电动汽车充电行为对电网经济调度的影响研究（可编辑）

1、电动汽车充电行为对电网经济调度的影响研究 学校代码:国内图书分类号:.密级:公开国际图书分类号:.专业硕士学位论文电动汽车充电行为对电网经济调度的影响研究王瑞军硕士研究生:导 : 董华英副教授企业导师: 杨海高级工程师工程硕士申请学位:专业领域: 电气工程培养方式: 在职电气与电子工程学院所在学院:年月答辩日期:授予学位单位: 华北电力大学 :.:.:. :., ?:华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文电动汽车充电行为对电网经济调度的影响研究,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包

2、含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名:日期:奶年/月帅%喈早华北电力大学硕士学位论文使用授权书电动汽车充电行为对电网经济调度的影响研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部

3、分内容。本学位论文属于请在以上相应方框内打“”:保密口,在 年解密后适用本授权书不保密因/作者签名: 日期:厶,;年/月/日%嘶缘/日期:弦年月房日导师签名:锗襞华北电力大学专业硕士学位论文摘要近些年来,随着电动汽车在电力系统中的大量接入,其充电行为对电网将产生直接影响,影响系统的负荷分布情况,从而影响电网的电能质量及经济调度。加之,一般电动汽车在一天内除上下班时间外,基本不使用,可利用电动汽车的充电电池进行削峰填谷,从而平滑负荷曲线,提高电力系统经济调度的经济性。本文在详细分析电动汽车充放电行为基础上,建立了相对于电网的电动汽车充放电模型,并将之引入到常规的经济调度模型中,最后采用计算效率极

4、高的现代内点算法加以求解。典型算例的计算结果表明,本文所提出的模型和方法可行、有效,电动汽车的削峰填谷作用能够有效减少系统购电成本或发电成本。关键诃:电网经济调度 电动汽车反向放电能力华北电力大学专业硕士学位论文, ., ,. , . , .:;妒; ;华北电力大学专业硕士学位论文目录摘要.?.目录?.第章绪论?.引言.经济调度研究现状?.电力系统经济调度问题?.考虑电动汽车接入的电力系统经济调度?.本文主要研究内容?第章电动汽车接入对电网的影响.引言.电网运行难度增加?.对电能质量的影响.对配电网的影响?.对电网经济调度的影响?.本章小结.第章含电动汽车的电力系统经济调度模型.引言?.电动汽

5、车充电特点.含电动汽车的电力系统经济调度?.电力系统动态经济调度模型?.考虑电动汽车接入的经济调度模型.本章小结.华北电力大学专业硕士学位论文第章现代内点算法及其应用?.引言?.现代内点理论.基于扰动条件的原始一对偶内点法?.含电动汽车的电力系统经济调度求解?.本章小结.第章仿真与分析.引言?.测试算例.仿真结果分析.电动汽车不接入电网?.电动汽车自动无序充电模式?.考虑电动汽车削峰填谷的优化调度.本章小结.第章结论与展望.结论?.存在的问题及展望.参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果?.致谢作者简介华北电力大学专业硕士学位论文第章绪论.引言由于全球范围内化石能源的不断减少,石油、天然

6、气等化石燃料日益枯竭,加之人类社会的环境保护意识的日益加强。年底,我国北方大部分地区爆发了大规模的“雾霭”,让我们更清醒的认识了环境污染的严重程度。环境污染气体的排放来源中,汽车显然是非常重要的一个部分。目前,传统汽车的替代工具?电动汽车,日益引起全世界的高度关注,显然各国政府均认为电动汽车的发展是降低污染气体排放量,解决环境污染问题的有效途径之一。随着电动汽车所获得的支持力度的不断加大,电动汽车的市场占有份额将逐步提高。美国计划将在年,全国电动汽车拥有及使用量达到万辆,且到年将达到万辆“。我国也开始发布一系列政策、法规以给予电动汽车强有力的政策支持,年月日,国务院办公厅发布了汽车产业调整和振

7、兴规划。其中明确提出,我国纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新能源汽车,将在?年期间达到万辆的产能,保证新能源汽车销量占汽车总销售量的超过%。年又发布了节能与新能源汽车产业发展规划年至年,其设定了我国电动汽车的年总体目标?新能源汽车拥有、使用量达到万辆,且以混合动力汽车为代表的节能汽车产销量也将达到万辆。我国的电动汽车产业的规模将位居世界前列。不久的将来,在配电网负荷端将会有大量的电动汽车充电负荷入网,这必将会对电网的物理特性造成巨大影响,如何优化电动汽车充电模式,提高电网与电动汽车的综合使用效率,将是目前急需探讨和解决的问题之一。截止目前,在科研层面国内外已对电动汽车及其接入电网进行了

