计及可入网电动汽车的阻塞管理研究

  绪论

  1.1论文的研究背景和意义

  1.1.1论文研究背景
  随着电力领域向着市场化发展,整个电力领域有了更多及更新的机遇和挑战。输电系统的阻塞就是其中一个重大的挑战,其是市场环境下保障电网能够平稳运转的关键,输电阻塞即是输电系统因其自身网络容量的约束而无法完成所有输电任务。其一般是指输电系统处于正常或开展事故安全检查的状态下发生了这些事件:一个是输电线路或者变压器的有功潮流大于了规定的上限,二个是系统中节点的电压超过了限制。在电力系统市场化改革之前,因为系统的调度方和各发电厂属于同一个主体,对于输电阻塞的管控仅需由垄断电力企业的调度者对相关电厂的调节机组发出调度信号直到整个输电系统在限制范围内运行就行。
  但是在这些年电力系统市场化改革越来越深入、跨区域电能的交易互通越来越频繁的情况下爱,输电阻塞已成为越来越严重的问题。网络潮流的分配规律变化受到电力交易分配规律的影响,而电力交易因其市场化的逐利行为特征,难以避免地会导致电力系统中部分价格较低的节点或线路出现超负荷运转的情况,进而引起更多的输电阻塞,对整个电网系统带来了极大的安全运行隐患。在这样的情况下,要良好地解决电力阻塞的问题则必须要制定一个成体系的规则对发电机及其复合开展高效的管控,以保证系统短时间内运转的安全性、可靠度,并为电力系统的长远投资给予高效的规划建议。
  1.1.2论文研究意义
  理想状况中,电力系统里的分布式电源、储能装置等双向互动能够在可调度的限制中完全满足市场价格调度的要求,减少自身的成本、优化提升效益并提升电力系统的总体效率。不过没有限制或者引导的用电活动以及无理的调度活动都会造成电力系统的超负荷及阻塞,从而对配电系统的安全运行、经济效益产生影响。利用合理的价格的措施还能够鼓励激发不同可以灵活进行资源的调度来形成对市场价格趋势的自动响应,避免输电阻塞的问题。
  电动汽车可看做为一种新兴的可灵活调度资源,它能够利用V2G(Vehicle-to-Grid)技术协调电动汽车和电网间的充放电,使电动汽车对电网的安全稳定运行给予帮助。V2G通过电动汽车丰富的储能资源来缓冲电网及可再生能源。当电力系统的负载太高便可通过电动汽车储能进行输电;反之当负载太低时,可用电动汽车来储能,消除电力的浪费。利用市场化的价格机制引导电动汽车有序充放电,用户基于电价的变化对各时段电动汽车负荷进行需求响应,不仅能达到削峰填谷和规避电力系统阻塞的效果,也给电动汽车用户带来一定的经济收益,从而实现了用户和电力系统的双赢。因此,对可入网电动汽车参与阻塞管理的研究具有重要的现实意义。

