[发明专利]一种适用于电动汽车规模化应用的配电系统的灵活规划方法

权利要求书

1.一种适用于电动汽车规模化应用的配电系统的灵活规划方法，其特征在于，建立一种基于投资运行成本总和最小的配电系统扩展规划模型，给出无序和有序充电模式下的充电负荷计算方法；在此基础上运用场景分析技术，以常规负荷预测量、电动汽车保有量和充电模式这三个向量构成场景，并以此建立配电系统的灵活规划模型；

步骤1建立配电系统扩展规划模型，具体为：

1)配电线路模型

以配电线路和变电站的投资运行成本费用之和最小为目标，目标函数如下所示：

式中:和分别是配电系统线路和变压站规划的投资费用和运行费用；n_L是配电线路的个数；n_SR和n_SC分别是可扩容的和不可扩容的现有变电站个数以及待选变电站的个数；n_S是全部变电站的总和；T为24小时；是配电线路ij单位长度的建设成本；是变电站i的扩容成本；为变电站i的新建成本；为变电站i的运行单位成本；μ_i为是否新建该设备：新建为1，否则为0；ν_i,a为是否对变电站进行扩容：选择并采用方案a扩容为1，否则为0；为是否新建该条线路，新建为1，否则为0；l_ij为线路ij的长度，n₁、n₂分别为设备使用和生产年限；β为投资费用系数，δ为天数即365天，c^E为电能的平均价格；θ_ij,t是时间t配电线路ij两端的相角差；V_i,t和V_j,t分别是时间t配电系统节点i和节点j的电压幅值；

2)换电站规划

A.换电站需求

在换电站运行模式中，电动汽车可以选择在换电站充电或者直接选择将已消耗电量的电池与换电站内充满电的电池进行交换；换电站的电池数量根据换电站的充电需求进行配置；换电站换电需求与所需充电电池的数量密切相关；

首先给出初始状态SOC表达式

以及充电时长：

根据式(5)和(6)可得电池充电时间概率密度函数

从而得到换电站的换电需求

M_b＝P_sp·N_total (8)

P_s为换电站一般情况下充电时的充电功率，P_sp为根据式(7)充电概率密度函数得到该地区所需充电电池的概率，N_b为换电站b时间需要充电的电池数量，M_b为换电站充电时段的需要充电电池数，S_soco为起始SOC电量，σ_SW和μ_SW分别为换电站充电时的标准差和方差，η为电池充电效率，N_total为该配电系统区域分配的电池总数；C_b为电池容量；为换电站充电总需求；通过上述表达式可求出换电站的投资和运行成本分别为

是换电站配电线路建设单位成本，A_eg为换电站运行单位成本；l_swap,i为换电站到节点的距离；n_swap为换电站个数；从而可得配电系统扩展规划的总投资和总运行费用

B.换电站电池管理

换电站中有s台换电装置可为电池充电，假设有c辆电动汽车且当电动汽车到达换电站后直接进行换电或者进入排队等待，同时换电站中的电池电量状态也分为满电X(t)，正在充电Y(t)和待充Z(t)三种；根据排队论原理选择满电状态的电池装入，完成换电操作；

根据统计概率电动汽车K到达换电站服从速率为λ泊松过程，卸下的电池充满电的过程服从μ的负指数分布；电动汽车的换电过程可运用排队论模型进行求解，公式如下所示：

从上述公式可得每个电池的状态概率P₀和运行N组需要充电电池概率P_n

上式中为换电效率并且小于1，确保换电过程稳态进行，P_s为换电过程中满电电池装入电动汽车所需排队长度的数学期望，通过判断电池的状态数据来更换换电站中的电池；

3)约束条件

A.潮流约束

n_D为配电系统节点数；g_ij和b_ij为配电线路ij的电导和电纳；G_ij和B_ij为系统24节点的节点导纳矩阵实部和虚部；和分别是变电站和换电站节点i时段t的有功和无功输出；和分别为配电线路节点i时间t的常规有功、无功负荷；为系统节点i时间t的充电负荷；

B.容量约束

是配电线路，变电站和换电站的允许的最大容量；

C.传输功率约束

P_ij,t和Q_ij,t分别为配电线路ij时间t传输的有功和无功；为线路上传输容量；

D.电压约束

V_i^max和V_i^min为配电系统节点i电压幅值的最值分别为1.05和0.95；V_i,t为节点电压值；

E.换电站约束

换电站中换电装置的数量S和电池组总数N不等式约束：S＜N (24)