8、大量的工作。文献研究了电动汽车的核心动力?电池的储存能力,对比了不同类型汽车的电池储电水平和充电特点,分析了电动汽车的电力需求情况。文献则从利于电网的角度出发,华北电力大学专业硕士学位论文曼曼量曼曼曼皇?.曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼研究了混合动力电动汽车入网后,降低电网成本、减小二氧化碳排放量、提高经济效益的巨大作用。考虑到电动汽车的随机性,文献重点研究了混合动力电动汽车接入电网后的可靠性指标的问题。对电动汽车充电模式和充电时间的特点的分析可参考文献嘲。电动汽车的大规模接入电网,由于其充电行为具备无序性、随机性,将会对电力系统的安全与稳定

9、运行带了巨大影响。为了解决这一问题,协调输电网与配电网运行,保证电力系统综合效益最大化,优化电动汽车充电行为,让其优化、有序的充电是唯一途径。随着智能电网基础设施电动汽车充电站、与其充放电相关的通信设施与技术等的建设,对电动汽车实现优化调度、使其有序充电将逐步具备实现途径。有效的利用大规模电动汽车作为主动负荷时,所具备的响应快、备用成本低等优点,缓解大规模电动汽车接入电网非受控充电给电网带来不利的影响,消峰平谷,优化负荷曲线,有利于电网的运行。.经济调度研究现状.电力系统经济调度问题电力系统经济调度问题是电力系统科研领域非常重要的研究课题之一。为了保证电力系统维持安全、可靠、经济的运行,经济调

10、度问题的顺利解决在此发挥着极为重要的作用。经济调度问题指的是,在满足电力系统负荷需求情况下,已知各台发电机组的发电安排前提下,将系统负荷合理地分配给各发电机组,从而保证系统总的燃料耗量或发电成本最小,总经济效益最高【】。随着电子计算机技术在近年来的长足发展,以及众多优秀的数学规划方法和算法的出现,电力科研工作者在电力系统经济调度问题的模型建立,以及问题求解方面取得了丰硕的成果。但也需要看到的是,大区域电网的互联、新能源电厂风力发电、太阳能发电等并网等问题的不断延伸,如何在现有的优秀研究成果基础上,建立更为全面、客观的电力系统经济调度模型,并提出更为计算性能卓越的优化算法来加以求解,成为目前当前

11、电力系统领域的一大研究热点】。华北电力大学专业硕士学位论文电力系统经济调度问题最早是在年被提出,自此以后,伴随着电力系统科研及应用的发展,其问题的模型本身基本形式、优化目标、限制约束等因素都在发生着变化,都不断有新的内容被考虑进去:世纪年代法国学者叫就在电力系统经济调度问题的基础上,在经济调度问题的约束条件中增加了若干约束条件,如系统的节点电压约束、线路的功率约束等系统安全稳定约束,从而将系统的网架和潮流信息成功的与经济调度问题进行了联。经过这些立,也就形成了最初的电力系统最优潮流问题, 年的发展,最优潮流问题还衍生为不同的问题变形,含暂态稳定约束的最优潮流问题、考虑电压稳定约束的最优潮流问题

12、、小干扰稳定最优潮流问题等等一系列更为严格、细致的优化模型被建立出来。虽然说,从考虑系统安全稳定运行角度考虑,经济调度还无法与最优潮流相提并论,但其计算速度、方法的便捷及实用性上的优势却是最优潮流所无法相比的。正因为此,经济调度至今依然是电力系统调度领域所无法取代的核心模块之【。如果在电力系统静态经济调度问题中考虑时间断面的耦合关系,比如机组的爬坡约束等,就形成了电力系统动态经济调度问题【】。如果要实现电力市场、大区域电网的联合调度,需要根据实时的电价信息、负荷的随机性需求等进行优化调度,这不得不使电力系统动态经济调度的应用范围越发广泛【】。目前,电力系统已从传统的单一火电系统,逐步演变为水、

13、火协调的系统,正即将转变为水电、火电、核能、风电、太阳能发电等多种电源同步运行的复杂混合系统【。所以,对此混合系统的模型建立,安全运行的仿真计算,也成为电力系统经济调度问题下新的研究热点。将抽水蓄能电厂的抽水工况用一组离散变量来描述,范天明等人建立起满足区域约束的含抽水蓄能电厂的多区域电网日经济调度模型】。罗予如等则对有抽水蓄能电站参与的水火电网短期日经济运行进行了更为细致的探讨,提出了以电力系统煤耗成本为优化准则,建立了抽水蓄能电站参与的电力系统短期日经济调度模型】。考虑到风电华北电力大学专业硕士学位论文新能源的逐渐并网,文献针对风力随机变换的特性,建立了考虑风电场随机出力的多时段电力系统动

14、态最优潮流模型。. 等更进一步,提出了含有多种电源的复杂混合系统的经济调度模型,模型中不仅包含传统的水、火电机组,还增加了分布式发电机组,同时考虑电力系统的控制,旋转备用需求,发电机储运损耗以及随机变化的发电机组费用等内容。年,文献探讨了一种光伏/燃料电池联合发电系统,并建立了系统各元件的数学模型和系统成本模型。在可以预见的将来,电源侧的清洁化越来越为社会和人类所关注,清洁、可再生的新能源必将成为电力系统电源侧的发电主体,为了更好地促进电力系统的发展,针对多种发电形式的混合系统展开研究将是顺应所需。随着全球变暖的日益加剧,全世界范围内的社会和人类对于温室气体、污染气体的排放的反对之声日渐,将环

