考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電樁規劃方法

考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電樁規劃方法
【專利摘要】一種考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電樁規劃方法，包括：1、建立充電樁容量規劃的整體模型：在頂層優化中，以配網系統可接入電動汽車負荷最多為目標對充電樁的容量進行規劃，使避免在電壓暫降消除后，電動汽車負荷的全部切除導致配電系統出現嚴重過電壓的現象。2、建立并聯無功補償電容優化模型：在底層優化中，以電動汽車負荷切除前系統線路損耗最小為目標，優化并聯無功補償電容的容量。該充電樁規劃方法可以有效避免大規模電動汽車并網時，電壓暫降導致電動汽車跳閘從而引起的嚴重過電壓現象，保證電網的安全穩定運行。
【專利說明】
考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電樁規 劃方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電粧規劃 方法，屬于電動汽車充電粧規劃技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著能源短缺和環境惡化問題日益加劇，電動汽車以其節能、減排的優勢，成為各 國競相發展的新興產業。電動汽車的規模化發展，使得電動汽車充電站的規劃研究成為目 前研究熱點。然而現有的關于充電粧規劃的相關研究中，都未考慮過電壓暫降導致電動汽 車負荷切除從而引起的暫降消除后的過電壓現象，以及該現象對節點接入電動汽車容量的 限制。這種過電壓現象具體是由于配電系統的電壓暫降會引起電動汽車保護裝置動作，使 得電動汽車負荷切除，由于短時間內節點并聯補償電容來不及改變，擾動消除時，大部分電 動汽車負荷的切除使得配網線路輕載從而導致節點電壓抬升。在夜間基礎負荷處于低谷 時，這種過電壓現象發生的概率最大，若過電壓超過1.1P.U.時，其它電力設備將進一步從 電網斷開，這樣的級聯反應造成的過電壓，將會損壞配電設備和剩余負載。因此，建立一種 考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電粧規劃方法是十分有必要的，可以 有效避免這種嚴重過電壓現象，保證電網的安全穩定運行。

【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提供一種考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充 電粧規劃方法，該方法以配網系統可接入電動汽車負荷最多為目標，同時能夠避免在電壓 暫降消除后電動汽車負荷全部切除而出現嚴重過電壓的現象，來進行充電粧的規劃，保證 電動汽車大規模并網時電網的安全穩定運行。
[0004] 本發明達到發明目的所采用的手段如下:一種考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳 閘引發過電壓的充電粧規劃方法，通過建立充電粧容量規劃的整體模型:在頂層優化中，以 配網系統可接入電動汽車負荷最多為目標對充電粧的容量進行規劃，使避免在電壓暫降消 除后，電動汽車負荷的全部切除導致配電系統出現嚴重過電壓的現象;并通過建立并聯無 功補償電容優化模型:在底層優化中，以電動汽車負荷切除前系統線路損耗最小為目標，優 化并聯無功補償電容的容量;從而在有效避免大規模電動汽車并網時電壓暫降導致電動汽 車跳閘從而引起的嚴重過電壓現象，保證電網的安全穩定運行的前提下，最終規劃出各充 電粧的容量;包括如下步驟：
