电动汽车微电网的经济调度策略研究

电动汽车微电网的经济调度策略研究

0电动汽车中蓄电池的运行问题微电网是一种将当地能源系统、清洁能源系统、能源装置和各种负载集成到新能源系统的新能源系统模式，引起了越来越多的人的关注。由于太阳能和风能在时间和空间上的天然互补性,与单一的风能或光伏发电系统相比,风、光、储多能互补微电网能够有效地减少蓄电池的容量配置。但是由于风能、太阳能固有的波动性和随机性,在微电网中,蓄电池容量的偏紧配置可能无法满足系统发电和用电之间的实时动态平衡。虽然通过配置足够大容量的储能单元可以解决上述问题,但会明显增加系统总的设备投资费用。大多数电动汽车(electricvehicles,EVs)在行驶过程中消耗的能量来自大电网或者微电网,将EVs接入大电网或者微电网将是未来发展的一个趋势。近年来关于EVs与电网之间关系的研究已有相关的论文发表。这些论文主要将EVs看做负载,将其用于电网的削峰填谷。对电网中的EVs实行特殊的控制(充电及放电控制),可以在改善系统动态性能的同时增加系统的经济性。与现有研究工作不同,本文研究了包含EVs的风/光/储微电网的能量调度模型和策略,分析了EVs的加入对微电网的经济性和发电与用电动态匹配性能的影响。1evs进入微电网的可行性EVs(称之为移动储能装置)相比于蓄电池(称之为静态储能装置)有以下几点优势:1)EVs所属性(通常是个人所有)。购车费用由车主承担,可减小微电网系统储能设备投资。2)EVs的可移动性。可将别处多余或便宜的电能转运到电能需求量较大或电价较高处使用。3)EVs在1d中不同时段的聚集性和分散性。EVs白天相对集中,夜晚相对分散。白天将其集中接入微电网,通过一定的策略控制其运行:当系统发电量大于负荷需求量时,吸收多余的电量;当系统发电量小于负荷需求量时,缺少的电量由电动汽车补足。4)EVs快速充放电特性。电能的双向流动适合快速短期调用,例如旋转备用等。此外,EVs有4种荷电状态(stateofcharge)。其中Smax和Smin分别为电池充放电量上、下限,汽车电池在任何时刻t的荷电量EEV(t)必须满足Smin≤EEV(t)≤Smax,以保证汽车电池的可持续利用。EVs接入微电网时应同时满足Slow≤EEV(t)≤Sup,以保证汽车的正常行驶。其中,Slow为放电量最低限制值,Sup为充电量最高限制值。2发电系统的可靠性文中微电网的发电单元模型主要考虑以下几类分布式电源:风力发电机、光伏电池、燃气轮机、燃料电池、蓄电池和EVs。风力发电机和光伏电池将自然界的风、光资源转化成电能,属于不可调度电源。燃气轮机和燃料电池在产生电能的同时输出热能,属于可调度电源。蓄电池和EVs作为储能单元,可保证系统的可靠运行。下面分析各类电源模型。2.1风力发电机功率pwt风力发电机每小时的发电量是由风力发电机转轴高度处每小时的平均风速和风力发电机的输出特性决定的。近地表面的风速随高度按指数规律变化,在计算风力发电机的输出功率时,必须先把实测的每小时平均风速折算到风力发电机转轴高度处的相应值。其表达式为:v=(ΗΗ0)αv0(1)式中:v为目标高度H处的风速;v0为参考高度H0处的风速;α为地面粗糙度因子,通常取1/7。风能与风速的三次方成正比,风力发电机的输出功率PWT由下式给出:ΡWΤ={0v<vci或v≥vcoΡΝv3-v3civ3Ν-v3civci≤v<vΝΡΝvΝ≤v<vco(2)式中:vci为切入风速;vco为切出风速;vN为额定风速;PN为风力发电机额定输出功率。2.2光荣电池2.2.1太阳直接辐射强度任意时刻、任意倾斜面上的太阳光线入射角θT由下式得到:cosθT=cosβsinφsinδ+cosβcosφcosδ·cosω+sinβsinγcosδsinω-sinβcosγsinδcosω+sinβsinφcosδcosωcosγ(3)倾斜面太阳直接辐射强度Aa为:Aa=AncosθΤ(4)倾斜面太阳散射辐射强度As为:As=Adcos2β2(5)倾斜面太阳反射辐射强度Ar为:Ar=12εrAn(1-cosβ)(6)倾斜面上总太阳辐射强度At为:At=Aa+As+Ar(7)式中:β为倾斜面与水平面之间夹角;φ为地理纬度;δ为太阳赤纬角;ω为太阳时角;γ为倾斜面方位角;An为到达地表的法向太阳辐射光照强度;Ad为水平面上的散射辐射强度;εr为反射系数。