15、境约束纳入到电力系统经济调度问题的考虑范围已成大势所趋。年,陈功贵等在经济调度问题中考虑了环境保护因素,建立了以污染气体排放量最小和发电成本最小双重、目标的多目标优化调度模型,形成了所谓的环境经济模型,然后通过改进的平均价格罚因子,将此多目标优化问题转化为单目标优化问题加以求解。之后不久,喻洁等提出一种新的分区设置多目标权系数的方案,以便于求解双目标优化问题,即根据各分区内的网络参数、发电成本、污染排放等具体情况,计算出各指标的权系数。建立了电力系统经济调度问题的模型之后,如何快速有效的求解是必需解决的。优化理论和电子计算机技术是电力系统经济调度问题求解的基础。目前,电力系统、计算机技术的发展

16、以及优化算法、理论研究的不断深入,应用于经济调度问题求解的数学方法也历经了如下发展历程】:等微增率法。这种方法是最早用于求解经济调度问题的算法,曾在电力系统优化调度中发挥着非常重要的作用。目前,其对于纯火电系统或小系统经济调度问题的求解还保持着较为优秀的求解能力。线性规划法。线性规划是数学规划领域发展最为完善的静态优化方法,其目标华北电力大学专业侦士字位论艾函数及约束条件中仅含有线性函数,模型比较简单,用于分析线性约束条件下线性目标函数的优化问题。该方法的求解技术已经趋于成熟,处理方便,但是实际的系统中,大部分问题的模型中都包含非线性函数形式的约束条件或者目标函数,所以在工程应用时,时常需要进

17、行线性化处理,这样很大程度的降低了问题描述的精度。网络流规划法。其最初是通过图论技术求晟短路径的逻辑算法中演化而来,其基本思想是为了寻找从某一起点到终点费用最小的路径,从而确定目标值最小化的优化问题解。但是网络流法在寻找最优解的过程中,必需经过反复的计算,这也造成了其在实际应用中,无法满足计算效率的应用需求。动态规划法。动态规划一般用于解决多阶段决策过程最优化的问题,其基本思路是将多阶段决策过程转化为一系列相关联的单阶段问题。其在问题的目标函数和约束条件上没有太过严格要求,但其存在的问题是:若划分状态的步长小,系统状态变量的个数维数将会急剧增加,从而出现“维数灾”问题;动态规划法没有标准的模型

18、和算法,一般都是需要根据具体问题来确定求解的方法。分解协调算法。基本思想是:首先,将一个复杂系统分解为两层或两层以上的子系统,然后通过各子系统上设置的协调器协调各子系统的相关参数,不断求解优化。这种方法在迭代求解过程中,有可能出现振荡或奇异现象,而且随着问题规模的增大,其求解的复杂程度和难度也更大。近年来,拉格朗日松弛法的应用出现的比较多。非线性优化法。通过包含非线性目标函数和非线性约束条件的非线性模型,来描述一些电力系统实际问题,从而更为准确地反映变量间的映射关系。非线性优化方法的求解基本思路是:通过惩罚系数将约束条件耦合到目标函数中,将约束优化问题转化为了无约束优化问题,或者采用可行方向法

19、来直接求解约束优化问题。目前如梯度法、变尺度法、罚函数法等算法都被成功的应用于非线性规划的求解中来,尤其是隶属于罚函数法的现代内点算法,更是目前发展较为成熟的算法,其具备着收敛性好,鲁棒性强,计算效率高等卓越的求解性能,为电力系统优化调度问题的求解和实际应用提供了可能。华北电力大学专业硕士学位论文智能算法。随着电力系统规模的不断增大,依赖于精确的数学模型的经典优化算法逐渐难以在线实时的计算许多系统优化问题。现代优化算法一智能算法则为电力系统优化发电调度计划问题的求解另辟蹊径,同时也掀起了智能算法研究的热潮。新型的智能优化算法包括:遗传算法、进化规划、模拟退火、蚁群算法、粒子群算法、混沌优化、进

20、化策略、人工神经网络等。但是这些智能算法也存在着不足之处,比如蚁群算法容易出现“早熟”的现象,从而陷入局部最优解;遗传算法、人工神经网络对初始点的选取比较敏感,如果初始点选择不当会直接影响计算结果等。.考虑电动汽车接入的电力系统经济调度根据一些政府、事业等相关部门对汽车行驶行为模式的研究表明,在一天中的大部分时间内都是空闲的,大多数汽车平均每天智能行驶约小时,那么一年中就有%左右的时间处于停驶状态。那么许多科研人员开始设想,如果在负荷高峰时段能够将停驶的电动汽车的车载电池剩余电能回馈给电网,就能够起到对电网削峰填谷、优化负荷曲线的作用。近年来,随着蓄电池技术的突破,以及与电动汽车相关的一系列充

