荷中所占比例保守估计将达到2030年,

在美国和部分欧洲国家,电动汽车在8电会显著增%。文献[9大]的研究表明配电系统网,损大量电动汽车的无序充5%~

,并恶化电能质量;反

—3—

1()2011,3514

暋

之,如果对电动汽车的充电行为进行协调优化,则可

以降低系统的峰荷需求,并在很大程度上减轻上述

负面影响。文献[认为,夜间充电可以增加基荷10]机组的利用率;反之,如果允许电动汽车无序充电,]则会降低系统的运行效率。文献[分析了不同的11

电动汽车普及水平对于网络投资和网损的影响,得到的主要结论是:根据充电策略的不同,充电设施的投资占整个配电系统投资的比重最高可能上升至

而在6低谷时期的15%,0%的电动汽车渗透率下,]能耗会减少近4的研究表明,利用智0%。文献[12

影响。研究结果表明,在较高的电动汽车渗透率下,电动汽车负荷将会改变负荷曲线,也可能会引起局部线路容量越限。在不增加发电容量投资的情况下,由电动汽车构成的可调度负荷可以增加系统的最小负荷,即增加基荷机组利用率,并减少机组开停

]机。文献[采用电动汽车交通和电力系统运行相20结合的仿真模拟方法对电动汽车交通和电力系统运

行之间的交互影响作比较全面的研究,以评估不同充电策略下电动汽车运营模式及其对发电和碳排放的影响。

[能充电策略可以有效避免线路和变压器过载。文献

系统影响的方法13

]提出基于稳态和动态仿真评估电动汽车接入对。文献[荷水平约系统能容纳的电动汽车数量1GW),分析应用14]

3针对一个小型系统种不同的充电策略时(峰。仿真结果表明:若无

序充电,电动汽车渗透率可达延9%(50000辆);应用(迟充电策略,电动汽车渗透率可达100000辆);若应用智能充电策略,则电动汽车渗18%

透率可达文献3[汽车的电池充放电模型165%]用(20。M00atl0a0b/辆)

,S并结合所研究的居民配电

imulink平台建立了电动系统的春季和冬季负荷曲线,对不同充电策略下电动汽车对配电系统的影响进行了评估。仿真结果表明,在所研究的电动汽车渗透率水平下,将会产生新的负荷高峰;在一些情况下,配电变压器的负载水平会超过其容量。为此,提出了一些新的需求侧管理策略,如交错充电(等[,以期使配电系统sta运gg行er更ch加arg安e全)、和用户有负效荷。控文制献运行影响的详细分析框架16

]提出了一个用于评估电动汽车负荷对配电系统,主要包括确定性影响分析和随机影响分析电系统进行了分析2个方面。采用该框架对一个配,结果表明电动汽车负荷对配电系统运行的影响取决于电动汽车渗透率和电动汽车充电行为的特点。

文献[研究结果表明仅仅依靠非峰荷时段有足够的发电容

17

]研究了电动汽车对配电系统的影响。量来承担电动汽车负荷而不造成负面影响是不可能

的,且较大的电动汽车负荷会造成新的峰荷。同时,在现有的电动汽车技术下,在电动汽车渗透率超过

汽车入网0%时,

一个典型的配电系统将无法全部容纳电动。文献[模型(对2018Oa年电动汽车对kRidgec18o]

m采pVeit用riti了ivnee橡ial树Ceac岭rtori竞cit争yd电is力p

at调ch度)的影响进行了评估。对电池容量不同的电动汽车在g灢

linas电力系统傍晚和深夜开始充电分别进行了评估并加以比较。

文献[—4—

19]研究了电动汽车对葡萄牙电力系统的文献[动汽车对电力系统的影响21

]从发电、输电、配电3个层面分析了电1)影响发电充裕性,使失负荷率增加。

整个区域可能有足够的发电容量2

)对于输电网络和特定的配电线路而言。,该区域内的输电

,虽然线路或不同地区的配电线路裕度却可能不够大,无法承载大量的电动汽车负载。大部分的住宅馈电线路容量裕度有限,如果电动汽车的负荷水平较高且从傍晚开始持续充电宅馈电线路负荷越限2。~此外6h,,如果供给当地变电站就可能导致现有的住的输电线路的输电裕度不随着电动汽车负荷水平相应增长,则供给当地变电站的输电线路也同样可能出现负荷越限的情况的差异性将降低电动汽车接入对系统的负面影响3