2.2.2太阳辐射环境a,aref,kra设在参考条件下,ISC为短路电流,Voc为开路电压,Im和Vm分别为最大功率点电流和电压,则当光伏阵列电压为V,其对应点电流I为:Ι=ΙSC[1-c1(exp(Vc2Voc)-1)](8)c1=(1-ΙmΙSC)exp(-Vmc2Voc)(9)c2=(VmVoc-1)1ln(1-ΙmΙSC)(10)考虑太阳辐射变化和温度影响后,I为:Ι=ΙSC[1-c1(exp(V-ΔVc2Voc)-1)]+ΔΙ(11)ΔΙ=aAArefΔΤ+(AAref-1)ΙSC(12)ΔV=-bΔΤ-RsΔΙ(13)ΔΤ=Τ-Τref(14)Τ=Τa+kcA(15)式中:A和Aref分别为任意太阳辐射强度及其参考值,单位kW/m2;Rs为光伏阵列串联电阻,单位Ω;T,Tref,Ta分别为太阳电池板温度、光伏电池温度参考值和环境温度,单位℃;kc为太阳电池板温度系数,单位℃/(kW·m2);a和b分别为参考日照下电流和电压变化温度系数,单位A/℃,V/℃。2.3平台的料费用关系燃气轮机热电联产系统有2种运行方式:以电定热和以热定电。前者优先满足电能负荷需求,后者优先满足热能负荷需求。燃气轮机的热电产出比是常数,机组输出功率与消耗燃料费用关系如下:CfuelΜΤ=Ν∑t=0ρgasFΜΤ(t)(16)FΜΤ(t)=α0ΡcapΜΤ+α1(ΡΜΤ(t)+QΜΤ(t))(17)QΜΤ(t)=λΗtoEΡΜΤ(t)(18)式中:CfuelMT为燃气轮机消耗燃料费用;ρgas为燃料价格;FMT(t)为燃气轮机在时刻t消耗燃料量;PcapMT为燃气轮机的额定功率;PMT(t)为燃气轮机在时刻t的输出功率;QMT(t)为燃气轮机在时刻t的产热量;α0和α1为系数;λHtoE为燃气轮机的热电产出比;N为时段数。2.4燃料cfc燃料电池消耗燃料费用与输出功率之间关系如下:CfuelFC=Ν∑t=0ρgasΡFC(t)+QFC(t)Ηgas(19)QFC(t)=ηΗtoEΡFC(t)(20)式中:CfuelFC为燃料电池消耗燃料费用;PFC(t)为燃料电池在时刻t输出功率;QFC(t)为燃料电池在时刻t产热量;Hgas为燃料热值;ηHtoE为燃料电池的热电产出比。2.5u2009t蓄电池在时刻t的荷电量与蓄电池在时刻t-1的荷电量以及从时刻t-1到时刻t系统能量的供求状况有关。当系统总发电量大于负荷用电量时,蓄电池处于充电状态。蓄电池在时刻t的荷电量可表示为:EB(t)=EB(t-1)+(EGA(t)-EL(t))ηBatt(21)式中:EB(t)和EB(t-1)分别为时刻t和t-1蓄电池的荷电量;EGA(t)为时刻t系统提供的总能量;EL(t)为时刻t负荷用电量;ηBatt为蓄电池充电效率。当系统总发电量小于负荷用电量时,蓄电池处于放电状态。时刻t蓄电池的荷电量可表示为:EB(t)=EB(t-1)-(EL(t)-EGA(t))(22)文中假设蓄电池的放电效率为1.0,忽略蓄电池每小时的自放电率。2.6evs充电时间EVs在时刻t的荷电量与EVs前一时刻的荷电量以及此时间段内的充放电情况有关。当EVs处于充电状态时,其在时刻t的荷电量为:EEV(t)=EEV(t-1)+tchargeτEVEEVmax(23)式中:EEV(t)和EEV(t-1)分别为EVs在时刻t和t-1的荷电量;tcharge为充电时间;τEV为EVs完全充满所需时间;EEVmax为EVs的充电量上限。