基于線性潮流模型求解的電動汽車充換電站有序充電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電動汽車充換電站的充電方法，具體地說是一種基于線性潮流模 型求解的電動汽車充換電站有序充電方法，屬于電動汽車充換電站技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，交通運輸業(yè)消耗的初級能源消耗約占全球初級能源總消耗量的五分之一， 二氧化碳排放占世界排放總量的四分之一，其中近一半來源于乘用車。根據(jù)國際能源署發(fā) 表的《純電動和混合動力電動汽車的技術(shù)路線》報告：如果不采取有效的控制和改善措施， 到2050年，世界溫室氣體的排放量將翻番、原油需求也將超過安全界限，因此世界各國都 在尋求降低能源消耗和溫室氣體排放的措施。
[0003] 電動汽車以電能驅(qū)動電動機(jī)作為動力系統(tǒng)，實現(xiàn)了以電代油，大大降低了二氧化 碳排放，提高了能源利用效率，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。另一方面，隨著電池技 術(shù)的發(fā)展，電動汽車電池的平均研發(fā)費逐年降低，電動汽車的經(jīng)濟(jì)性也得到大幅改善。隨 著能源和環(huán)境危機(jī)的不斷加劇以及電動汽車電池費用的降低，電動汽車在性能、經(jīng)濟(jì)性和 環(huán)保性等方面已開始接近或超過傳統(tǒng)燃油汽車，因此電動汽車開始在世界范圍內(nèi)逐漸推廣 應(yīng)用。
[0004] 電動汽車大規(guī)模普及后，70% -80%的電動汽車將采用換電池的方式補充電量，大 規(guī)模換電池的充電負(fù)荷值很高，若不合理地安排其充電方式，這些換電池的充電負(fù)荷將對 電網(wǎng)造成很大的沖擊，導(dǎo)致設(shè)備過負(fù)荷、負(fù)荷曲線峰谷差增大及電網(wǎng)設(shè)備利用率降低等。為 了降低這些不利影響，需對電動汽車充換電站的換電池充電策略進(jìn)行優(yōu)化。為降低電動汽 車充電負(fù)荷對電網(wǎng)的影響，學(xué)者們在電動汽車的充電優(yōu)化方面做了大量的研究工作，然而 以往的優(yōu)化工作都未考慮電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及換電池的充電特性，因此日前電動汽車換電池的 充電優(yōu)化的實用性仍較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于線性潮流模型求解的電 動汽車充換電站有序充電方法，其不僅能夠提高電網(wǎng)電力設(shè)備的利用率，降低電網(wǎng)風(fēng)險， 而且能夠顯著降低充電成本，提高電動汽車運行的經(jīng)濟(jì)效益。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：基于線性潮流模型求解的電動汽車 充換電站有序充電方法，其特征是，包括以下過程：
[0007] (1)建立電動汽車充換電站的換電池有序充電優(yōu)化模型：以最小化所屬變電站負(fù) 荷曲線的離差平方和為目標(biāo)，以各換電池的充電起始時刻為控制對象；
[0008] (2)進(jìn)行潮流計算：將節(jié)點功率方程和支路功率方程線性化，得到待求變量和隨 機(jī)影響因素之間的線性關(guān)系；
[0009] (3)對有序充電優(yōu)化模型進(jìn)行求解：利用遺傳算法求解該模型，同時結(jié)合線性化 潮流方法求解優(yōu)化過程中電網(wǎng)的節(jié)點電壓和支路功率，從而得到相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)并判斷 解是否滿足節(jié)點電壓和支路功率的約束；
[0010] (4)根據(jù)求解對各個換電池進(jìn)行充電。
[0011] 進(jìn)一步地，所述建立電動汽車充換電站的換電池有序充電優(yōu)化模型的過程包括以 下步驟：
[0012] (11)明確電動汽車換電池的充電特性
[0013] 對電動汽車換電池在充電過程中充電時間、充電功率和電池電量的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行 描點，可得電動汽車換電池的充電特性曲線，擬合充電特性曲線后可得式（1)所示的電池 電量與充電時間的關(guān)系式及式（2)所不的充電功率和充電時間的關(guān)系式，
[0015] 式中：tH是換電池的剩余電量（SOC)由0充至Ch所需的充電時間；C h是換電池的 剩余電量（SOC)，
[0017] 式中：Ph是換電池的充電功率；
[0018] (12)建立目標(biāo)函數(shù)
[0019] 選取最小化充換電站所屬變電站的負(fù)荷曲線離差平方和為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)如 式⑶所示：
[0022] 式中：T是優(yōu)化周期；Ps，t是t時刻所屬變電站的總負(fù)荷，與換電池的起始充電時刻 有關(guān)，可由潮流計算得到；P siav是優(yōu)化周期內(nèi)變電站負(fù)荷的平均值，與換電池的起始充電時 刻有關(guān)；
[0023] (13)確定約束條件
[0024] 1)處于充電狀態(tài)的換電池數(shù)不超過總的充電機(jī)數(shù)：
[0025] Nchargejt^ Nc(t = I, 2. . . T) (5)
[0026] 式中：Nehal^t是t時刻處于充電狀態(tài)的換電池數(shù)量，與各換電池的充電起始時刻 有關(guān)；Ν ε是充電機(jī)的總數(shù)；
[0027] 2)充滿電的換電池數(shù)可滿足車輛需求，即大于電動汽車需要的電池數(shù)：
