安科瑞 陳聰

摘要:規(guī)模日益增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車和可再生能源帶來(lái)的不確定性給配電網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為綜合考慮多重不確定性、平衡運(yùn)營(yíng)成本與系統(tǒng)可靠性,首先,提出一種基于分布魯棒聯(lián)合機(jī)會(huì)約束的電動(dòng)汽車-配電網(wǎng)充放電調(diào)度模型。該模型將節(jié)點(diǎn)電壓、支路功率、備用需求等通過(guò)聯(lián)合機(jī)會(huì)約束建模,可以直觀地管理系統(tǒng)整體的可靠性。然后,為求解該模型,基于*優(yōu)Bonferroni近似方法將聯(lián)合機(jī)會(huì)約束問(wèn)題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二次規(guī)劃模型,其中,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也被視為決策變量。隨后,在不同電力系統(tǒng)上驗(yàn)證了所提模型的有效性和可擴(kuò)展性。結(jié)果表明,所提模型克服了經(jīng)典的隨機(jī)優(yōu)化和魯棒優(yōu)化存在的問(wèn)題,能夠有效平衡成本和可靠性,計(jì)算效率高、可擴(kuò)展性好,較Bonferroni近似方法降低約6.5%的成本。

關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車;配電網(wǎng);*優(yōu)Bonferroni近似方法;不確定性;風(fēng)險(xiǎn)管理

一、引言

截至2023年6月底,中國(guó)電動(dòng)汽車(EV)保有量已經(jīng)超過(guò)1200萬(wàn)輛,大規(guī)模接入電網(wǎng)的EV若不進(jìn)行合理調(diào)度,將對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí),EV作為一種具有時(shí)空和容量高度靈活性的負(fù)荷,具有很大的調(diào)節(jié)潛力,可以作為靈活性資源為配電網(wǎng)提供輔助服務(wù)并帶來(lái)安全效益,增強(qiáng)電力系統(tǒng)管控不確定性風(fēng)險(xiǎn)的能力。

單輛EV調(diào)節(jié)能力有限，無(wú)法參與電力市場(chǎng)EV聚合商作為EV與配電網(wǎng)的中間體,能夠管理EV充放電和電力市場(chǎng)交易,與配電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)。通過(guò)建立EV聚合模型,便于從整體角度分析EV集群的可調(diào)節(jié)潛力,減少模型中的變量個(gè)數(shù),降低模型復(fù)雜度與EV數(shù)量的關(guān)聯(lián)。EV接入和離開(kāi)充電站的時(shí)間、充電需求、滲透率日益增加的光伏/風(fēng)電等可再生能源、電網(wǎng)中的非靈活性負(fù)荷等均存在著不確定性,如何處理不確定性是EV并網(wǎng)充放電調(diào)度研究中的關(guān)鍵性問(wèn)題。

二、 算法對(duì)比分析

現(xiàn)有處理不確定性的經(jīng)典方法包括隨機(jī)優(yōu)化(SO)、魯棒優(yōu)化(RO)、機(jī)會(huì)約束舊等。其中,SO一般以目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)期望為目標(biāo),考慮了EV到達(dá)/離開(kāi)時(shí)間、非靈活性負(fù)荷、市場(chǎng)價(jià)格的隨機(jī)性,*大化配電網(wǎng)和EV聚合商利益的期望值。然而,SO往往需要場(chǎng)景驅(qū)動(dòng),復(fù)雜度與場(chǎng)景的數(shù)量高度相關(guān),場(chǎng)景過(guò)少可能導(dǎo)致對(duì)隨機(jī)性的刻畫不準(zhǔn)確,場(chǎng)景過(guò)多則帶來(lái)很大的計(jì)算負(fù)擔(dān)，與SO不同,RO關(guān)注可能出現(xiàn)的最壞情況,考慮隨機(jī)的可再生能源出力和負(fù)荷,通過(guò)強(qiáng)對(duì)偶理論和列與約束生成算法來(lái)轉(zhuǎn)化和求解兩階段RO問(wèn)題。與SO問(wèn)題相比,RO復(fù)雜度與場(chǎng)景的個(gè)數(shù)關(guān)聯(lián)較低,但由于最壞的情況在實(shí)際中可能以很低的概率出現(xiàn),這種方法可能過(guò)于保守。此外,由于SO和RO均未將風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)考慮在建模中,無(wú)法直觀地管理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