当EVs处于放电状态时,其在时刻t的荷电量可表示为:EEV(t)=EEV(t-1)-tdischargeηconvΡdischarge(24)式中:tdischarge为放电时间;Pdischarge为放电功率;ηconv为逆变效率。3微电网经济性分析EVs参与微电网的运行需要采用一定的调度策略对其进行控制:一方面避免集体接入微电网充电时给微电网造成峰值负荷;另一方面避免汽车电池的过充或者过放导致电池的使用寿命缩短。同时,需要一定的协议来保障微电网运行者与汽车所有者间利益的合理分配。微电网能量调度策略可以分为2种:直接控制和间接控制。直接控制指在任何时间段内微电网运行者可以向EVs发送信号,在满足充放电条件情况下对EVs进行充放电;间接控制指对EVs的控制不仅仅决定于微电网运行者,同时和系统实时电价以及其他的价格机制有关。直接控制有利于微电网运行者,间接控制则考虑了双方的利益。间接控制有助于激发车主参与微电网经济调度的积极性。EVs参与微电网的运行需要考虑双方的利益,因此两者之间需要签订协议,保障所得利益的合理分配。协议内容主要包括:1)接入与断开时间。夜间EVs停在所有者家中进行充电,此时电网电价相比于白天负荷高峰期时电网电价便宜。白天EVs参与微电网运行,在每个工作日的固定时段接入微电网,此处不考虑在工作时间内有EVs需要离开的情况。在接入时间段内,汽车电池的荷电量必须满足Slow≤EEV(t)≤Sup。2)接入费用。EVs参与微电网运行,微电网运行者每年需要支付EVs车主一定的接入费用。微电网运行者支付汽车车主接入费用:一是为了鼓励EVs用户积极参与微电网的运行;二是作为对EVs车主的补偿。接入费用的多少和EVs电池的额定容量有关。根据合同规定在支付此项费用的前提下,车主仅允许微电网运行者将EVs作为储能单元使用(存储微电网系统多余的能量,以供负荷高峰时使用),而不能使用汽车电池自身存储的能量。对微电网来说,这部分费用可看做系统配置更多静态储能设备的固定投资,相比于增加更多的静态储能设备此项费用投资较小。对车主来说,这部分费用可以作为微电网对EVs进行充放电造成电池使用寿命降低的补偿,可看做电池的折旧费。3)能量交易价格。微电网与EVs之间进行能量交易的价格标准:微电网从汽车取电时根据取电量的多少支付车主相应的费用,同样EVs接入微电网充电时,车主也需要根据用电量多少支付微电网运行者相应的费用。通常双方制定的能量交换价格低于负荷高峰期时电网电价,但是高于车主在家充电价格。这样,微电网可以从EVs取电代替从大电网买电来节省费用,车主可以向微电网出售价格高于在家中充电时的电能来获得收益。微电网与EVs之间的能量交换价格有多种方式。最简单的就是恒定的充放电价格,也可以考虑其他的价格计算公式,例如随着电动汽车电池的充电状态变化的线性或者非线性函数。本文提出的包含EVs的微电网经济性分析模型如下所示。目标函数为:fmin=Ccost+8760∑t=0(Ct,fuel+Ct,buy-Ct,sell)(25)Ccost=n∑i=1Μi(Ccapital‚ir(1+r)mi(1+r)mi-1+CΟΜ‚i)(26)Ct,fuel=Ct,fuelΜΤ+Ct,fuelFC(27)约束条件为:ΡG(t)+ΡBΤ(t)+ΡEV(t)+ΡGrid(t)=ΡD(t)(28)QFC(t)+QΜΤ(t)=QD(t)(29)ΡGi‚min≤ΡGi(t)≤ΡGi‚max(30)QGi‚min≤QGi(t)≤QGi‚max(31)EBmin≤EB(t)≤EBmax(32){Slow≤EEV(t)≤Sup09∶00—18∶00Smin≤EEV(t)≤Smax20∶00—07∶00(33)式中:fmin为经济调度模型的目标函数,主要考虑系统设备初始购买费用、设备维护费用、全年机组燃料消耗费用以及能量交易费用;Ccost为系统设备总投资;Ct,fuel为时刻t消耗燃料费用;Ct,buy和Ct,sell分别为购电和卖电费用;n为分布式电源类型数;Mi为第i类电源数目;Ccapital,i和COM,i分别为第i类电源的单个设备购买费用