)对配电系统而言。

,不同的家庭用户用电习惯。虽然对单个家庭而言,将所有电器的负荷简单叠加,其高峰负荷可能超过不会出现所有电器同时运行的情况10kW;

但在绝大部分情况下,因此从整个配,电系统的角度看,大量用户用电习惯的不同会降低峰荷水平。然而,若在其他电器正常使用的情况下大量接入电动汽车,由于电动汽车充电持续时间较长,且可能存在大部分家庭的电动汽车在同一时间处于充电状态的情况,整个配电系统的峰荷仍可能超出预想水平。

文献[设施的影响和对一次燃料利用率的影响22]研究了电动汽车充电对电力系统基础。仿真结果

表明,电动汽车接入将使得配电变压器的预期寿命减少电动汽车广泛接入对环境的影响93%。通过对一次燃料利用率的研究。文献[分析了汽车在美国发展的现状、障碍、发展过程中可能出现

23,

]对电动的问题及解决方案作了阐述,深入分析了电动汽车

的能源需求、电动汽车对电力系统的影响以及电力

系统应对电动汽车接入的关键技术方案,如智能电网等。其中电动汽车对电力系统的影响主要V2G和体现在如下几个方面,电动汽车充电对电力系统负

荷水平的影响;电动汽车对环境的影响;电力生产的

2·电动汽车与电网互动及其相关研究·暋赵俊华,等暋电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题

增加及减少对石油依赖的经济影响。

]文献[具体分析了电动汽车充放电对现有配24电系统运行的影响,包括造成新的需求高峰、系统电

压水平超出允许限值、电压电流波形畸变和单相运行时电压相位不平衡。研究结果表明,电动汽车的大规模发展可能导致电力系统供需失衡和电压超出允许范围,在某些运行状态下,可能导致电压、电流波形严重畸变和电压失稳。而如果将电动汽车合理地分布在三相上,则电压一般不会超出允许限值。此外,若对电动汽车充电行为进行控制并与调度中剧、电能质量恶化、网损增加等负面结果;而对电动汽车的充电进行优化调度则可以有效地减轻这些负

面影响。

1.2.2暋电动汽车放电对电力系统的影响

V2G的概念最早由Kemton和Letendre提p29]

。K出[emton随后针对电动汽车作为储能设备p

]30灢34

。的可行性与潜在效益进行了一系列的研究[

可入网电动汽车可以被当做储能装置使用。现

有的研究工作表明绝大多数电动汽车在一天中

[9][0]

。通过V,96%的时间里是被闲置的22G技术3心通信,电动汽车可以作为储能设备运行,以提供辅助服务,如参与电压/频率的控制。文献[分析大量电动汽车广泛采用对电力系统和运输系统25]构造了影响的研究框架,主要包括相互作用的两部分,即电力系统仿真和运输系统仿真。利用运输系统仿真可以找到一个表示用户行为的平衡点,然后将该平衡点作为计及配电系统约束的电力系统仿真的输入。电力系统仿真的结果将反馈到运输系统仿真中。如此循环,直至仿真过程收敛。

文献[汽车负荷对电力系统动态行为的影响26]分析了在大扰动和小扰动情况下电动。分析结果表

明:在特定运行状态下,电动汽车负载可能减少系统的阻尼变化幅度。采用小信号和时域分析在单机无穷大系统中对动态电动汽车负荷的影响进行了研究,表明系统可能出现振荡。非线性仿真结果可以通过小信号分析在一定程度上得到验证文献[括电动汽车的燃油消耗27]简要回顾了现有的电动汽车研究。

、成本与排放,电动汽车与发

,包电充裕性,V2G及电动汽车对配电系统的影响,还介绍了一种电动汽车配电线路影响模型,其可以估计电动汽车对中低压配电系统的变压器和地下电缆的影响。文章还给出了该模型的具体细节和在佛蒙特州配电网的应用结果。电动汽车作为一种不同于常规负荷的新型设备接入电力系统后,新的需求高峰、配电线路的最大负荷、电力市场价格以及由电动汽车充电所带来的谐波问题和无功问题等可能对系统产生很大的影响。