三、 算法處理方法

為解決SO和RO方法存在的問(wèn)題并平衡經(jīng)濟(jì)成本與系統(tǒng)安全，分布式魯棒機(jī)會(huì)約束(distributionally robust chance constraint,DRCC)模型受到越來(lái)越多的關(guān)注。通過(guò)建立DRCC模型處理了非靈活性負(fù)荷、可再生能源出力、市場(chǎng)價(jià)格等不確定性因素。采用機(jī)會(huì)約束限制電壓、功率等范圍以確保配電網(wǎng)在一定概率下安全運(yùn)行。采用DRCC模型對(duì)EV的可調(diào)空間進(jìn)行建模。然而，上述研究中的多個(gè)機(jī)會(huì)約束是獨(dú)立的,忽視了機(jī)會(huì)約束之間可能存在的關(guān)聯(lián),同時(shí)在單一機(jī)會(huì)約束的風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)選擇上具有一定主觀性,對(duì)每條約束取相同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為此,有必要聯(lián)合考慮機(jī)會(huì)約束,將問(wèn)題建模為分布式魯棒聯(lián)合機(jī)會(huì)約束(distributionally robust jointchance constraint,DRJCC)模型。然而,DRJCC模型是隱式的,難以求解，經(jīng)典的Bonferroni 近似Bonferroni approximation,BA)方法直接將聯(lián)合約束轉(zhuǎn)化為獨(dú)立約束,并根據(jù)Bonferroni不等式預(yù)先分配獨(dú)立約束的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),這可能導(dǎo)致模型過(guò)于保守為降低模型保守性,為此提出*優(yōu) Bonferroni 近似(optimized Bonferroni approximation,OBA)方法用于近似機(jī)會(huì)約束問(wèn)題,這種方法在滿足Bonferroni不等式的前提下將獨(dú)立約束的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也視為變量進(jìn)行優(yōu)化,可以降低模型的保守性。進(jìn)一步地,將 OBA方法求解DRJCC問(wèn)題應(yīng)用到考慮不確定性的潮流問(wèn)題中,提出了基于多項(xiàng)式展開(kāi)近似、連續(xù)凸近似等方法,并對(duì)比了不同近似方法的表現(xiàn)，盡管對(duì)采用 OBA方法求解的DRICC模型已有了初步的研究,但其應(yīng)用在大規(guī)模EV接人配電網(wǎng)的調(diào)度研究中尚且罕見(jiàn)。為此,本文在大規(guī)模EV接人配電網(wǎng)的調(diào)度問(wèn)題中建立了 DRJCC模型,聯(lián)合考慮了節(jié)點(diǎn)電壓、線路功率、備用需求,并采用OBA的方法求解。與相關(guān)研究相比,本文的主要貢獻(xiàn)如下:

1)為高效處理多重隨機(jī)性下EV接入配電網(wǎng)的調(diào)度問(wèn)題,建立了DRJCC模型,算例表明所提模型緩解了 SO 模型求解時(shí)間長(zhǎng)、RO的模型過(guò)于保守等問(wèn)題。

2)為處理難以求解的聯(lián)合機(jī)會(huì)約束模型,提出一種 OBA方法,將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也視為決策變量,將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成混合整數(shù)二次規(guī)劃模型,降低了模型的保守性,與預(yù)先確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的方法相比,在滿足可靠度要求的前提下降低約6.5%的成本。

3)所提模型將節(jié)點(diǎn)電壓、支路功率、備用需求等綜合考慮作為聯(lián)合機(jī)會(huì)約束建模,能夠通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)參數(shù)以直觀管理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),并便于平衡系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本和可靠度。

三、 解決方案

圖1 有序充電管理系統(tǒng)示意圖

圖2平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

有序充電管理系統(tǒng)由預(yù)測(cè)算法、能量管理策略、有序充電策略和充電樁運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)等構(gòu)成。預(yù)測(cè)算法包括光伏、風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)，是利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái) 24 小時(shí)至72小時(shí)的風(fēng)力、光伏發(fā)電和負(fù)荷需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，主要目的是為能量管理系統(tǒng)和有序充電策略提供未來(lái)時(shí)間的可用負(fù)荷容量和能量管理策略。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能裝置的充放電調(diào)控和引導(dǎo)充電需求，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低充電成本，通過(guò)以上算法和軟件構(gòu)成的一體化充電服務(wù)體系來(lái)提高運(yùn)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)力。

四、安科瑞有序充電云平臺(tái)具體的功能

平臺(tái)除了對(duì)充電樁的監(jiān)控外，還對(duì)充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)營(yíng)成本，平臺(tái)系統(tǒng)及虛擬電廠的架構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 虛擬電廠與電力交易結(jié)構(gòu)圖

能源規(guī)劃：采用魯棒優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化配置，提供經(jīng)濟(jì)*優(yōu)的容量規(guī)劃方案。