和每年的维护费用;r为银行利率;mi为第i类电源设备使用年限;PG(t)为时刻t发电机组输出总功率;PBT(t)和PEV(t)分别为时刻t蓄电池和EVs充(放)电功率;PGrid(t)为时刻t从电网吸收或向电网输出功率;PD(t)和QD(t)分别为时刻t负荷电、热需求量;PGi(t)为第i类发电机组在时刻t输出功率;PGi,max和PGi,min分别为第i类发电机组输出功率上、下限;QGi(t)为第i类电源在时刻t产热量;QGi,max和QGi,min分别为第i类电源产热量上、下限;EBmax和EBmin分别为蓄电池充放电上、下限。上述模型可通过粒子群优化(particleswarmoptimization,PSO)算法求解。初始产生各发电机组的输出功率大小,通过惩罚函数约束电、热负荷和需求之间的平衡,以全年总费用最小为目标,经过多次迭代得出最优解。系统供电可靠性在此主要通过功率供给亏欠率(lossofpowersupplyprobability)LPSP来评估。LPSP定义为系统整个评估周期内亏欠负荷的功率除以负荷总功率,由式(34)计算。LPS(t)定义为时刻t系统未能满足的用电量。如果时刻t系统发电量大于负荷需求量,LPS(t)=0;如果时刻t系统发电量小于负荷需求量,LPS(t)由式(35)计算。LΡSΡ=Ν∑t=0LΡS(t)1Ν∑t=0EL(t)(34)LΡS(t)=EL(t)-[EGA(t)+(EB(t-1)-EBmin)](35)4燃料和冷负载c以风/光/储微电网向某地区办公楼提供电、热、冷为例,即将此办公楼看做微电网的负荷。表1给出了整个系统的配置以及不同电源的参数。系统热负载(热水、空间加热)由燃料电池和燃气轮机提供,冷负载由电能直接提供。燃气轮机和燃料电池的燃料均采用天然气,天然气单价为0.042美元/m3。银行利率r=6%。当地全年(8760h)的风速、光伏阵列倾斜面上的光照强度和环境温度分布曲线见附录A图A1～图A3。电网电价、EVs与微电网能量交易价格及EVs夜晚在家充电电价见附录A图A4。图1给出了系统负荷日平均小时数据。系统全年电、热需求总量分别约为5.90GW·h/a和1.729GW·h/a。4.1u3000满足系统可靠性的要求该系统设备固定投资费用为90061.38美元。在没有EVs参与运行的情况下,负荷高峰期发电和用电不能完全匹配,至少需要增加4组蓄电池才能满足系统可靠性要求。4组蓄电池的费用为4000美元。在有EVs(15台)参与运行时负荷高峰期能够满足系统可靠性,微电网运行者需要支付车主的费用为778.8美元。相比于增加蓄电池EVs的参与可以减少微电网静态储能的投资。4.1.1电网购电,先从蓄电池取电未加入EVs的情况下,每小时的运行策略为:当发电量大于负荷需求量时,先给蓄电池充电,在蓄电池充满且有剩余情况下将多余的电量卖给电网;当发电量小于负荷需求量时,先从蓄电池取电,在蓄电池容量不够的情况下再从电网购电。系统全年运行费用由燃料费用和电网交易费用构成,为61677.7美元。4.1.2正常行驶及运行费用假设所有EVs到达目的地时汽车电池剩余73%的能量;当汽车离开公司时EVs电池的剩余电量能保证车主下班后的正常行驶,即断开状态时汽车电池有33%的容量。在同样配置条件下,加入15台额定容量为20kW的EVs,在负荷高峰时首先考虑与EVs进行交易,然后再考虑与电网进行交易。最终全年运行费用为58611.7美元。相比于没有EVs加入的情况,在系统设备固定投资不变的条件下,系统全年的运行费用降低了5.02%。4.2evs对系统供电可靠性影响以8月15日这一天为例,对比微电网中不加入EVs和加入EVs后在各时段机组输出功率情况。根据双方事先签订的协议,EVs接入微电网时间段为09:00—18:00。在此将负荷主要分为电和热2种类型:电能需求包括普通用电和制冷用电;热能需求包括空间加热和热水。图2给出了系统电、热输出和负荷之间的平衡关系。由图2(a)和(b)