  1.2国内外研究现状

  目前全球学者对于电力系统的电网阻塞已经有了许多研究,有了许多减小或解决阻塞的行之有效的措施。在电力领域市场化不断改革发展的形势下,因为市场化对阻塞的主导性影响,让当前对阻塞的管控任务产生了改变,以往单纯地去除线路过量负荷而调整发电机的相关设定已经不适用当前的形势,需要通过确定一个规则体系来管控发电机及在和,使电力系统的短期运转能更加安全可靠,并为电力系统的长远投资规划提供优质的决策。[1]。
  传统方法中去除阻塞的主流措施有2种:在技术上,依靠科学合理的调度措施及方法或者通过灵活交流输电等技术来缓解电力的阻塞;在经济上,可以通过价格机制的运转来对经济合同进行影响,比如输电阻塞合同等,以处理阻塞问题。全球电力市场中主流有效的交易模式有2种,联营交易模式以及双边交易模式[2],而阻塞管控措施需要根据所采取的电力市场交易模式来确立,研究者们针对各种不同的模式确立了不同的解决措施。现今在电动汽车领域越来越壮大的情况下,把它当作接入输电网络的一种全新负荷,其拥有柔性调度和不确定的特性,在充分普及开后会根据不同的充电秩序而极大地左右电力系统的需求响应以及阻塞管理。EV的充电负荷以及考虑了V2G技术的放电负荷,其在电力系统优化运转的作用和未来发展已经得到大量认可,世界多位研究者都对如何管理电动汽车其V2G技术来完成电力系统的负荷协调、消除负荷尖峰和阻塞进行了广泛研究。
  1.2.1传统阻塞管理方法
  (1)联营交易模式下的输电阻塞管理方法
  在这种模式下,发电厂商和用户需要给联营中心提供自己的电力功率/价格曲线,电力联营中心收到数据后再针对不同的目标来规划出满足各方要求和限制的发电方案。在这样的约束方程中考虑网络安全约束问题,便可以得到有着阻塞管理的发电方案。在国际电力市场里,阻塞管理的方法主要分为节点电价法、分区电价法等3种方法。北欧和加州的电力市场主要使用分区电价方法,英国主要采用上下限约束的方法来开展阻塞管控。
  (2)双边交易模式下的输电阻塞管理
  在这种模式下,发电商和用户需要进行自主交易,双方确定交易量后再向独立的系统调度员提供议定的合同、每个发电机的增发与减发电价。独立系统调度员将按照所有交易合同的情况来核查电力系统的安全状态,当存在输电阻塞时便按照既定的目标调整发电机的输出来缓解消除问题。
  (3)利用输电权进行输电阻塞管理
  输电网是发电商及用户之间的电力输配通道,其能否正常运转不只极大程度地影响着整个系统的安全性与可靠性,还对市场化中的竞争产生着影响。因为负荷波动及电力无法大量而经济适用地储能等因素,使得电能的价格随时都在起伏着。为了规避电价及相关投资策略的潜在隐患,需要一个成熟的机制来去除市场参与者面临的威胁。文[3]对于输电权的相关方法,它是与输电容量相关的各种权利,能够给予输电权持有者相应的输电容量以及其他经济权利。在考虑输电权后电力市场的交易资源出了电能和辅助服务外新增到了3种。输电权方法能够明确电力阻塞的相关耗费,并通过市场化的措施来开展管控。
  1.2.2电动汽车通过V2G参与阻塞管理
  (1)V2G的概念
  电动汽车的动力来源是其内置的可充电电池,它的发展壮大离不开电力系统的保障。电动汽车入网(Vehicle-to-Grid)技术就是在这种背景下产生的。V2G概念最开始是美国学者Kempton和Letendre在上世纪90年代末提出的[4]。这个技术对电动汽车与电网的全新交互形式进行了阐述,电动汽车的功能不只是消耗电力,而在其闲暇时间段还能够作为一种可再生的绿色能源对电网系统供能,完成控制下的电动汽车与电网之间能量的相互交换。电动汽车入网技术阐释了汽车入网后,与电网进行交易来出售响应服务或协调充电功率的交互体系。因为大多数的汽车每日的闲置模式占比高达95%,内置的电池有大量的机会参与到V2G中来完成其和电力系统的双向交互[5]。
  (2)电动汽车参与阻塞管理
  在电动汽车入网技术下,EV既可以作为系统的负荷,又可以作为分布式储能设备,成为配电系统中可灵活控制且对系统运行助益效果显著的调度对象。当汽车上的电池需求电能时,电力系统便自主为汽车开始充能;当车辆闲置时便将多余的电能返销给电力系统。电动汽车做成一个电能储备设备及峰值协调系统,能够在电网电能充裕时补足电能,提升电网的使用效率,能够在电网用电高峰时对外供电,减少电网的负荷压力,提升其运转的安全性和可靠度。
  电动汽车入网技术能够在用户和电力系统之间建立起实时的交互平台,利用电动汽车参与充电、放电的模式来增强电网的运行效率。在电网的高负荷时段,电动汽车能够成为其优质的峰值调至的装置,集中为电力系统补充电池中的声誉点亮,来替代相关的调峰电厂以协调减缓电网的负荷压力。此外,电动汽车除了这个功能外还可以消除输电阻塞以及电力的功能不足等问题,因为它更接近用户的生活,所以在这样的能量转换后能够立刻生效利用,可以减少长距离运输而引起的电能、热能损耗,使综合利用率达到75%到90%之间。在电网比较闲暇的时段,就可以自动为电动汽车进行充电啊,集中对电力进行移动式储备,以避免传统电力系统存在的空耗问题。