文献[统稳定性的影响28

]研究了电动汽车大规模接入对配电系。结果表明,电动汽车的接入使电力系统对扰动更加敏感,受到干扰后的系统稳定水平降低。通过奈奎斯特准则研究发现,没有电动汽车负荷时系统稳定水平较高,较能抵抗各种物理扰动。这主要是由于电动汽车充电器的特殊负荷特性,即产生电流谐波和需要较多无功支持的缘故。

上述文献得到的一个共同结论是,电动汽车的无序充电行为将导致系统安全性降低、网络阻塞加

这些闲置的电动汽车可以在用电高峰期将电能反馈

回电力系统中。电动汽车也可以在可再生能源机组不能发电时作为系统备用,从而减轻可再生能源的间歇性对电力系统运行的影响。因此,深入研究电动汽车放电的调度与控制方法,对降低电动汽车接入的负面效应和充分利用电动汽车的储能功能具有重要意义。目前,关于电动汽车与电网互动的研究在国内外还相当初步。

文献[力潜力。以美国为例32]计算了部分发达国家的,若将其国内保有机动车总数V2G有功出的的1水平的V02%更换为电动汽车并接入电力系统,则全美国G功率将达到V68%。286.5GW英国,、约为其全国总负荷意大利等国家,其[2G功率甚至而可能在超德过国全、国总负荷水平。从文献大潜力32

]的结果中可以看出电动汽车作为储能设备的巨。汽车储能功能的广泛关注Kemp

ton的研究引起了学术界对于电动。目前,一些学者已经提

出和分析了利用电动汽车作为储能设备的各种设

想,如利用电动汽车作为峰荷电源[35灢36]和旋转备用[34,40灢41

可再生能源的间歇性,利[3用0,32电、调频[

34,37灢39]],42

动]汽车的储能功能平抑

压控制[43]

等。

,利用电动汽车进行电现有的研究一般都把电动汽车作为恒定功率负荷或利用电动汽车储能特性把其聚合成分布式电源,进而为电力系统提供调频和旋转备用等支持作用。

1.3暋电动汽车对电力系统影响分析小结

电动汽车是配电系统中随时间和空间而变化的负荷。这样,在空间上需要考虑用户的行驶习惯,而在时间上,则需要考虑用户的充电习惯。对每一辆电动汽车都进行仔细模拟并不现实,尤其是在大量电动汽车广泛应用之后。这样,电动汽车的集群效应就是一个值得研究的重要问题。负荷的多样性以及它们之间的交互作用意味着电动汽车对电力系统的影响涉及发电、输电和配电多个层面。在存在电力零售市场或用户侧采用分时电价时,也有必要

—5—

()2011,3514

暋

对用户的行为进行分析。

电动汽车对电力系统的影响范围与程度需要具体问题具体分析,不能一概而论。虽然可以采用统一的数学模型和方法来分析这种影响,但是必须考虑所研究的电力系统的实际情况和电动汽车渗透的范围与程度。

暋暋目前的研究重点在于与电动汽车充电/换电有关的问题。至于在电动汽车电池向电力系统反向送电方面虽然已经有些理论研究工作,但总体上仍然相当初步,要真正实施,则必须要有电力市场机制]献[研究了包括电动汽车在内的负荷侧控制问51题,提出了负荷侧控制的基本框架。文献[研究52]了利用电动汽车平抑可再生能源机组出力间歇性的问题,并首次研究了通信网络延迟对于电动汽车控制的影响。

3暋电动汽车广泛接入对电力系统的经济价值评估

到目前为止,就大量电动汽车广泛接入电力系统后对电力系统安全性的影响国内外已经作了比较相配合。

暋电动汽车的调度与控制研究现状

现有研究表明,电动汽车接入对于电力系统的

影响是复杂的。学术界已经普遍意识到,有效的调度与控制方法是降低电动汽车负面影响、发挥其储能作用的关键。已经有了一些针对电动汽车调度与控制问题的研究报道题,文献[移为目标的电动汽车最优充电策略模型9