圖5 虛能源規(guī)劃示意圖

優(yōu)化調(diào)度：提高新能源消納

圖6 優(yōu)化調(diào)度示意圖

儲(chǔ)能峰谷套利：不僅可以平衡電網(wǎng)負(fù)荷，還可以節(jié)省電費(fèi)，增加收益

圖7 優(yōu)化儲(chǔ)能峰谷套利調(diào)度示意圖

削峰填谷：配合儲(chǔ)能設(shè)備、低充高放

圖8 削峰填谷示意圖

需量控制：能量?jī)?chǔ)存、充放電功率跟蹤

圖8 削峰填谷示意圖

柔性擴(kuò)容：短期用電功率大于變壓器容量時(shí)，儲(chǔ)能快速放電，滿足負(fù)載用能要求

圖9 柔性擴(kuò)容示意圖

五、產(chǎn)品選型

5.1充電樁

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來(lái)滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營(yíng)管理的市場(chǎng)需求。實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池快速、高效、安全、合理的電量補(bǔ)給，同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性，具有有智能監(jiān)測(cè)：充電樁智能控制器對(duì)充電樁具備測(cè)量、控制與保護(hù)的功能；智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能；云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等；遠(yuǎn)程升級(jí)：具備完善的通訊功能，可遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備軟件進(jìn)行升級(jí)；保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能；適配車型：滿足國(guó)標(biāo)充電接口，適配所有符合國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)。

5.2儲(chǔ)能產(chǎn)品

5.3監(jiān)測(cè)、保護(hù)、治理的相關(guān)產(chǎn)品

六、應(yīng)用案例

案例一：江陰某光儲(chǔ)充微電網(wǎng)項(xiàng)目

案例二：江陰某研究院微電網(wǎng)項(xiàng)目

七、結(jié)論

本文將考慮輔助市場(chǎng)的EV-配電網(wǎng)充放電調(diào)度問(wèn)題建模為 DRJCC模型,以平衡運(yùn)營(yíng)成本和可靠性并克服經(jīng)典SO和RO的缺點(diǎn)。然后，基于OBA方法,將無(wú)法求解的聯(lián)合機(jī)會(huì)約束轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二次規(guī)劃模型求解,與BA方法不同的是,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也被視為決策變量進(jìn)行優(yōu)化,降低了模型的保守性。最后,通過(guò)算例驗(yàn)證了模型平衡成本和風(fēng)險(xiǎn)的有效性、對(duì)EV數(shù)量和更大電力系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。本文研究未考慮擬合得到的隨機(jī)變量概率分布與真實(shí)分布之間可能存在的偏差。未來(lái),將進(jìn)一步研究基于模糊概率分布的分布式魯棒優(yōu)化模型,并增加對(duì)光伏、風(fēng)電、負(fù)荷、EV充電行為等多維不確定因素之間的相關(guān)性研究。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] BLAABJERG F, WANG H, VERNICA I, et al. Reliability ofpower electronic systems for EV/HEV applications [I].Proceedings of the IEEE, 2021,109(6):1060-1076.

[2]裴振坤,王學(xué)梅,康龍?jiān)?電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的控制策略綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2023,47(18):17-32.

PEI Zhenkun, WANG Xuemei, KANG Longyun. Review oncontrol strategies for electric vehicles participating in ancillaryservices of power grid [I]. Automation of Electric PowerSystems,2023，47(18):17-32.

[3]吳巨愛(ài),薛禹勝,謝東亮.電動(dòng)汽車聚合商對(duì)備用服務(wù)能力的優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2019,43(9):75-81.

WU Juai,XUE Yusheng,XIE Dongliang.Optimization ofreserve service capability made by electric vehicle aggregator[J].Automation of Electric Power Systems, 2019,43(9):75-81.

[4]方曉濤,嚴(yán)正,王晗,等.考慮“路-車-源-荷”多重不確定性的交通網(wǎng)與配電網(wǎng)概率聯(lián)合流分析[J1.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2022.46(12):76-87.

FANG Xiaotao, YAN Zheng,WANG Han, et al. Analysis onprobabilistic joint flow for transportation network and distributionnetwork considering multiple uncertainties of road-vehicle-source-load[J].Automation of Electric Power Systems, 2022,46(12):76-87.

[5]WANG ZF,JOCHEM P, FICHTNER W.A scenario-basedstochastic optimization model for charging scheduling of electricvehicles under uncertainties of vehicle availability and chargingdemand[J]. Journal of Cleaner Production, 2020,254:119886.