21、电设施的建设,包括智能电网的信息化载体等通讯技术的发展,电动汽车的拥有量和使用量必将越来越多,并且最终作为分布式移动储能设备成为智能电网的一部分。通过智能用电网络和电动汽车充一放电基础设施,大规模电动汽车可与能量管理系统直接通信并受其控制,实现电动汽车与电网之间的能量双向转换。国内外众多科研人员开始对大规模电动汽车并网电网展开了大量前瞻性的研究。文献?考虑电动汽车在停驶时,通过一定的连接装置,当系统处于负荷高峰期时,电动汽车将电池存储的电能回送电网,从而保证电力系统的稳定运行。这种模型被定义为,。文献从发输电侧的风电与配电侧的电动汽车的互补性角度出发,建立了考虑电动汽车入网和风电机组随机性的随

22、机经济调度模型。文献分析了与电动汽车功率需求相关的各种因素,建立了统计模型,认为应协调电动汽车的充一放电时间,否则可能会影响电网的稳定运行。华北电力大学专业硕士学位论文文献提出了新的模型,而文献则从电力市场角度分析了电动汽车提供辅助服务的可能性。文献提出了电动汽车电池作为分布式电源接入电网的框架和结构,对负荷高峰和低谷两个区间的负荷调节提出了较实用的方法。文献总结了国内外电动汽车的发展现状及趋势,重点探讨了我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式。.本文主要研究内容本文在详细分析电动汽车充放电行为基础上,建立了相对于电网的电动汽车充放电模型,并将之引入到常规的经济调度模型中,最后采用计算效率极高

23、的现代内点算法加以求解。通过若干典型算例的计算结果表明,本文所提出的模型和方法的可行性和有效性,电动汽车削峰填谷的能力得到了很好的利用,能够有效减少系统购电成本或发电成本。具体内容安排如下:第章绪论首先论述了选题背景及研究意义,接着详细介绍了电力系统经济调度问题的发展和研究现状,以及含电动汽车的电力系统经济调度问题的发展现状,最后提出本文的主要内容。第章电动汽车接入对电网的影响本章主要介绍电动汽车接入电网后对电网的影响,包括对电网电能质量、配电网的及电网经济调度的影响。第章含电动汽车的电力系统经济调度模型本章首先介绍了电动汽车充电负荷的充电特点,及其对电网的影响,我国经济调度问题的研究现状,详

24、细分析电动汽车充放电行为基础上,建立了相对于电网的电动汽车充放电模型,并将之引入到常规的经济调度模型中。第章现代内点算法及其应用本章首先概述了现代内点理论的产生、发展、研究现状、分类以及在电力系统优化华北电力大学专业硕士学位论文问题中的应用,然后详细介绍了基于扰动条件的原始.对偶内点法求解标准非线性规划问题的具体步骤。第章仿真与分析本章通过一个典型纯火电小系统计算结果分析,验证了本课题方法的有效性和可行性。第章总结与展望总结本文所做的工作以及存在的问题,最后,对有待进一步分析、研究的问题进行展望。华北电力大学专业硕士学位论文第章电动汽车接入对电网的影响.引言目前,随着石油、天然气等化石燃料逐渐

25、枯竭,能源问题日益加剧,加之全球环境问题的严重化,人类社会的环保意识不断增强,如何达到能源与环境的有效平衡是目前需要解决的当务之急。电动汽车的推广和研究在此背景下被提上了日程。电能是被认为是完全清洁的二次能源,这让电动汽车这种零污染的交通工具在发明之初就引起了极大关注。国内外很多专家都将研究的目光转向了电动汽车的研究。对未来电网的理想设想是,电源侧大量接入风电、太阳能发电等新能源发电,设置便捷的汽车充电站,为电动汽车的推广创造条件。然而,电动汽车由于其负荷特性的独特特点,其大量并网后,必将在电网的配电层、输电层产生较大影响。比如,电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性,使得电动汽车

26、充电负荷具有较大的随机性,这将加大电网运行优化控制难度的增加。电动汽车充电负荷属于非线性负荷,所使用的电力电子设备将产生一定的谐波,有可能引起电能质量问题。在配电网中增加众多充电设施以及大量电动汽车充电,将改变配电网负荷结构和特性,传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车大规模接入的情景,对配电网规划提出新的要求。.电网运行难度增加电动汽车对电网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。电动汽车的大量接入,其采用无序充放电时,肯定给电力系统的安全与可靠运行带来严重的挑战

