基于线性潮流模型求解的电动汽车充换电站有序充电方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电动汽车充换电站的充电方法，具体地说是一种基于线性潮流模 型求解的电动汽车充换电站有序充电方法，属于电动汽车充换电站技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，交通运输业消耗的初级能源消耗约占全球初级能源总消耗量的五分之一， 二氧化碳排放占世界排放总量的四分之一，其中近一半来源于乘用车。根据国际能源署发 表的《纯电动和混合动力电动汽车的技术路线》报告：如果不采取有效的控制和改善措施， 到2050年，世界温室气体的排放量将翻番、原油需求也将超过安全界限，因此世界各国都 在寻求降低能源消耗和温室气体排放的措施。
[0003] 电动汽车以电能驱动电动机作为动力系统，实现了以电代油，大大降低了二氧化 碳排放，提高了能源利用效率，是解决能源和环境问题的重要手段。另一方面，随着电池技 术的发展，电动汽车电池的平均研发费逐年降低，电动汽车的经济性也得到大幅改善。随 着能源和环境危机的不断加剧以及电动汽车电池费用的降低，电动汽车在性能、经济性和 环保性等方面已开始接近或超过传统燃油汽车，因此电动汽车开始在世界范围内逐渐推广 应用。
[0004] 电动汽车大规模普及后，70% -80%的电动汽车将采用换电池的方式补充电量，大 规模换电池的充电负荷值很高，若不合理地安排其充电方式，这些换电池的充电负荷将对 电网造成很大的冲击，导致设备过负荷、负荷曲线峰谷差增大及电网设备利用率降低等。为 了降低这些不利影响，需对电动汽车充换电站的换电池充电策略进行优化。为降低电动汽 车充电负荷对电网的影响，学者们在电动汽车的充电优化方面做了大量的研究工作，然而 以往的优化工作都未考虑电网网架结构及换电池的充电特性，因此日前电动汽车换电池的 充电优化的实用性仍较差。
【发明内容】
[0005] 为克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于线性潮流模型求解的电 动汽车充换电站有序充电方法，其不仅能够提高电网电力设备的利用率，降低电网风险， 而且能够显著降低充电成本，提高电动汽车运行的经济效益。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：基于线性潮流模型求解的电动汽车 充换电站有序充电方法，其特征是，包括以下过程：
[0007] (1)建立电动汽车充换电站的换电池有序充电优化模型：以最小化所属变电站负 荷曲线的离差平方和为目标，以各换电池的充电起始时刻为控制对象；
[0008] (2)进行潮流计算：将节点功率方程和支路功率方程线性化，得到待求变量和随 机影响因素之间的线性关系；
[0009] (3)对有序充电优化模型进行求解：利用遗传算法求解该模型，同时结合线性化 潮流方法求解优化过程中电网的节点电压和支路功率，从而得到相应的适应度函数并判断 解是否满足节点电压和支路功率的约束；
[0010] (4)根据求解对各个换电池进行充电。
[0011] 进一步地，所述建立电动汽车充换电站的换电池有序充电优化模型的过程包括以 下步骤：
[0012] (11)明确电动汽车换电池的充电特性
[0013] 对电动汽车换电池在充电过程中充电时间、充电功率和电池电量的实测数据进行 描点，可得电动汽车换电池的充电特性曲线，拟合充电特性曲线后可得式（1)所示的电池 电量与充电时间的关系式及式（2)所不的充电功率和充电时间的关系式，
[0015] 式中：tH是换电池的剩余电量（SOC)由0充至Ch所需的充电时间；C h是换电池的 剩余电量（SOC)，
[0017] 式中：Ph是换电池的充电功率；
[0018] (12)建立目标函数
[0019] 选取最小化充换电站所属变电站的负荷曲线离差平方和为目标函数，目标函数如 式⑶所示：
[0022] 式中：T是优化周期；Ps，t是t时刻所属变电站的总负荷，与换电池的起始充电时刻 有关，可由潮流计算得到；P siav是优化周期内变电站负荷的平均值，与换电池的起始充电时 刻有关；
[0023] (13)确定约束条件
[0024] 1)处于充电状态的换电池数不超过总的充电机数：
[0025] Nchargejt^ Nc(t = I, 2. . . T) (5)
[0026] 式中：Nehal^t是t时刻处于充电状态的换电池数量，与各换电池的充电起始时刻 有关；Ν ε是充电机的总数；
[0027] 2)充满电的换电池数可满足车辆需求，即大于电动汽车需要的电池数：
[0028] NFit^Nneedit(t= 1,2...T) (6)