[6]許夢(mèng)瑤,艾小猛,方家琨,等.考慮用戶積極性的電動(dòng)汽車與機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻的兩階段隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度模型[J1.電網(wǎng)技術(shù),2022,46(6):2033-2041.

XU Mengyao, Al Xiaomeng, FANG Jiakun, et al. Two-stagestochastic optimal scheduling model for joint regulation of EV andthermal units considering users enthusiasm [J]. Power SystemTechnology,2022,46(6):2033-2041.

[7]CAO Y,HUANG L, LI Y Q, et al. Optimal scheduling ofelectric vehicles aggregator under market price uncertainty usingrobust optimization technique [J]. International Journal ofElectrical Power &, Energy Systems, 2020, 117: 105628.

[8]石錦凱,鮑諺,陳振,等.計(jì)及充電負(fù)荷不確定性的充電站儲(chǔ)能魯棒優(yōu)化配置方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2021,45(20):49-58.

SHI Jinkai, BAO Yan, CHEN Zhen, et al. Robust optimizationconfiguration method of energy storage for charging stationsconsidering charging load uncertainty[J]. Automation of ElectricPower Systems,2021,45(20):49-58.

[9]SABER H,RANIBAR H,EHSAN M,et al. Transactivecharging management of electric vehicles in office buildings: adistributionally robust chance-constrained approach [J].Sustainable Cities and Society, 2022,87: 104171.

[10]陳巖,靳偉,王文賓,等.基于電動(dòng)汽車分群的“風(fēng)-網(wǎng)-車”聯(lián)合消納調(diào)度策略[J].中國(guó)電力,2021,54(4):107-118.

CHEN Yan, JN Wei, WANG Wenbin, et al. Schedulingstrategy for “wind-network-vehicle” joint accommodation basedon electric vehicle clustering[J]. Electric Power, 2021, 54(4):107-118.

[11]LEMESKI A T,EBRAHIMI R,ZAKARIAZADEH A.Optimal decentralized coordinated operation of electric vehicleaggregators enabling vehicle to grid option using distributedalgorithm[J]. Journal of Energy Storage, 2022,54: 105213.

[12]CHEN LM,TANG HL,wU JK, et al. A robustoptimization framework for energy management of CCHP userswith integrated demand response in electricity market [J]International Journal of Electrical Power &, Energy Systems,2022，141:108181.

[13]RAYATI M，BOZORG M，CHERKAOUI R,et al.Distributionally robust chance constrained optimization forproviding flexibility in an active distribution network[J]. EEETransactions on Smart Grid,2022,13(4):2920-2934.

[14]NGUYEN H T, CHO D H. Decentralized distributionallyrobust coordination between distribution system and chargingstation operators in unbalanced distribution systems[J]. EEETransactions on Smart Grid, 2023,14(3):2164-2177.

[15]SHI XY,XU YL,GUo Q L,et al. Day-aheaddistributionally robust optimization-based schedulingfordistribution systems with electric vehicles [I]. IEEETransactions on Smart Grid,2023,14(4):2837-2850.

[16]文藝林,胡澤春,寧劍,等.基于分布魯棒機(jī)會(huì)約束的充電運(yùn)營(yíng)商參與調(diào)峰市場(chǎng)投標(biāo)策略[J1.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2022,46(7):23-32.

WEN Yilin, HU Zechun, NING Jian, et al. Bidding strategy ofcharging operator participating in peak regulation market basedon distributionally robust chance constraint[J]. Automation ofElectric Power Systems, 2022,46(7):23-32.

[17]XIE WJ, AHMED S,JANG R W. Optimized Bonferroniapproximations of distributionally robust joint chance constraints[J].Mathematical Programming: Series A and B, 2022, 191(1):79-112.

[18]YANG L,XU YL,SUN HB, et al. Tractable convexapproximations for distributionally robust joint chance-constrained optimal power flow under uncertainty [J. EEETransactions on Power Systems,2022,37(3):1927-1941.

[19]RAFIQUE S, NIZAMI M S H, IRSHAD U B, et al. A two-stage multi-objective stochastic optimization strategy tominimize cost for electric bus depot operators [J]. Journal ofCleaner Production,2022,332:129856.

[20]徐湘楚,米增強(qiáng),詹澤偉,等.考慮多重不確定性的電動(dòng)汽車聚合商參與能量-調(diào)頻市場(chǎng)的魯棒優(yōu)化模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2023,38(3):793-805.

XU Xiangchu, MI Zengqiang, ZHAN Zewei, et al. A robustoptimization model for electric vehicle aggregator participation inenergy and frequency regulation markets considering multipleuncertainties Jl. Transactions of ChinaElectrotechnicalSociety,2023,38(3):793-805.