]建立了以最小化配电系统网损和电压偏。针对电动汽车充放电调度问

。模型中计及了负荷预测的不确定性和潮流约束,但仅研究了电动汽车的放电策略,而没有考虑电动汽车的功能。文献[汽车调度方法44

,]V2G

通过选择电价较低的时段充电和向提出了一种电力市场环境下的电动系统提供调频备用以最小化电动汽车的总充电本。文献[电动汽车最优调度方法45

]建立了一个以丹麦电力市场为背景的成

,其目标是最小化包括充电成本、燃油成本、电池折旧成本在内的大量电动汽车

的总运行成本。文献[电行为的概率潮流问题46

。]研究了计及电动汽车充放文献[汽车充放电行为的机组组合模型47

,]优化目标是系统

构建了计及电动的运行成本和碳排放成本最小。文献[及电动汽车、可调度负荷及自治微网的需求侧备用

48

]提出了计调度方法。文献[动汽车充放电行为的统计特性49

]采用基于仿真的方法研究了电,构建了计及电动汽车和风能机组不确定性的经济调度模型,通过解析推导将随机问题转化为确定性问题,并应用内点法求解。

在电动汽车的充放电控制方面也有一些研究报

道。文献[汽车的控制策略37

]基于经典最优控制理论求解单个电动,通过控制电动汽车参与调频以实

现其经济效益最大化。文献[车实现负荷频率控制,提出了基于模型预测控制的

38

]研究了利用电动汽电动汽车控制方法。文献[制求解电动汽车的控制策略50

,]并假设电动汽车可以

同样基于经典最优控同时参与电力现货市场和辅助服务市场。文献[提出了一种利用电动汽车进行无功控制的方法。43

文]—6—

多的研究,但对电力系统运行和规划的经济价值评估方面的研究报道则相对较少,尽管已经引起了比较广泛的关注。这种经济价值主要体现在以下几个方面。

削峰作用1

)合理的电动汽车充放电管理所起到的填谷和,即通过拉平负荷曲线,可以少开机组以节约发电成本和推迟对承担高峰负荷的发电机组的投资。

和旋转备用2)大量电动汽车电池所储备的电能可用于调频源(如风能和太阳能发电3)大量电动汽车合理的充放电管理与间歇性电,提高供电可靠性。)的协调互补作用,可以增强电力系统接纳间歇性电源的能力,进而提高系统运行的经济性。换言之,电力系统接纳风能和太阳能等间歇性清洁电源的能力有限,电动汽车的广泛应用则有助于提高这种能力。对于前2方面,已经有些文献作过初步研究工作,而对于第3方面,虽然有少数文献提及过这一问题,但没有开展系统的研究。澳大利亚国家基金会最近开始资助这方面的研究工作。

到目前为止,还不存在严格的分析工具来评估针对不同间歇性可再生电源(风能和太阳能等)组合与渗透率情况下,不同的电动汽车分布与渗透率对电力系统的经济价值,这种经济价值主要是电力系统运行和投资成本的潜在节约。需要建立评估经济价值的综合数学模型,并研究适当的充放电管理策略,以最大化电动汽车对电力系统规划和运行的经济价值。此外,在分析电动汽车对电力系统运行和规划的经济性的影响时,需要考虑所研究的配电系统的具体特征、相关的电力市场模式和监管。在电力市场环境下,电动汽车对电力系统经济性的影响尤其值得关注。

此外,电动汽车在减少温室气体排放方面的价值也是一个值得研究的重要问题,这在很大程度上取决于提供电动汽车充电的发电类型的组合情况,即火电、水电、风电和太阳能的具体组合。发电组合

2·电动汽车与电网互动及其相关研究·暋赵俊华,等暋电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题

情况在一天中一般会有典型的变化模式。研究工作可以从下述3个层次开展:

)基于家庭充电和商业设施充电的电动汽车集1

成研究。着重研究在典型的家庭、多个商业充电点或专门的电池充/换电站情形下的电动汽车充放电对电力系统的经济价值。

)在配电系统特定位置电动汽车广泛渗透情况2的研究。开发出能够评估在配电系统的特定位置有大量电动汽车在馈线到变电站层次接入时对电力系统经济性影响的工具。研究时要考虑民用为主和商的核心思想是将电力系统根据电压等级分成2层或

更多层,然后再将表示配电系统的层次按照地域进一步分解为若干区域。对每一个区域,由配电系统

53]调度机构或第三方电动汽车代理[负责区域内的电动汽车的协调调度。配电系统调度机构或电动汽

车代理将作为一个单一实体参与输电系统调度机构的调度过程,输电系统调度机构不再关心每辆电动汽车的具体充放电策略。采用这一办法,电动汽车调度问题就分解成为了输电系统调度问题和若干区域调度问题。其中,输电系统调度问题在问题的性用为主接入电力系统后对电力批发市场和配电侧零售市场3)2系统水平研究种情况,因为这。重点研究大量电动汽车广泛2种情况有明显的不同。