[0005] (1)輸入已知變量，包括:系統電壓等級Vd;網絡拓撲的節點數n，及節點類型信息； 網絡線路數m;與網絡節點i相鄰位于節點i下游的節點數集合Ci = {j : (i，j) ec, i< j}，其 中，若節點i，j間由支路連接，則（i，j) e C;支路變比信息kij，（ i，j) e C;電動汽車充電粧安 裝節點位置的集合A，共a(0<a<n-l)個節點;配網可投切無功補償電容組的安裝節點位置 集合0，共(1(0<(1彡11-1)個節點 ；節點基礎有功負荷、無功負荷數據口1,_沖,_(1 = 1，2···， η)和線路阻抗數據rij+jXij ((i，j) e C);單臺電動汽車充電功率Pd;電動汽車充電負荷的功 率因數cos p;第1個節點可規劃的充電粧容量最大值與節點基礎負荷的比值隊,。;系統規定 的節點嚴重過電壓限值V。;可投切無功電容組容量QdkVar/組，對應每組補償電容的電納值 bd;節點最大可投入電容組數K。
[0006] (2)建立充電粧容量規劃的整體模型：各節點接入的電動汽車有功負荷為Pi,βν = β iPi,ne3V(i = l，2, . . .，a);其中，隊為第i個節點電動汽車充電粧容量與節點基礎負荷的比值； 考慮所有電動汽車負荷切除，系統仍不過電壓為約束，以系統接入的電動汽車總數量最多， 也即充電粧容量最大為目標進行規劃：
[0007]
[0008]設定各節點接入的電動汽車最大值約束：
[0009]
[0010] 考慮電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax不超過嚴重過電壓臨界值：
[0011] Vmax<Vc
[0012] (3)根據優化出的充電粧容量?^(^ = 0印^_，（1 = 1，2，...，&)，將其與單臺電動汽 車功率相除后向下取整得到各充電粧最多可接入的電動汽車數量：
[0013]
[0014] 從而得到最終規劃出各充電粧的容量：
[0015] PtpriPd，i gA〇
[0016] 采用本發明的方法，在有效避免大規模電動汽車并網時電壓暫降導致電動汽車跳 閘從而引起的嚴重過電壓現象，保證電網的安全穩定運行的前提下，最終規劃出各充電粧 的容量。
【附圖說明】
[0017]圖1本發明實施例23kV輻射狀10節點基礎饋線圖。
[0018]圖2本發明實施例電動汽車充電粧規劃的雙層粒子群算法流程圖。
[0019 ]圖3電動汽車跳閘前后電壓值對比圖。
【具體實施方式】
[0020] 在實際應用中采用的步驟如下：
[0021] (1)輸入已知變量，包括:系統電壓等級Vd;網絡拓撲的節點數n，及節點類型信息； 網絡線路數m;與網絡節點i相鄰位于節點i下游的節點數集合Ci = {j : (i，j) ec, i< j}，其 中，若節點i，j間由支路連接，則（i，j) e C;支路變比信息kij，（ i，j) e C;電動汽車充電粧安 裝節點位置的集合A，共a(0<a<n-l)個節點;配網可投切無功補償電容組的安裝節點位置 集合0，共(1(0<(1彡11-1)個節點 ；節點基礎有功負荷、無功負荷數據?^_沖,_(1 = 1，2···， η)和線路阻抗數據rij+jxijGi，j) ec);單臺電動汽車充電功率Pd;電動汽車充電功率的功 率因數cos w ;第i個節點可規劃的充電粧容量最大值與節點基礎負荷的比值01,。;系統規定 的節點嚴重過電壓限值V。;可投切無功電容組容量QdkVar/組，對應每組補償電容的電納值 bd;節點最大可投入電容組數K。
[0022] (2)建立充電粧容量規劃的整體模型：各節點接入的電動汽車有功負荷為Pi, θν = β iPi,ne3V(i = l，2, . . .，a);其中，隊為第i個節點電動汽車充電粧容量與節點基礎負荷的比值； 考慮所有電動汽車負荷切除，系統仍不過電壓為約束，以系統接入的電動汽車總數量最多， 也即充電粧容量最大為目標進行規劃：
[0023]
[0024] 設足谷節點接人的電動汽車最大值約束：
[0025]
[0026] 考慮電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax不超過嚴重過電壓臨界值：
[0027] Vmax<Vc
[0028] (3)根據優化出的充電粧容量Pi, ev = i3iPi, _，（ i = 1，2，. . .，a)，將其與單臺電動汽 車功率相除后向下取整得到各充電粧最多可接入的電動汽車數量：
[0029] ......