换电站到节点的距离小于电动汽车单程最大行驶距离l_swap,i＜R (25)

F.逻辑变量约束

配电系统变电站只能选择一种容量进行扩容或者不扩容

步骤2充电负荷建模

1)无序充电模式

在没有协调管理电动汽车进行时，电动汽车处于无序充电状态，电动汽车结束当日行程后接入电网开始充电；根据电动汽车的充电功率和起始充电状态，可计算车辆充电持续时间；

在进行配电系统扩展规划时，分析电动汽车数量、最后一次出行时刻、充电时间和充电功率等因素，运用蒙特卡洛的模拟方法可得到电动汽车在无序充电模式下的充电负荷；

2)有序充电模式

在有序充电模式下，配电系统对电动汽车进行协调控制；

电动汽车有序模式中的主要参数有：电动汽车接入和退出配电系统时刻、起始状态SOC和离开配电系统时期望状态SOC；假设在最后一次行程结束后接入配电系统，次日出行前离开配电系统；使用蒙特卡洛模拟方法，根据每日里程、最后一次出行时刻和次日出行时刻服从的概率密度函数，确定模拟得到的电动汽车接入和离开系统的时间以及接入系统时的状态SOC；并设定期望车主在充满电后再离开系统；在得到上述数据后，可按照设定的目标调度策略实现有序充电的管理；

在电动汽车的有序充电管理中可以有不同的目标函数，依据所考虑的利益主体需求确定；首先在电动汽车调度周期内构建以配电系统总负荷的方差最小的模型函数，达到平衡系统负荷波动的目标，该模型可描述为:

上式中：f^LFD为配电系统负荷的方差；P_t^D为系统t时间的常规负荷，P_t^CH为充电负荷；为系统考虑周期里负荷的平均值；η^CH为充电效率；N为研究的电动汽车数量；Δt为一个调度时段的长度；K为电动汽车电池容量；分别为电动汽车接入配电系统和离开配电系统的时间；Ω为电动汽车集合；SOC^max和SOC^min为电动汽车SOC的最值；SOC_i,t,depart为i辆电动汽车离开系统时的实际SOC和为电动汽车预期达到的SOC；P^max为电动汽车i的最大充电功率；

式(27)为最小化系统负荷方差的目标函数，式(29)为满足等效荷电状态所需的方程约束；式(30)是电动汽车SOC约束；式(31)为电动汽车用户的充电需求约束；式(32)为车辆充电功率最大和最小值；式(33)为电动汽车的不可调度时段约束；根据该模型可以确定电动汽车在各时段的充电需求，从而得到有序充电模式下的充电负荷；通过该目标模型，可得到充电负荷向量根据到达每个节点的电动汽车的数量与系统的每个时间段与电动汽车的总数量的比率，将充电负载分配给每个节点，也可根据各时段各节点负荷占总负荷的比例来计算；

λ_i为配电系统节点i时段t可调度的电动汽车的比例，χ_i,t为可参与调度的电动汽车数量；

步骤3建立配电系统灵活规划模型

1)场景分析

运用矢量的方式定义未来场景其中为场景m下的常规负荷预测量，其发生的概率为为场景m下的电动汽车保有量，其发生的概率为为场景m下的充电模式，其发生的概率为其中τ^CM∈Λ^C，Λ^C为充电模式的场景集合包括有序和无序；假定这3个变量之间是相互独立的，可得未来场景m的发生概率的计算公式即为

2)计算不同场景下的适应成本

给定一个未来场景，根据场景矢量选择适当的充电负荷模型，并确定该场景的常规负荷和电动汽车充电负荷，并最终确定该场景下的规划方案；场景m为适应场景k的发展承担的适应成本即为适应场景k下的负荷增长需求，将场景m下的规划方案再次扩展时，需要承担的额外成本总和可表示为:

式中:和分别表示使场景m下的规划方案适应方案k所需的承担投资和运营成本；

3)配电系统灵活规划模型

初始规划时的总成本与为适应未来场景进行扩展规划的适应成本费用总和最小设为配电系统灵活规划目标函数模型，表示如下

其中:为场景m对应规划方案的投资成本费用；E(·)为期望值；为当场景m规划方案为适应其他可能场景额外适应成本费用；P(k)为场景k的发生概率。

2.根据权利要求1所述的适用于电动汽车规模化应用的配电系统的灵活规划方法，其特征在于，采用YALMIP+GUROBI求解器对所述的配电系统扩展规划模型进行求解。