基于电动汽车聚合商参与需求响应业务的配网能量优化控制*

邱朝明，曲大鹏，范晋衡，刘琦颖，刘 轩，汤清权

（1.广州供电局有限公司，广州 510620；2.广州市奔流电力科技有限公司，广州 510630）

0 引言

近年来，由于低碳清洁、绿色出行理念的大力倡导，大中型城市电动汽车规模快速增长，大量的充电设施、换电站等接入城市配电网[1]。为方便电动汽车充电，政府及相关电动汽车充电桩厂商规划建设了较为密集的充电设施接入城市电网[2]。面对激增的负荷，电网公司迎来了新的挑战。而电动汽车作为一种特殊的移动储能装置，具有灵活可调，可双向充放电的特性，因此成为负荷聚合商侧优质的调节资源。

针对上述问题，宫鑫等[3]以上层目标为电动汽车聚合商利益最大化为目标，下层目标为发电商成本最低，建立了计及激励型需求响应的双层优化模型。杜习超等[4]和张明霞等[5]研究了配网中电动汽车不同接入位置及不同渗透率下对配网节点电压的影响。侯建朝等[6]和吴巨爱等[7]分析了影响聚合商充/放电策略的因素，进而提出了可接纳EV参与竞争的用户充/放电合约及相应的市场机制；在此基础上，构建了EV聚合商同时参与现货和备用市场的优化问题。孙亮等[8]基于聚合商的服务运作模式，对空调负荷调度策略展开研究，正常运行过程中寻求负荷的平滑接入，削峰运行过程中寻求最优削峰效果。刘敦楠等[9]提出了充电负荷聚合商的定义及运营框架，并分析了针对充电负荷聚合商参与绿色证书交易市场的驱动力，构建了充电负荷聚合商内外2级绿色证书交易模式，并针对绿色证书交易与碳排放权交易、电力市场交易的耦合机理，建立了多市场协调机制。孙伟卿等[10]将具有一定调节能力的负荷资源作为虚拟储能，并将其与储能相结合，建立用户侧广义储能的不确定性响应模型，提出狭义储能优先响应和虚拟储能优先响应两种负荷聚合商控制策略。

上述文献在进行电动汽车负荷调度时大多数以电动汽车聚合商经济利益为主要考虑目标，未考虑电网的经济安全运行。基于此，本文首先概述电动汽车负荷聚合商的基本概念，以大型充电站为对象，分析了电力侧、电动汽车聚合商侧和电动汽车用户三者之间的运作机制，接着分析了配网内负荷分布和配网有功损耗之间的关系，然后从电网公司的角度以配网网损最小为目标建立网商桩能量优化模型并介绍求解流程，最后结合算例验证有效性。

1 电动汽车负荷聚合商的概念及运行机制

传统负荷聚合商是一个整合用户需求响应并提供给市场购买者的独立组织，不仅可以为中小负荷提供参与市场调节的机会，还可以通过专业的技术手段充分发掘负荷资源，提供市场需要的辅助服务产品[11]。

电动汽车负荷聚合商是针对于电动汽车这一特殊充电负荷的负荷聚合商，相较于传统的负荷聚合商，电动汽车类负荷具有数量庞大、可调度性强等特点。电动汽车负荷聚合商通过整合区域内电动汽车负荷资源提高电动汽车需求响应资源聚合管理支撑，对各类车主进行业务指导，提高认购、响应、结算等环节的效率[12-13]。

电动汽车负荷聚合商与区域内电动汽车充电站、私人电动汽车充电桩、电动汽车换电站等安装智能充电控制设备，监控区域内电动汽车充电状态，并通过远程通信技术控制区域内电动汽车充电功率。电动汽车负荷聚合商通过与电网公司需求响应中心和电动汽车负荷签署双向协议，在电网侧发布需求响应事件时电动汽车负荷聚合商调度区域电动汽车充电负荷完成需求响应事件[14-15]。电动汽车负荷聚合商运行机制如图1所示。

图1 电动汽车负荷聚合商运行机制

电网、电动汽车负荷聚合商和电动汽车用户三者，以电动汽车负荷聚合商为枢纽，电网侧注重电网的安全可靠经济运行，负荷商则主要以经济利益为目标，用户侧对充电费用及充电体验较为敏感。三者以电网侧为主导，电动汽车负荷聚合商为枢纽，电动汽车用户为终端对象。

2 电动汽车接入配电网网损机理分析

一定规模的电动汽车接入配电网负载空间上的差异化分布会造成配电网潮流重新分布，引起配网的网损及电压的波动[16]。

以典型辐射型配电网拓扑为例，对电动汽车接入配电网对其网损影响进行分析。低压配电变压器等值电路如图2所示。配电网网损一般包括配变损耗及线路损耗，其中配变损耗ΔPT可分为铜耗PCu和铁耗PFe两部分，变压器模型如下：

式中：U为变压器高压侧运行电压；UN为变压器高压侧额定电压；P0为配电变压器空载损耗，P为配电变压器接入负载，SN为变压器额定容量；λ为功率因数，Pk为变压器短路损耗。