[0030] 從而得到最終規劃出各充電粧的容量：
[0031] PtFnPd，i gA〇
[0032] 上述步驟(2)中電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax的確定方法：
[0033] 電動汽車全部跳閘后的節點電壓Vi(i = l，2, . . .，n)是通過將基礎負荷Pi,ne3V、 qi,ne3V、節點并聯補償電容bi(i e D)等數據帶入潮流計算得到：
[0034] n 1 j \ ' u
u …y ' u} V Μ
[0035]其中，9^ = 01-0」，01、0」分別為節點1和節點」的電壓相角;6^、8^表示節點導納矩 陣Υ中第i行第j列元素 Yu的實部和虛部;節點導納矩陣Υ是根據線路阻抗 C) 得到。
[0036] Pi、Qi為節點i注入的有功功率和無功功率：
[0037]
[0038]其中，Pi,G、Qi,G為節點i發電機發出的有功功率和無功功率;Pi, L、Qi,L為節點i負荷 的有功功率和無功功率，此時的負荷功率包括基礎負荷Pi,ne3V、qi,ne3V和并聯補償電容bi(ie D) 注入的無功功率；
[0039] 電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax為：
[0040] Vmax=max{Vi}，i = l，2, · · ·η
[0041] 上述并聯補償電容bKieD)的確定方法采用如下過程：
[0042] 建立并聯無功補償電容優化模型：在網絡正常運行即電動汽車充電負荷切除之 前，以線路損耗最小為目標，電壓在合格范圍內為約束優化線路并聯無功補償電容；
[0043] 目標函數
[0044] 其中，P_S網絡的線路總損耗，Pi j為節點i流向節點j的有功功率，Pji為節點j流 向節點i的有功功率;支路功率值Ρ^、Ρ#是先通過潮流計算得到電動汽車跳閘前的系統電 壓值Vi(i = l，2,. . .，η)，再根據節點電壓值計算得到：
[0045] 潮流計算：
[0046] L 戶
[0047] 其中，Pi = Pi, G-Pi, L，Qi = Qi, G-Qi, L;此時的負荷功率包括基礎負荷p i, nev、qi, _和并 聯補償電容bi(ieD)注入的無功功率，以及電動汽車的有功負荷Pi,edie A)和無功負荷 q i, e v (i e A);其中電動汽車在節點i的無功負夜
i，c % W為電動汽車負 荷的功率因數。
[0048] 潮流計算得到電動汽車負荷切除前的網絡各節點電壓值滿足約束：
[0049] 0.97<Vi<1.05，i = l，2, · · ·，n
[0050] 支路有功功率值：
[0051]
[0052]其中，1?為支路變比；
[0053]節點i上并聯的無功補償電容滿足約束：
[0054] bi = kibd, (i GD)
[0055] 其中，為節點i處投入的并聯補償電容組數。
[0056] 實施例
[0057]以一簡單的23kV輻射狀10節點基礎饋線為例，其網絡簡圖如附圖1所示。輸入其已 知變量，包括：電壓等級為23kV;網絡拓撲的節點數為10,其中節點1為平衡節點，節點2， 3，…，10為PQ節點；網絡線路數為9;與網絡節點i相鄰位于節點i下游的節點數集合Ci如表1 所示;支路變比kij = 1 (i，j eC)，其中若節點i，j間由支路連接，則（i，j) e C;電動汽車充電 粧安裝節點位置的集合{2,3，4,5，6,7，8,9,10}，共9個節點;配網可投切無功補償電容組的 安裝節點位置集合{5,7,9,10}，共4個節點；節點基礎有功負荷、無功負荷數據 Pi,_、qi,_ (i = l，2. .. ,10)如表2所示;線路阻抗數據rij+jxij((i, j) ec)如表3所示;單臺電動汽車充 電功率7kW，電動汽車負荷的功率因數^==0.9 ;第i個節點可規劃的充電粧容量最大值與 節點基礎負荷的比值隊,。=1〇(1 = 2,3, . . .，10);系統規定的節點嚴重過電壓限值Vc = 1. Ip. u;可投切無功電容組容量500kVar/組，對應電納值bd = 9.4518 X 10_4S;每個節點最大 可投入10組電容。
[0058]表1與節點i相鄰位于節點i下游的節點數集合
[0059]
[0060] 表2節點基礎負荷
[0061]
[0063] 表3網絡線路阻抗
[0064]
[0065] 在頂層優化中：建立充電粧容量規劃的整體模型：各節點接入的電動汽車有功負 荷為口^ =如^_(1 = 1，2，...，&);其中，私為第1個節點電動汽車充電粧容量與節點基礎 負荷的比值;考慮所有電動汽車負荷切除，系統仍不過電壓為約束，以系統接入的電動汽車 總數量最多，也即充電粧容量最大為目標進行規劃：