[0028] NFit^Nneedit(t= 1,2...T) (6)
[0029] 式中：\t是t時刻充滿電的換電池數(shù)；N _^是t時刻電動汽車需求的換電池數(shù) 量；
[0030] 3)在優(yōu)化周期內(nèi)，所有換電池需充滿電：
[0031] NFiT=Nb (7)
[0032] 式中：是優(yōu)化周期T結(jié)束時充滿電的換電池數(shù)；Nb是優(yōu)化周期內(nèi)需充電的換電 池數(shù)；
[0033] 4)充換電站功率約束：
[0035] 式中：Peniax是充換電站所能提供的充電功率上限；
[0036] 5)節(jié)點電壓約束
[0037] Vni^Vli t<Vnax(i = l,2...N;t = 1,2...T) (9)
[0038] 式中：V_是節(jié)點電壓下限值；V lit是t時刻節(jié)點i的電壓值；V_是節(jié)點電壓上限 值；N是節(jié)點數(shù)；
[0039] 6)支路功率約束
[0040] Plini^P1, ^Plinax (i = l,2...L;t = 1,2...N) (10)
[0041] 式中：Pliniin是支路i傳輸?shù)墓β氏孪?；P lit是t時刻支路i傳輸?shù)墓β手?；P 1ιΜΧ是 支路i傳輸?shù)墓β噬舷奚绞侵窋?shù)；
[0042] 7)潮流方程約束
[0044] 式中：f是電網(wǎng)的潮流方程；戶是支路功率向量；P是節(jié)點電壓向量；Y是節(jié)點導(dǎo) 納矩陣。
[0045] 進(jìn)一步地，所述進(jìn)行潮流計算的過程包括以下步驟：
[0046] (21)節(jié)點功率方程的線性化處理
[0047] 對一個含有η個節(jié)點的系統(tǒng)，其節(jié)點的功率方程采用極坐標(biāo)可以表示如下：
[0049] 式中=P1是節(jié)點注入有功功率；V i是節(jié)點電壓的幅值；Θ i是節(jié)點電壓的相位；G ^ 是支路電導(dǎo)；Bij是支路電納；Q ;是節(jié)點注入無功功率；
[0050] 式（12)可寫為一般式：
[0051] S = f (V) (13)
[0052] 式中：S是節(jié)點注入功率向量，包含節(jié)點有功向量與無功向量；V是節(jié)點電壓向量， 包括電壓幅值與相位向量；
[0053] 當(dāng)節(jié)點注入功率變化時，節(jié)點電壓向量也隨之變化，可以表示為：
[0054] S = S0+ Δ S
[0055] V = V0+ Δ V (14)
[0056] 式中：S。是基礎(chǔ)潮流下的節(jié)點注入功率；△ S是節(jié)點注入功率的隨機(jī)擾動；V。是基 礎(chǔ)潮流下的節(jié)點電壓；A V是節(jié)點注入功率變化引起電壓的隨機(jī)擾動；
[0057] 將式（13)利用泰勒級數(shù)在V。處展開，得到
[0058] S = S0+ Δ S = f (V0+ Δ V) = f (V0) +J0 Δ V+o ( Δ 2V) (15)
[0059] 其中：
[0060] S0= f(V〇) (16)
[0061] 忽略式（15)中AV的高次項，得出節(jié)點潮流方程線性化表達(dá)式：
[0062] Δ S ^ J0 Δ V (17)
[0063] A V = J01 Δ S (18)
[0064] 式中：J。是基礎(chǔ)潮流下的雅克比矩陣；J。1是節(jié)點電壓對注入功率的靈敏度矩陣；
[0065] (22)支路功率方程的線性化處理
[0066] 電力系統(tǒng)的支路功率方程可以表示為：
[0068] 式中：b是變壓器變比的標(biāo)么值，如果是不含變壓器的線路則t u其值為I ;b u。是 支路對地電納的1/2 ;
[0069] 式（24)可寫為一般形式：
[0070] R = g (V) (25)
[0071] 式中：R是支路功率向量，包含支路功率有功向量與無功向量；
[0072] 將式（25)在V。處利用泰勒級數(shù)展開，得
[0073] R = R0+ Δ R = g (V0+ Δ V) = g (V0) +G0 Δ V+o ( Δ 2V) (26)
[0074] 式中：R。是基礎(chǔ)潮流下的的支路功率；Δ R是支路功率的隨機(jī)擾動。
[0075] 忽略式（26)中高次項，可得支路潮流方程線性化表達(dá)式：
[0076] Δ R ~G0 Δ V = G0J01 Δ S = T0 Δ S (30)
[0077] T0= G0J01 (31);
[0078] 式中：T。是支路有功功率對注入功率的靈敏度矩陣；
[0079] (23)重新計算確切潮流的節(jié)點電壓和支路功率
[0080] 節(jié)點電壓和支路功率線性化方程的完整狀態(tài)量、輸出量的一階泰勒展開式如下：
[0081] V = V0+ Δ V = V〇+J〇 1 Δ S+o ( Δ 2S) (32)
[0082] R = R0+ Δ R = R0+T〇 Δ S+o ( Δ 2S) (33)
[0083] 其中，J01AS 彡 ACf (34)
[0084] 式中：△ Cf是線性化潮流方程的適用閾值。
[0085] 進(jìn)一步地，所述對有序充電優(yōu)化模型進(jìn)行求解的過程包括以下步驟：
[0086] (301)采集換電池的剩余電量S0C、常規(guī)充電負(fù)荷、分布式電源出力和電網(wǎng)其他負(fù) 荷ig息；
[0087] (302)選取"24小時"為優(yōu)化周期，"1分鐘"為優(yōu)化步長，初始化染色體上各基因；
[0088] (303)形成種群P(S)，解碼種群中的染色體得各換電池的充電起始時刻；
[0089] (304)結(jié)合測量得到的各換電池初始剩余電量S0C，計算各換電池在任意時刻的 充電功率，并得到各時刻正在充電和充滿電的換電池數(shù)及充換電站總功率；
[0090] (305)判斷解是否滿足式（5)至（8