的影响。

针对每个层次1

2),可以研究3种场景:充放电优化管理3

)自由的、不加以管理的电动汽车充放电。)优化管理的电动汽车充放电智能电网和可再生能源利用环境下电动汽车。。

暋电动汽车调度与控制问题的研究思路

.1暋电动汽车的分层分区调度

电动汽车的调度与控制问题是相互关联的。电动汽车调度主要确定在一个相对较长的时段内(如未来调度的主要目的是通过协调大量电动汽车的充放电24h)电动汽车的最优充放电策略。电动汽车行为以实现如减少总充电成本、降低网损、削峰填谷、平抑可再生能源间歇性等系统运行目标。在电动汽车的调度方案确定以后,电动汽车控制问题则主要解决在电力系统受到扰动时,如何通过改变部分电动汽车的运行状态以保证系统的稳定运行。基于上述考虑,可以将电动汽车的调度与控制问题作为一个整体进行研究。

大部分现有文献对电动汽车调度问题采取的是由输电系统调度机构进行直接调度的模式。但考虑到未来系统(中保化问题中出现可达数百万辆“)

维数灾,有集中调度模式就会导致在相应优电动汽车的数量可能非常庞大暠问题。另外,集中调度要求调度机构与每辆电动汽车之间都存在通信信道,以便于采集状态信息和发送调度指令。这对通信网络的可靠性和带宽提出了极高的要求。由此可知,尽管在理论上集中调度模式有利于获得调度问题的全局最优解,但在现有技术条件下,这种做法在大规模电力系统中实施有很大的困难。

比较现实的解决办法是采取分层分区法[

。分层分区模式如图调度方

51

]1所示。分层分区调度质和规模上和传统的电力系统调度问题差别不大,因此可以应用现有方法求解。而研究重点则可以放在配电系统内各区域的电动汽车最优调度问题上。

Fi图g.11暋暋电动汽车调度问题的分层分区模式

Ahieraerlcehcitcrailcsvcehheicmlees

fordispatching

.2暋电动汽车调度问题的优化算法

针对配电系统内单个区域的调度问题,虽然电动汽车的数量已经大大减少了,但仍可能达到数千乃至数万辆的水平。因此,对于现有文献中应用的一些经典优化方法如动态规划法,区域电动汽车调度问题的维数仍然太高了。另外,由于在电动汽车调度问题中可能还需要考虑如车主的驾驶行为、分布式电源(如风能和太阳能)出力等不确定性因素,因此电动汽车调度问题的优化目标一般具有非线性、非凸的特点,这使得广泛应用于传统电力系统调度的优化算法如内点法不具有全局收敛性。因此,针对电动汽车调度问题维数高、非线性、非凸等特点,研究更为有效的全局优化算法就是一个亟待解决的问题。

视特定电动汽车调度问题的性质,可以考虑应用2类全局优化算法求解。对于目标函数和约束条

件连续可导的情况,可以应用函数调整优化法如

old灢

Price算法[54]

求解。其核心思想是从解空间—7—

444G()2011,3514

暋

的任意一点出发,首先利用一种有效的局部优化算

法(如内点法)搜索局部最优解。在得到一个局部最优解后,利用原目标函数的一个辅助函数来搜索一个过渡点,并以这个过渡点为起点继续搜索下一个局部最优解,直至无法找到新的过渡点为止。由于可以利用传统数学规划方法的局部优化能力,上述方法具有很快的计算速度,适用于大规模系统。若调度问题的目标函数和约束条件不连续不可导,则可以考虑结合分布式计算技术(如网格计算)和启发式搜索算法如粒子群优化或微分进化算法求预先算出的替代控制信号进行控制。网络化控制是

控制领域近年来的研究热点,有很多成果可以直接应用到电动汽车的控制问题之中。

5暋结语

电动汽车近年来的快速发展有着明显的技术、经济、环境和背景,其广泛应用会引发现代交通业的性变革,对电力工业未来的发展也会产生深远影响。

大量电动汽车广泛应用后对电力系统尤其是配解。目前已经存在多种开源的网格计算平台例如lobus平台等。这些开源平台可以实现如计算负荷分配、数据存储管理等网格计算平台的基础功能。因此,研究重点可以放在攻克启发式算法本身的并行化问题上。