[0066]
[0067]設定各節點接入的電動汽車最大值約束：
[0068] β?^10,? = 2,3, . . . ,10
[0069] 考慮電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax不超過嚴重過電壓臨界值：
[0070] Vmax<l.l
[0071] 其中，電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax的確定方法：
[0072] 電動汽車汽車全部跳閘后的節點電壓Vi(i = l，2, . . .，10)是通過將基礎負荷 Pi,_、qi,_、節點并聯補償電容bi(i eD)等數據帶入潮流計算得到：
[0073]
[0074] 其中，9^ = 01-0」，01、0」分別為節點1和節點」的電壓相角;6^、8^表示節點導納矩 陣Y中第i行第j列元素的實部和虛部;節點導納矩陣Y是根據線路阻抗陽+>^((1，」）￡ C)得到。
[0075] Pi、Qi為節點i注入的有功功率和無功功率：
[0076]
[0077] 其中，Pi,G、Qi,G為節點i發電機發出的有功功率和無功功率，節點1處的Pi,G、Qi, G通 過潮流計算得到，節點2,3，~，10處的?^4,(；取值均為0必,1、0^為節點1負荷的有功功率 和無功功率，節點1處的負荷功率為〇，節點2，3，…，10處的負荷功率包括基礎負荷 Pi, ne3V、 qi,nev和并聯補償電容bi(ieD)注入的無功功率。
[0078] 電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax為：
[0079] Vmax=max{Vi}, i = 1,2, . . . , 10
[0080]在上述步驟中并聯補償電容bi(i eD)的確定方法：
[0081] 在下層優化中：建立并聯無功補償電容優化模型：在網絡正常運行即電動汽車充 電負荷切除之前，以線路損耗最小為目標，電壓在合格范圍內為約束優化線路并聯補償無 功電容；
[0082] 目標函數
[0083]其中，網絡的線路總損耗，Pi j為節點i流向節點j的有功功率，Pji為節點j流 向節點i的有功功率;支路功率值Ρ^、Ρ#是先通過潮流計算得到電動汽車跳閘前的系統電 壓值Vi(i = 1，2，...，10)，再根據節點電壓值計算得到：
[0084]潮流計算：
[0085]
[0086] 其中，？1 = ?^^^及=^^,(^^;此時節點2,3，一，10處的負荷功率包括基礎負荷 Pi,nev、qi,nev和并聯補償電容bi(ieD)注入的無功功率，以及電動汽車的有功負荷 Pi,ev(ie A)和無功負荷A)，其中電動汽車在節點i的無功負荷
。
[0087] 潮流計算得到電動汽車負荷切除前的網絡各節點電壓值滿足約束：
[0088] 0.97<Vi<1.05,i = l,2, . . . ,10
[0089] 支路有功功率值：
[0090]
[0091]節點i上并聯的無功補償電容滿足約束：
[0092] bi = kibd, 1 = 5,7,9,10
[0093] 其中，h為節點i處投入的并聯補償電容組數。
[0094] 采用雙層粒子群算法進行優化求解，其算法流程圖如附圖2所示。電動汽車負荷切 除前后，節點電壓值的對比圖如附圖3所示。求解得到的節點投入電容組數優化結果如表4 所示，節點可接入電動汽車負荷優化結果如表5所示。
[0095]表4優化得到的節點投入電容組數
[0096]
[0097] 表5優化得到的節點可接入電動汽車負荷
[0098]
[0099] 根據優化出的充電粧容量Ρι>(3ν，將其與單臺電動汽車功率相除后向下取整得到各 充電粧最多可接入的電動汽車數量C = L 7 kW J ./ = 2_ 3…·. 1 〇，再通過Pi,c=ri X 7kW，i =2,3,. . .10得到最終規劃出的各充電粧容量，其結果如表6所示。
[0100] 表6優化得到的各節點充電粧容量
[0101]
【主權項】