27、。电动汽车的负荷特性具有独特特点,是随时问和空间而变化的负荷。空华北电力大学专业硕士学位论文问上,需要考虑到用户的使用习惯;而时间上,则还需要考虑用户的充电行为特点。同时,在大量电动汽车广泛应用之后,电动汽车的集群效应也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,也有必要对用户的行为进行分析。目前,对于我国的大多数省、市地区来说,电力市场的应用规模还远远不够,分时电价的机制还没有实现,对于电动汽车的用户和消费者很难产生有效的引导,很难让众多电动汽车用户都保证在非高峰时段充电,如

28、果大量的电动汽车采用随机、无序的充电模式。用户额可以在任意时段并网进行充电,会根据自己的日常生活习惯,在上班到达工作地点和下班回到家停车时,就习惯性的将电动汽车接入电网进行充电,所以一天中药经历两次充电过程。这必将会给电力系统带来巨大冲击,不仅无法削峰填谷,还有可能会出现“峰上加峰”的情况。显然,这对电力系统的稳定和经济运行是不利的。而且随着目前国家对电动汽车的鼓励和政策倾斜,电动汽车的拥有量和使用量会不断增多,如此电动汽车规模的不断扩大,对充电设施的要求提高的同时,对电力系统的发电容量的需要也会更高,那么电力系统在规划考虑时所要考虑的规模也就越大。由于电动汽车负荷的随机特点和不确定性,往往很

29、难捕获电动汽车的负荷需求,这让电网调度部门在安排调度计划时,对负荷的准确性无法确切把握,造成调度运行控制困难的情况发生。电动汽车的负荷分布一般集中在城市的中心地带,电动汽车大量接入后,现有的负荷分布情况都会发生变化,电网运行和控制的难度必将增大。.对电能质量的影响电动汽车与电网的连接是通过电动汽车充电站。一般来说,一个充电站中含有许多充电桩,充电桩与公共电网连接之间需要配备变压器。充电站中多台充电桩同时工作时,多台充电桩输入电流之和是供电网输入充电站的总电流。当充电桩输出功率发生变化时,输入电流的某次谐波的幅值和相角都将发生变化。也就是说,同时工作的几台充电桩,当输出功率不同时,各自产生的同次

30、谐波会发生相互抵消的现象,尤其是对于高次华北电力大学专业硕士学位论文谐波,从而使得充电站的各次电流谐波小于所有充电桩的电流谐波之和。电动汽车充电站谐波特点如下:、次为主要谐波次数,其中含有率最大是次谐波电流,次之的是次谐波电流。当多台充电桩同时工作时,电流总谐波畸变率会变小,主要是因为不同充电桩产生的谐波电流可以相互抵消:同时,电流总谐波畸变率波动小于单台充电桩的波动情况。因此,一般情况下,工作的充电桩台数越多,电流总谐波畸变率越接近某一恒定值。电动汽车接入后,电流总谐波畸变率随充电机台数的增加呈减小趋势,而且充电功率越大,电流总谐波畸变率减小幅度越大。.对配电网的影响对配电系统而言,不同的家

31、庭用户用电习惯的差异性将降低电动汽车接入对系统的负面影响。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;但在绝大部分情况下,不会出现所有电器同时运行的情况,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。在各种充电方式下,电动汽车对配电系统网损的影响都较小,而风电的加入可降低网损和电压偏移,对电动汽车的充电产生积极影响。分析中同时考虑了不同季节下电动汽车充电的影响。.对电网经济调

32、度的影响电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性,其充电负荷具有较大的随机性,电动汽车的大规模接入电网,由于其充电行为具备无序性、随机性,将会对电力系统的安全与稳定运行带了巨大影响。这将会给电网控制与优化带来较大的难度。随着智能电网基础设施电动汽车充电站、与其充放电相关的通信设施与技术等华北电力大学专业坝士学位论文的建设,可以考虑将其作为大规模、分布式的移动充放电设备,对其进行优化调度,可以实现电网削峰填谷,缓解大规模电动汽车接入电网非受控充电给电网带来不利的影响,优化负荷曲线,有利于电网的运行。.本章小结本章主要介绍了电动汽车接入电网后对电网的影响,包括对电网电能质量、配电网及电网

33、经济调度的影响,考虑电动汽车削峰填谷能力对电网经济调度的影响,在下面的章节中将重点研究电动汽车接入对电网经济调度的影响。华北电力大学专业硕士学位论文第章含电动汽车的电力系统经济调度模型。引言电动汽车采用不同的行驶模式和不同的充电模式都将对电网产生不同的影响。随着未来电动汽车的猛增及大量进入市场,必将对电网结构和运行产生显著影响,并且对电网的运营成本和系统容量产生显著的影响。电动汽车的大量接入并将会使配电网负荷需求的提高,也会改变配电网的潮流分布情况,以及由此带来的电压稳定、电压质量等一系列问题。 ,从电网运营角度来看,电动汽车充电需求的规模、充电时段分布、充电的地理问题等因素,将决定了电网是否