[0029] 式中：\t是t时刻充满电的换电池数；N _^是t时刻电动汽车需求的换电池数 量；
[0030] 3)在优化周期内，所有换电池需充满电：
[0031] NFiT=Nb (7)
[0032] 式中：是优化周期T结束时充满电的换电池数；Nb是优化周期内需充电的换电 池数；
[0033] 4)充换电站功率约束：
[0035] 式中：Peniax是充换电站所能提供的充电功率上限；
[0036] 5)节点电压约束
[0037] Vni^Vli t<Vnax(i = l,2...N;t = 1,2...T) (9)
[0038] 式中：V_是节点电压下限值；V lit是t时刻节点i的电压值；V_是节点电压上限 值；N是节点数；
[0039] 6)支路功率约束
[0040] Plini^P1, ^Plinax (i = l,2...L;t = 1,2...N) (10)
[0041] 式中：Pliniin是支路i传输的功率下限；P lit是t时刻支路i传输的功率值；P 1ιΜΧ是 支路i传输的功率上限山是支路数；
[0042] 7)潮流方程约束
[0044] 式中：f是电网的潮流方程；戶是支路功率向量；P是节点电压向量；Y是节点导 纳矩阵。
[0045] 进一步地，所述进行潮流计算的过程包括以下步骤：
[0046] (21)节点功率方程的线性化处理
[0047] 对一个含有η个节点的系统，其节点的功率方程采用极坐标可以表示如下：
[0049] 式中=P1是节点注入有功功率；V i是节点电压的幅值；Θ i是节点电压的相位；G ^ 是支路电导；Bij是支路电纳；Q ;是节点注入无功功率；
[0050] 式（12)可写为一般式：
[0051] S = f (V) (13)
[0052] 式中：S是节点注入功率向量，包含节点有功向量与无功向量；V是节点电压向量， 包括电压幅值与相位向量；
[0053] 当节点注入功率变化时，节点电压向量也随之变化，可以表示为：
[0054] S = S0+ Δ S
[0055] V = V0+ Δ V (14)
[0056] 式中：S。是基础潮流下的节点注入功率；△ S是节点注入功率的随机扰动；V。是基 础潮流下的节点电压；A V是节点注入功率变化引起电压的随机扰动；
[0057] 将式（13)利用泰勒级数在V。处展开，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的高次项，得出节点潮流方程线性化表达式：
[0062] Δ S ^ J0 Δ V (17)
[0063] A V = J01 Δ S (18)
[0064] 式中：J。是基础潮流下的雅克比矩阵；J。1是节点电压对注入功率的灵敏度矩阵；
[0065] (22)支路功率方程的线性化处理
[0066] 电力系统的支路功率方程可以表示为：
[0068] 式中：b是变压器变比的标么值，如果是不含变压器的线路则t u其值为I ;b u。是 支路对地电纳的1/2 ;
[0069] 式（24)可写为一般形式：
[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与无功向量；
[0072] 将式（25)在V。处利用泰勒级数展开，得
[0073] R = R0+ Δ R = g (V0+ Δ V) = g (V0) +G0 Δ V+o ( Δ 2V) (26)
[0074] 式中：R。是基础潮流下的的支路功率；Δ R是支路功率的随机扰动。
[0075] 忽略式（26)中高次项，可得支路潮流方程线性化表达式：
[0076] Δ R ~G0 Δ V = G0J01 Δ S = T0 Δ S (30)
[0077] T0= G0J01 (31);
[0078] 式中：T。是支路有功功率对注入功率的灵敏度矩阵；
[0079] (23)重新计算确切潮流的节点电压和支路功率
[0080] 节点电压和支路功率线性化方程的完整状态量、输出量的一阶泰勒展开式如下：
[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是线性化潮流方程的适用阈值。
[0085] 进一步地，所述对有序充电优化模型进行求解的过程包括以下步骤：
[0086] (301)采集换电池的剩余电量S0C、常规充电负荷、分布式电源出力和电网其他负 荷ig息；
[0087] (302)选取"24小时"为优化周期，"1分钟"为优化步长，初始化染色体上各基因；
[0088] (303)形成种群P(S)，解码种群中的染色体得各换电池的充电起始时刻；
[0089] (304)结合测量得到的各换电池初始剩余电量S0C，计算各换电池在任意时刻的 充电功率，并得到各时刻正在充电和充满电的换电池数及充换电站总功率；
[0090] (305)判断解是否满足式（5)至（8