  1.3本文所做的工作

  本文将针对电力系统市场化形势下,以市场机制管理电动汽车通过V2G来完成电力协调、消除负荷尖峰和电网阻塞问题进行研究,重点将从这些方面开展:
  (1)电动汽车充放电负荷特性研究
  预测电动汽车保有量,分析电动汽车的行为特性及用户习惯,采用蒙特卡洛模拟方法,通过抽取起始SOC、每日行驶距离、起始充电时间等来计算电动汽车的充放电负荷,通过Matlab仿真得到一天24小时电动汽车充放电可控容量曲线并进行分析。
  (2)研究传统模式下的阻塞管理
  对传统的需求侧阻塞管理进行研究,主要通过可中断负荷和调节分布式发电机两种方法来消除阻塞。分别建立数学模型,考虑其电价,均以发电费用最小为目标函数,约束条件具体分析。当某条输电线路出现阻塞时,可以切断线路上某节点的负荷,使线路传输容量降低,从而消除阻塞;也可以调整发电机组出力,使备用发电机组多出力,从而消除阻塞。两种方法均可使电力系统安全稳定地运行。
  (3)电动汽车参与阻塞管理
  建立基于V2G的输电阻塞管理模型,考虑电动汽车电价,同样以发电费用最小为目标函数。电动汽车作为一种可灵活调度资源,在电网负荷低谷时,电动汽车充电,以储存电网剩余的大量电能,避免浪费;在电网负荷高峰时,电动汽车可向电网反向送电,以消除阻塞。
  (4)算例分析
  以IEEE14节点为例,分别研究使用三种方式消除阻塞的效果。对于传统方法,使用Matpower潮流计算程序,分别计算出切断某个节点负荷或调整发电机组出力后,系统阻塞的消除情况及所需费用。在V2G模式下,利用Matlab软件编程,在有功负荷平衡、机组功率上下限、线路额定传输容量及电动汽车数量等约束条件下进行优化,并根据实际情况中的电动汽车行为特性,得到调整前后的线路传输容量曲线,根据曲线分析电动汽车参与输电阻塞管理的效果。经过发电费用的比较,验证本文建立的基于V2G的阻塞管理模型的可行性与经济性。

  2电动汽车充放电负荷特性研究

  影响电动汽车充放电负荷的因素很多,本文主要考虑了电动汽车保有量、充电功率、充电时间、充电方式等。本文选择蒙特卡洛模拟法来展开研究,经由起始荷电状态、起始充电时间等来计算电动汽车的充放电负荷,求取电动汽车充放电负荷特性曲线,并对曲线进行分析。

  2.1电动汽车发展现状及保有量预测

  21世纪以来,世界对于石化能源的需求及消耗在持续增加,全球都面临着能源短缺、自然环境破坏等问题。而电动汽车(Electric Vehicle)将电能代替汽油来驱动可以实现污染物的零释放,和目前主流的燃油车比较可以极大程度地缓解与解决大气污染等难题。伴随着世界上不可再生能源的短缺以及新能源能源的飞跃,电动汽车在其经济适用性上已经在迅速追赶燃油汽车的脚步,其拥有的环保节能属性,将使电动汽车成为未来全球市场的宠儿,代表着将来整个汽车行业的改革方向。
  最近几年,全球重要的汽车大国均发表声明,把电动汽车行业的发展作为国家战略来保护和推进。特别是在部分欧盟成员国内,不单提出了禁售燃油时段,将其赋予法律效力,还采取了很多燃油汽车限行措施。我国的电动汽车领域也正在全面而大力地发展着,更把新能源汽车划为了我国未来重要的战略性产业其一。习近平总书记强调:发展新能源汽车是我国从汽车大国走向汽车强国的必由之路。并且我国中央出台了多个新能源领域的激励政策,在这种形式下我国的新能源汽车市场出现了跨越式的增长,每年都是一个全新的大台阶。
  《2017年中国新能源汽车产业发展报告》对我国今后新能源汽车的持有量进行了估算,具体数据如表2-1所示:

  2.2电动汽车充放电特性

  2.2.1.充电特性
  电动汽车的充电性能由3个重要因素确定,包括充电时的电流、电压及时间。电动汽车所用的蓄电池不同,其充电特性也会有一定的差距。目前可行的电动汽车充电服务模式包括整车充电和机械充电(换电)模式。整车充电模式是指车辆停靠期间为电动汽车进行直接充电,完成能量补给。根据充电时间的不同,整车充电又可分为常规充电和快速充电两种。下面详细介绍3种充电方式:
  (1)常规充电
  常规充电又称为慢充,充电时间一般为5~8h,较长的甚至达到10h,且充电电流通常较低,约为16A和32A。常规充电方式对汽车来讲,由于只需要充电接口和车载充电机等主要设备,便于对汽车的设计和电池的封装。同时,因为充电时的电流、功率较小,也不会对电池的生命周期产生什么影响。对于电力系统而言,因为电流和功率较小其产生的电网影响也较为轻微,但因为充电时间和地点的不确定性因素,要求配电网的支撑能力较高。此外,由于充电时间较长,需要较长时间占用车位进行充电,在如今大城市土地资源紧张的情况下,常规充电存在较大的限制,因此电动汽车使用的便利性受到一定的限制。
  (2)快速充电
  快速充电也可以称之为应急充电,它是通过为电动汽车的临时停泊供以短时而较大电流,其供电电流在150A到400A之间,通常情况是直流电流,通过非车载充电机实现大电流充电,充电功率可以做得较大,实现在20~30min内,为电池充电50%~80%。
  快速充电的最大优势在于充电时间短,可以满足电动汽车紧急充电的需求。但是,充电电流越大,充电时间越短,电池寿命越容易受到破坏,电力系统越容易受到冲击而引起公共电网中各种电流参数的波动,形成谐波危险。快充对充电网络的可靠度、安全性也有着非常严格的限制,所以目前的技术水平导致快速充电难以大范围推广利用,只适用于专用的充电站,能够为新能源汽车应急充电。
  (3)机械充电
  这种模式的另外一个名称是换电模式,它的原理是利用电池组的迅速替换来实现充电。电池的组的替换全程仅花费10分钟左右,不过因为电池组本身较重,且替换的技术含量很高,要有专门的技术人才使用专门的机械设备才能短时间内实现电池组的更替、充电等操作。
  2.2.2.放电特性
  动力电池是整个电动汽车的关键要素,是整个汽车领域与电力行业交叉融合的核心。不用类别的电池在释放电能时有着各自的特点,充电时还要对电池开展实时的监控测量,防止高温损坏电池的生命周期。当今使用最多的循环电池有三类:
  (1)铅酸电池
  主要为阀控铅酸电池,它的正极由含铅氧化物组成,负极是铅,将其放置在流酸水溶液等构成的电解液中,在释放电能时正负极产生硫酸铅。因这种材料的价格低廉、原料可获取程度高、电压稳定且比能量较高及能高倍率放电,在充电电池中占有绝对优势,是现在仅存的一种可大规模制备的电动汽车用电池。这种电池可以用在短途行驶的观光车、叉车等交通工具上,不适宜重型混合或纯电动汽车。
  (2)镍氢电池
  这种电池的组成元素是氢离子及镍单体,其储存的电能总量和生命周期长度要比镍镉电池优质许多,这种电池拥有记忆效应,需要定期地进行电能释放。在快速充电的状态下能够越过充电器内的微笑电脑来防止过度充电。镍氢电池相较于铅酸电池恶言,其拥有更高的比能量和功率,所以极大程度地增强了汽车的动力和续航性能。因为它在放电时的端电压能够更加缓慢地降低、放出的电能更多,所以非常适合用在纯电动汽车及混合动力汽车中。
  (3)燃料电池
  这种电池可以将燃料的化学能直接转化成电能,其效率、比能量、比功率都极高,还能够实现反应过程的全控制和持续反应,是非常优质的新能源汽车电池。不过如今的技术水平还无法实现它的成熟应用,相关重要环节还需进一步研究。