34、需要投资扩容。从发电侧考虑,如果电动汽车全部在白天甚至峰值负荷时段充电,那么对系统影响大,对系统容量要求高,可能需要增加新增发电装机投资;如果充电行为主要发生在非峰值时段,则可能只需要少量新建机组甚至可能不需要扩容。从输配电侧考虑,对于国家级、地区级公路等主干道路上,行驶的电动汽车曰益增多,为了保证电动汽车远距离行驶需要,也必须相应增加一定量的电动汽车充电站。显然,电动汽车的充电行为是否受控将对总发电装机容量、输电网规划、相应成本产生绝对影响。以输配电侧与发电侧协调运行、电动汽车负荷资源与电力资源协调配置为目标,对电动汽车充电行为进行一定程度的引导,优化其充电模式,建立适当经济调度模型,以保证

35、全社会资源综合效益最大化石目前尚需解决的重要问题。.电动汽车充电特点以电动汽车行驶模式为对象展开研究发现,一般的家用电动汽车一天内的绝大多数时间里是处于停驶的状态,平均每天的行驶时间也不过一个小时左右,可以这么认为,一天中的%的时间里电动汽车都是处于一种停驶的状态,电动汽车的充电电池也作为一种大规模分散的储能设备被闲置。华北电力大学专业硕士学位论文对进行我国各地区大范围的家用汽车进行调查,结果表明,上班高峰时段为:,下班高峰时段为:,一般电动汽车在这段时间内行驶是不进行充电的。如果考虑以电动汽车的这种特征为基础进行研究,设定假设条件为:%的电动汽车充电行为发生在电力系统负荷需求相对较低的时段。

36、可以采用一定的激励机制,通过分时电价政策,给予负荷需求处于低谷时段的用电以相对较低的电价,从而引导、促使消费者电动汽车的使用者在负荷的非峰值时段,将电动汽车接入电网进行充电。一天中,高峰时段的负荷水平要比低谷时段的负荷水平高出%以上,甚至更高,如果在负荷低谷时段让电动汽车来充电,可以有效的优化负荷曲线,提高设备利用率和综合社会效益。目前,对于我国的大多数省、市地区来说,电力市场的应用规模还远远不够,分时电价的机制还没有实现,对于电动汽车的用户和消费者很难产生有效的引导,很难让众多电动汽车用户都保证在非高峰时段充电,如果大量的电动汽车采用随机、无序的充电模式。用户额可以在任意时段并网进行充电,会

37、根据自己的日常生活习惯,在上班到达工作地点和下班回到家停车时,就习惯性的将电动汽车接入电网进行充电,所以一天中药经历两次充电过程。这必将会给电力系统带来巨大冲击,不仅无法削峰填谷,还有可能会出现“峰上加峰”的情况。显然,这对电力系统的稳定和经济运行是不利的。而且随着目前国家对电动汽车的鼓励和政策倾斜,电动汽车的拥有量和使用量会不断增多,如此电动汽车规模的不断扩大,对充电设施的要求提高的同时,对电力系统的发电容量的需要也会更高,那么电力系统在规划考虑时所要考虑的规模也就越大。然而这种扩大规模,对于系统更多时段的低谷负荷来说,是没有多少意义的,也就会造成了巨大的资源浪费。可以考虑让电动汽车参与电网

38、调度,以实现发输电侧与配电侧的协调统一运行,这也是与目前基于需求侧响应的发电调度方向的趋势是一致。但是,需要注意到的是,电动汽车参与调度,必须具备强有力的技术和营运条件支撑。从技术方面来说,电动汽车需要通过一些智能终端设备及系统接入电网中,通过一套完善的家庭能量管理系统进行华北电力大学专业硕士学位论文充放电控制,同时也要接受地区电网的统一协调调度。从营运角度来看,需要通过一定的电价、奖励等激励措施,尽可能让多的电动汽车使用者都愿意让自己的电动汽车签约,参与到与电网协调调度的模式中来。如果参与量过小,对于考虑电动汽车的入网调度是毫无价值的。而且要允许电动汽车用户,将电动汽车接入电网后选择两种不同

39、的充电模式,一种是电动汽车入网,不接受电网调度,以保证电动汽车使用的及时性;另一种则是完全将电动汽车交给电网,由电网调配何时充电时间比较恰当。因为一般公用电动汽车比如电动公共汽车等的使用时段比较平均,没有太多参与调度的价值。所以这里主要研究家用的死人电动汽车入网充电的问题。通过统计数据表明:我国居民通常都会选择离上班地点距离比较近的地方居住,所以从居住地到上班地点平均小于公里,那么一天的平均行驶时间约为小时左右,其余时间处于停驶状态。再根据目前市场比较通用的电动汽车蓄电池性能,即续航能力在公里以上。因此,电动汽车不必每天充电,可以几天充一次,或每天仅补充当天行驶消耗的电能。在满足用户出行需求的