由此可知变压器的铁损与运行电压大小有关，但在通常运行方式下是一个很小的量；变压器的铜损与配变的负载大小成正比。

图2 低压配电变压器等值电路

图3 辐射型配电网拓扑

辐射型配电网拓扑如图3所示。

假设线路单位电阻值为r，则该段线路的有功损耗为：

式中：R为线路电阻；P为输送功率；U为运行电压；λ为功率因数；r为单位线路电阻；l为线路长度。

电动汽车一般认为恒功率负载，一定规模电动汽车接入配电网节点第k处并网后，整条馈线的网损ΔP为：

式中：PEV为电动汽车接入配网的充电功率；U为变压器运行电压；UN为变压器额定运行电压；SN为变压器额定容量；P0为变压器空载损耗；Pk为变压器短路损耗n≠k，m≠k。

由于配网线路及配变等元器件参数的差异，由上式可知，一定数量的电动汽车同时接入配电网时，负载分布的位置及大小的差异会造成的有功损耗差别也会较大，因此电动汽车聚合商在电网侧发布需求响应时，根据各充电站响应能力，合理分配功率可达到配网节能降损的目的。

3 网商桩能量优化数学模型和步骤

3.1 网商桩能量优化数学模型

结合上文分析，在配网不同位置通过调节电动汽车接入负载大小可有效优化配网网损，因此电动汽车负荷聚合商根据需求响应中心发布的需求响应事件及各充电站反馈的可响应负荷量[17-20]。

以电网为主体，以各电动汽车负荷聚合商响应量为约束，通过建立以电网网损最小为目标的优化模型并对其求解，对各电动汽车负荷聚合商分配需求响应量。

目标函数：

式中：Ii为第i条支路的电流，Ri为第i条支的电阻。

配电网的安全为稳定运行需满足潮流约束、节点电压约束。

（1）网络潮流约束

（2）节点电压约束

式中：Vmin为节点电压幅值下限；Vi为节点i的电压幅值；Vmax为节点电压幅值上限。

（3）需求响应约束

为保证充电站安全运行，各充电站的充电功率需小于配变额定容量，同时参与需求响应的各充电站需求响应功率之和需等于需求响应中心发布的需求响应量。

式中：PDR为对负荷聚合商下发的需求响应量；PSTAi为负荷聚合商对第i个充电站分配的功率。

（4）电动汽车充电站容量约束

式中：PSTAi为第i个电动汽车充电站的充电功率；SNi为第i个电动汽车充电站配变的额定功率；cosφ为充电站变压器额定功率因数，一般取0.95。

3.2 求解流程

根据网商桩能量优化模型及目标函数，采用蒙特卡洛模拟进行寻优，利用对各个充电站的功率分配达到配网能量优化。具体步骤如下。

（1）网架搭建及负荷低谷时期任一时刻潮流数据。

（2）设置蒙特卡洛总模拟次数K，记模拟次数i=1。

（3）蒙特卡洛模拟分配各充电站功率分配方案，并记蒙特卡洛模拟次数i=i+1。

（4）在各电动汽车充电站初始负载功率基础上叠加步骤（3）中分配给各充电站分配的功率，判断是否超过配变容量，若是，则返回步骤（3），若否，则执行步骤（5）。

（5）根据电动汽车充电站功率分配方案，代入网商桩能量优化模型求解，求解配网网损，并筛选最优方案。

（6）筛选最优方案。

求解流程如图4所示。

4 算例仿真

本算例选取南方地区某变电站其中一条10 kV线路，该线路为城镇负荷，全线共有30个负荷点，如图5所示，其中节点22、30、38、42、50分布电动汽车充电站，各充电站容量如表1所示。

图4 求解流程

图5 10 kV线路拓扑结构

表1 电动汽车充电站位置及配变容量

考虑目前V2G技术不成熟，且实际应用较少，因此本文不考虑电动汽车V2G模式。本算例中选取线路负荷低谷时期某一时刻网架潮流，根据区域配电网电动汽车充电站需求响应能力，需求响应中心下发的需求响应量为500 kW，根据区域配电网电动汽车充电站需求响应能力具体方案如表2所示，方案1将需求响应量均匀分布给5个充电站，方案2～4随机分配区域配网内充电站，方案5为根据本文所提策略为区域内各充电站分配的功率。

表2 各充电站容量分配方案kW

在算例网架结构及初始潮流数据基础上，根据上述分配方案重新进行潮流计算，不同方案下配网网损如图6所示。

图6 不同方案下配网网损对比

通过对比分析可知，本方案下网损量低于其他4种方案平均网损量约14.57%，最大可达到17.97%。因此，本文所提方法通过电动汽车充电站功率分配方案有效降低配网的网损，且一定程度上提高配网运行安全性。

5 结束语

本文首先概述电动汽车负荷聚合商和分析配网有功功率网损机理，接着建立了网商桩能量优化模型，并阐述了求解流程。最后结合南方地区某变电站其中一条10 kV线路进行算例仿真。结果表明，不同电动汽车充电站功率分配方案结果对比下，采用本方案相较于其他方案下的配网网损平均降低约14.57%，能量优化效果显著。

该模型计算速度快，求解流程简单，能适应区域配网内多电动汽车充电站参与需求响应业务等场景，对电网公司调度及需求响应中心有一定参考价值。下一阶段可在基于电动汽车聚合商参与需求响应业务的配网能量优化控制的基础上考虑电动汽车负荷聚合商的经济利益，建立双层优化模型，通过协同控制达到电网侧和电动汽车负荷聚合商互利共赢的目标。