1. 一種考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電粧規劃方法，通過建立 充電粧容量規劃的整體模型：在頂層優化中，以配網系統可接入電動汽車負荷最多為目標 對充電粧的容量進行規劃，使避免在電壓暫降消除后，電動汽車負荷的全部切除導致配電 系統出現嚴重過電壓的現象;并通過建立并聯無功補償電容優化模型:在底層優化中，以電 動汽車負荷切除前系統線路損耗最小為目標，優化并聯無功補償電容的容量;從而在有效 避免大規模電動汽車并網時電壓暫降導致電動汽車跳閘從而引起的嚴重過電壓現象，保證 電網的安全穩定運行的前提下，最終規劃出各充電粧的容量;包括如下步驟： (1) 輸入已知變量，包括:系統電壓等級Vd;網絡拓撲的節點數n，及節點類型信息；網絡 線路數m;與網絡節點i相鄰位于節點i下游的節點數集合Ci = {j :(;[，」）￡(：4<」}，其中，若 節點i，j間由支路連接，則（i，j) e C;支路變比信息kij，（ i，j) e C;電動汽車充電粧安裝節點 位置的集合A，共a(0<a<n-l)個節點;配網可投切無功補償電容組的安裝節點位置集合D， 共(1(0<(1彡11-1)個節點 ；節點基礎有功負荷、無功負荷數據?^_沖,_(1 = 1，2...，11)和線 路阻抗數據ri」+jXij ((i，j) e C);單臺電動汽車充電功率Pd;電動汽車充電負荷的功率因數 wsp ;第i個節點可規劃的充電粧容量最大值與節點基礎負荷的比值&,。;系統規定的節點 嚴重過電壓限值V。;可投切無功電容組容量QdkVar/組，對應每組補償電容的電納值bd;節點 最大可投入電容組數K; (2) 建立充電粧容量規劃的整體模型:各節點接入的電動汽車有功負荷為pi, ev=βφ?, nev (i = l，2, . . .，a);其中，隊為第i個節點電動汽車充電粧容量與節點基礎負荷的比值;考慮 所有電動汽車負荷切除，系統仍不過電壓為約束，以系統接入的電動汽車總數量最多，也即 充電粧容量最大為目標進行規劃：設定各節點接入的電動汽車最大值約束： 考慮電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax不超過嚴重過電壓臨界值： Vmax^Vc (3) 根據優化出的充電粧容量pi,ev = βφ?,nev，（ i = 1，2，. . .，a)，將其與單臺電動汽車功 率相除后向下取整得到各充電粧最多可接入的電動汽車數量：從而得到最終規劃出各充電粧的容量： Pi，c=riPd，i eA〇2. 根據權利要求1所述的考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電粧規 劃方法，其特征在于，所述步驟(2)中電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值V max的確定 方法： 電動汽車全部跳閘后的節點電壓Vi(i = l，2, . . .，n)是通過將基礎負荷pi^hqi^v、節 點并聯補償電容bi(i eD)等數據帶入潮流計算得到： \ -J.其中，Qij = Qi-Qj，0^0」分別為節點i和節點j的電壓相角;Gij、Bij表示節點導納矩陣Y中 第i行第j列元素的實部和虛部;節點導納矩陣Y是根據線路阻抗r^+jxdUjhC)得 到； Pi、Qi為節點i注入的有功功鑾和壬功功鑾.其中，Pi, c、Qi, c為節點i發電機發出的有功功率和無功功率;Pi, L、Qi, L為節點i負荷的有 功功率和無功功率，此時的負荷功率包括基礎負荷Pi,ne3V、qi, ne3V和并聯補償電容bi(ieD)注 入的無功功率； 電動汽車全部跳閘后配網節點最大電壓值Vmax為： Vmax=max{Vi} ,1 = 1,2,. . .n〇3.根據權利要求2所述的考慮配網電壓暫降導致電動汽車跳閘引發過電壓的充電粧規 劃方法，其特征在于，所述并聯補償電容bKi eD)的確定方法： 建立并聯無功補償電容優化模型：在網絡正常運行即電動汽車充電負荷切除之前，以 線路損耗最小為目標，電壓在合格范圍內為約束優化線路并聯無功補償電容； 目標函I其中，網絡的線路總損耗;Pij為節點i流向節點j的有功功率;Pji為節點j流向節點 i的有功功率;支路功率值Pi j、Pji是先通過潮流計算得到電動汽車跳閘前的系統電壓值Vi (i = 1,2,...，n)，再根據節點電壓值計算得到： 潮流計算：其中，？1 = ?以平,[幾=0以-〇4;此時的負荷功率包括基礎負荷?^_沖,_和并聯補 償電容bi(ieD)注入的無功功率，以及電動汽車的有功負荷Pi,ev(ieA)和無功負荷 qi,ev(i e A);其中電動汽車在節點i的無功負f%電動汽車負荷的功 率因數； 潮流計算得到電動汽車負荷切除前的網絡各節點電壓值滿足約束： 0.97<Vi<1.05，i = l，2, · · ·，n 支路有功功率值：其中，kij為支路變比； 節點i上并聯的無功補償電容滿足約束： bi = kibd, (i GD) 其中，Iu為節點i處投入的并聯補償電容組數。
【文檔編號】H02J3/32GK105896579SQ201610261446
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月26日
【發明人】楊健維, 黃晶, 何正友
【申請人】西南交通大學