40、前提下,在电网负荷高峰期将剩余电能回馈电网,构成模型。以电网角度出发,电动汽车开始充电时刻和日行驶里程是需要考虑的两个重要的用户行为因素。因为如果电动汽车用户开始充电时问相对比较集中,同时投入电网,电力系统需要消纳较大的瞬时充电功率,如果过分集中,则会对电网造成很大的冲击;另一个因素?日行驶里程,则反映了用户每天的耗电量,如果考虑充电功率一定,那么电动汽车接入电网的持续充电时间与其直接相关。仅考虑单台电动汽车的充电行为,肯定会具有很强的随机性,但是如果将一地区的电动汽车进行整合考虑,那么电动汽车的充电模式都是相对比较固定的。调查表明,我国大部分省市、地区的上班高峰时段都在:左右,下班则为:。显

41、然,电动汽车在行驶过程中不参与电力系统调度。本文中对电动汽车参与电网调度的研究所需的技术和条件支撑还不成熟,需要基于一定的假设,具体如下:华北电力大学专业硕士学位论文电网可以对用户许可,也就是系统内所有处于受控状态的电动汽车进行充.放电调度,将电动汽车的充电电池作为储能资源来使用。电动汽车电池状态 需要通过智能电网终端设备和通信技术来读取,已获得电动汽车电池的初始电量等信息。对目前市场上的电动汽车蓄电池进行统计,根据电动汽车蓄电池的普遍性能,假设每需要消耗电能,电动汽车蓄电池容量大于,具备公里以上的续航能力。电动汽车每日的行驶时段是:和:,在此期间不参与电网调度。每辆电动汽车在出行前都需保证一

42、定量的电能储备,这里假设每天出行前电动汽车蓄电池电能储量需达到额定容量的%以上。电网在对电动汽车进行最优双向调度时,一般选择电动汽车的充电时段在午夜或凌晨,而放电则在两个高峰期进行。因此,假设%以上的电动汽车,在此时段内都是处于停驶状态的,而且已经与电网稳定连接,由于聚合效应,我们认为电动汽车的随机性的影响是可以忽略不计。.含电动汽车的电力系统经济调度.电力系统动态经济调度模型电力系统动态经济调度问题是一个非线性、多变量、多时段的优化问题,其主要目标是:在给定负荷水平下,确定发电成本最小的调度方案,且满足系统安全运行条件及设备物理极限等约束。目标函数:发电成本川一一石%圪,珐。,华北电力大学专

43、业坝士字位论文式中,为系统的发电成本,是系统中的发电机组数,岛.,是时间段机组所发出的有功功率,口,岛,是机组的耗量参数,是时间段,为总时间段。约束条件:调度周期内各时问段功率平衡约束,?,一易。,一,式中,昂.,为时间段系统实时的负荷水平,为系统总的网损。备用容量约束:,?,兰瓦一昂晶式中,口为系统的机组的有功出力上限,最为系统总备用。机组出力约束,。,?,式中,为系统的机组的有功出力下限。发电机组爬坡限制,?,丁;,?,.墨,尼¨一圪,一.考虑电动汽车接入的经济调度模型当电动汽车接入电网后,需要从电网获取能源,如果考虑到电动汽车在负荷高峰时段向电网反向馈电的能力,可以认为其具备着

44、负荷合电源的双重特性的。如前文所述,本课题中假设电动汽车在停驶时段可以接受电网的调度。那么可以有如下思考:从电力系统角度出发,如果电动汽车能够在负荷低谷时段充电,而在负荷高峰时段,可以按照电力调度需求向系统回馈电能,可以提高系统的综合经济效益。本文考虑电动汽车削峰填谷能力的电力系统经济调度模型,从电动汽车优化调度角度出发,也是电动汽车的最优充一放电模型。其可以解决在满足发电成本最华北电力大学专业硕士学位论文低的要求下,确定电动汽车充放电时间、充放电电量等问题。目标函数:发电成本最小.石尼。:至兰口%.州约束条件:调度周期内各个时段系统的有功功率平衡方程:,?,丁 兰尼。兰一巧一昂厂,:考虑到电

45、动汽车在同一时刻不可能出现同时充电和放电的情况,可用互补约束来表达为:,?,;,?, ?焉甓调度周期内充电量平衡方程。?巧一调度周期内放电量平衡方程一, 彩彰:发电机组有功出力限制,?,旦%.发电机组爬坡限制点圪“一尼,一,?,丁;,电动汽车各时段充电功率限制焉。,?, ?华北电力大学专业硕士学位论文电动汽车各时段放电功率限制蟛早,?, .式中:表示调度周期,为时段编号;为系统中的机组数量;为可调度的电动汽车组数。为电动汽车当天内总的充电电量,取吖.霄一钟,即电动汽车组电池额定容量,?,的与电池初始电量矿的差,再加上电动汽车组放电量;电动汽车组放电量以占电池容量的比例表示。鼻,昂。,分别为第时