.3暋电动汽车的最优充放电控制

与电动汽车调度问题类似,电动汽车的充放电控制问题也可以采用分层分区模式加以解决,这有利于避免庞大数量的电动汽车所带来的维数灾问题。在分层分区模式下,一般由配电系统调度机构或电动汽车代理代表某一区域内的电动汽车参与整个电力系统控制过程。以调频控制为例,局部配电系统在控制过程中可以被视为一个“虚拟发电厂暠。自动发电控制系统将首先决定该配电系统的总体控制策略。配电系统调度机构在收到自动发电控制系统的控制信号后,将在此基础上进一步决定每辆电动汽车的具体控制策略。传统的电力系统调频和调压控制已经得到了较为充分的研究。因此,未来的研究重点可以集中在配电系统调度机构或电动汽车代理在接收到控制信号之后,如何决定每辆电动汽车的具体控制策略方面。

电动汽车控制系统和调度机构之间必须依赖通信网络交换控制信号和系统信息。从这个意义上,大规模电动汽车控制问题是一个典型的网络化控制问题。在通信网络传递信息的过程中,可能出现非常明显的信息延迟和丢失现象。信息延迟是指从传感器采集数据到控制信号到达执行器之间的延时,

一般包括通信延迟和计算延迟两部分[55

]感设备和通信网络的故障,以及通信网络阻塞等现

。另外,传

象,可能造成信息丢失。控制领域的研究表明,信息

延迟和丢失对控制系统性能有非常显著的影响,严重时甚至可能导致控制系统的失稳和崩溃。因此,在电动汽车的网络化控制问题中,必须显式计及信息延迟与丢失的影响。解决信息延迟与丢失问题的

一个有效途径是信息延迟与丢失补偿[

55灢56]

生信息延迟或丢失现象时,采用根据某种补偿算法,即在发—8—

电系统的影响范围与程度需要具体问题具体分析,不能一概而论。虽然可以采用统一的数学模型和方法来分析这种影响,但是必须考虑所研究的电力系统的实际情况以及电动汽车渗透的范围与程度。大量电动汽车的无序充放电可能给电力系统的安全与可靠运行带来严重的挑战,而对电动汽车进行智能化的充放电管理即采用有效的调度与控制方法则有可能明显改善整个电力系统运行的经济性与安全性。

(系统接纳间歇性电源的能力如风电和太阳能大量电动汽车)智的协调互能充放电,补管进而提高系统运行的作理用与能间够歇增性强电电源力经济性。这个问题尚需要系统的定量研究。

电动汽车的最优调度与控制是一个值得研究的重要问题,这个问题解决的好坏从根本上决定了能否减弱或避免电动汽车对电力系统可能带来的负面影响和能否充分发挥其正面作用。

国内目前的研究重点在于与电动汽车充电/换电有关的问题,至于在电动汽车电池向电力系统反向送电方面虽然已经有些理论研究工作,但总体上仍然相当初步,要真正实施,则必须要有适当的电力市场机制相配合。

感谢研究生张晨曦、王辉、文丽、叶夏明、张勇、刘伟佳、王宏等同学在本文行文过程中协助查询和整理资料,同时感谢澳大利亚国家基金会提供的资助和新南威尔士大学提供的很好的研究环境。

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DisatchinndControlProblempga

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3敭JianxiElectricPowerResearchInstitute敩Nanchan30006敩China敥gg3

vehicles敤EVsrefirstclarified敩followedbeviewoftheimactsoftheextensiveinterationofnumerousEVsonthe敥ayarpgsuestionsaremadeaboutresearchworkintheevaluationoftheeconomicimactsofEVsonthepowersstem敩theggpydisatchinroblemandtheotimizationalorithmassociated敩aswellasthecharinnddischarinontrolroblem敭pgppgggaggcpComan敭py

owersstemconcerned敭TheavailabledisatchinndcontrolmethodsrelevantwithEVsarenextclarified敭Then敩pypga

ThisworkisjointluortedbesearchFundfortheDoctoralProramofHiherEducationofChina敤No敭ysppyRgg

200805610020thePostdoctoralScienceFoundationofChina敤No敭20100481406ndaproectfromJianxiPower敥敩敥敩ajgKeords敽electricvehicles敾owersstems敾securit敾economics敾otimaldisatchin敾charinnddischarinontrolpyyppgggaggcyw

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