46、段发电机有功功率和系统的负荷需求;尼,易,墨为系统中各台发电机组有功出力限制和爬坡上下界限制;只:,叩;则为电动汽车充电时的负荷功率和充电的效率;名,为电动汽车放电时的输出功率和放电的效率。.本章小结本章首先介绍了电动汽车充电负荷的充电特点,及其对电网的影响,我国经济调度问题的研究现状,详细分析电动汽车充放电行为基础上,建立了相对于电网的电动汽车充放电模型,并将之引入到常规的经济调度模型中。华北电力大学专业硕士学位论文第章现代内点算法及其应用.引言随着科学技术的急速发展和进步,社会管理和决策的内容更加繁琐和庞大,尤其是二次世界大战后,人们对置于严格的数学理论基础和仿真计算之上的最优性效果的追求

47、更加迫切。电子计算机技术的出现和发展为此提供了技术支持,让这一追求具备了实现可能。目前,作为数学领域极为重要的分支之一?最优化理论和最优化算法,在实际生产、生活的众多方面取得了长足发展和应用。电力系统简单的说来,就是发电侧发出电能,经过输配电网的传输和分配,送至负荷端供用户使用,其包括了发电厂、变电站、输电系统、配电系统及负荷组成,可算是现代社会中最重要、最庞杂的人造工程系统之一。其作为国计民生和社会发展的基础,为生产、经济等各领域的发展提供了强有力的支撑,如今,世界各国政府也普遍认为,电力系统本身的规模和技术水平,也是衡量一个国家经济水平的重要指标之一。对于这个日益庞大的系统,如何进行优化管

48、理、决策,提高其运行效率和综合社会效益逐渐引起人们的注意和重视,也吸引了众多科研人员的目光,最优化理论和算法在电力系统中中的应用和发展也拥有了一个更加宽阔的展现舞台。对上章考虑电动汽车削峰填谷能力的电力系统经济调度模型可以知道,该问题是一个典型的大规模、动态、强非线性的优化问题。现今,已经应用于求解非线性规划问题的数学方法包括:梯度法、牛顿法、变尺度法等,主要应用于求解无约束非线性规划问题;内点法、外点法、二次规划法等以及基于新型随机搜索方法的遗传算法、模拟退火算法等智能算法开始应用于求解约束非线性优化问题。这些方法的优缺点各异,梯度法在远离最优点时收敛很快,但在最优点附近收敛较慢;牛顿法在最

49、优点附近收敛迅速,但计算量大;变尺度法是拟牛顿法的代表性算法,其收敛快,稳定性好,但计算过程繁琐;内点法、外点法隶属于罚函数法,内点法的寻优需在可行域内进行,当约束条件复华北电力大学专业硕士学位论文杂时,不易找到一个可行的初始点,但在迭代过程中得到的迭代点序列均为可行解;外点法对初始点的选取没有要求,但只有最终收敛后才能获得最优解;序列二次规划是一类特殊的非线性规划,其目标函数须为二次,约束条件为线性;遗传算法能够很好的克服非线性规划求解中的局部收敛问题,但它依赖于初始种群的选取,结合一些启发算法予以改进后效果更加。由上可见,每种解法都存在一定的不足之处,但随着优化理论的不断深入研究,各种算法

50、都有了进一步的发展。进入上世纪九十年代后,现代内点算法以其优良的特性、适于求解大规模电力系统优化问题而逐渐受到了电力工作者的关注。.现代内点理论内点法的研究之初,只是作为一种求解线性规划的算法,仅应用于线性规划领域,以解决单纯形法求解线性规划问题时,会出现计算量随变量规模扩大急剧增加的问题。“内点法”这一概念,是和在年首次提出。内点法在很长一段时间里的研究是停滞不前的,陷入了进退维谷的长期低潮期。直到年,美国贝尔实验室的博士提出了一种具有多项式时间复杂性的线性规划算法,并在文献蚰明确说明,该方法将比单纯形法快倍以上,从那之后,数学优化领域的科研工作者再次将目光转向内点法,才再度对内点法燃起新的

51、希望。关于现代内点法,乃至电力系统优化领域的一场革命序幕也就此拉开。随着社会的发展和进步,生产规模的日益扩大,人们对求解问题的完整性的追求更加强烈,那么各个领域内一个个更为复杂、规模更为庞大的线性规划模型开始被建立起来。线性规划模型规模的日益增大,复杂性日益增加,对线性规划问题的求解算法的要求也就越来越高,无论是对优化算法的计算复杂性,还是对算法的计算效率、求解速度等,亦或者是对算法应用的便捷性,都提出了更高、更为严格的要求,迫使着世界上的优化领域科研人员不断寻求更新更好的优化算法,包括内点算法【。年,在单纯形法还主导着线性规划问题的求解时,和开始提出了华北电力大学专业硕士学位论文皇皇鲁曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼.鼍量曼曼曼皇曼曼曼曼舅曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍曼曼曼蔓质疑,他们证明了单纯形法的时间复杂性是指数时间的。也就是说,如果采用单纯形法求解线性规划问题,其求解的计算量将随着线性规划问题的规模的增大而成指数型增加。虽然说这一结论并没有动