  2.3电动汽车负荷模型

  2.3.1电动汽车的行为特性
  现在设重庆市的新能源汽车占有量为三千,每辆车耗电量为15kW·h/100km,以此为例,进行电动汽车的行为建模并预测电动汽车负荷特性曲线。
  (1)行驶路程
  电动汽车行驶路线相对灵活,并且绝大多数电动汽车均用于市内短途行驶,每天行驶两次,行驶距离约为40公里,可以认为每次驶路程服从正态分布N(17.944,4.908)
  (2)充电方式
  针对每天的出行情况,电动汽车一般停在小区停车场或单位停车场,停留时间较长,因此采用常规充电方式。电动汽车最大充放电功率为6kW,充放电效率是0.95。起始SOC服从0.2-0.8之间的均匀分布,并且满足
  其中为充电最小负荷状态,数值为0.2,为放电最大负荷状态,数值为0.9;此外,SOC充电期望为0.9。
  (3)接入电网的时段
  结合重庆市的情况,对电动汽车用户用车作出以下假设,如表2-3所示:
  电动汽车早上到达公司及晚上离开公司的时间均符合正态分布。
  2.3.2电动汽车负荷特性曲线
  从电动汽车车主的角度而言,电动汽车的功能是满足日常出行需求,在满足车主需求的前提下,电网才可以对电动汽车的充放电进行引导,并在车主下一次出行之前使电动汽车SOC可以满足用户需求。在每次EV接入电网时,电网将电动汽车按SOC的大小均分为充电组和放电组,SOC较大的一半为放电组,可以根据电网引导进行放电。SOC较小的一半为充电组,可以根据电网引导进行充电。在电动汽车离网之前,电网都会使电动汽车的SOC达到车主需求,并根据电动汽车放电行为的放电量对车主给予一定的补偿。
  在上述充电、放电负荷相关因素(汽车保有量、起始荷电状态等)的影响下,本文通过计算得到了重庆市一天24小时电动汽车的充放电可控容量曲线,如图2-3、2-4所示:

  3传统需求侧阻塞管理研究

  随着世界各国电力工业改革的不断推进,引入市场机制,通过有效竞争,提高整体效率,优化资源配置已成为一种潮流和趋势。在电力市场建设初期,发电和售电作为竞争性环节有序放开,而输电网由于存在规模经济性,往往仍旧处于垄断地位。作为连接发电侧和电力用户的桥梁,输电网络必须无歧视地向所有市场参与者开放[6],以确保电力市场的公平、有效竞争。但由于网络自身的物理限制和电力商品实时供应平衡、不可大量储存的特性,电网不能完全满足发电竞争所提出的输电服务要求,即产生了输电阻塞,这是在输电网运行中的不可忽略的问题。

  3.1阻塞的概念

  它是指电力系统因为自身网络容量的约束而无法实现输电目标的一种状态。一般情况下都是电力系统在正常运转或开展事故安检时发生这些事件:一个是输电线路或者变压器的有功潮流大于了规定的上限,二个是系统中节点的电压超过了限制。
  输电阻塞的情况通常会在潮流分配较为集中、网络容量不够的电路上出现,会对电网的有着3类影响:一是导致电网运转的不安全与不稳定;二是引起电力市场的运行无效、失灵;三是对输电的价格及发电厂的价格竞争方略产生影响。

  3.2阻塞管理

  3.2.1概述
  在出现输电阻塞情况是,电网的管理方要啊保障这些线路的持续平稳运转,必须对电力的传输条件进行规定和限制,这种行为就被称为阻塞管理。负责系统运转的独立调度员要保证每一个市场参与方的公平,要实现最佳的社会效益或购电花费最低,就必须找到一个最佳的阻塞管理模式来细条潮流分布,实现既保障平稳运转又维持市场高效运转的目标。
  在当前市场化趋势越来越强烈的环境下,一个良好的阻塞管理需要处理好这些问题:怎样才能通过合理的电力网络规划来规避出现远期的阻塞,推动电力市场的更好发展;如何探索出行之有效的机制制度来管理供电房和需求方以应急可能出现的短期阻塞,来追求更大的市场利益降低阻塞带来的负面影响。所以对阻塞管理方法的研究具有重要的社会和经济意义:一是能够保障整个电力系统的平稳运转;二是在发生阻塞时保证社会效益的最优;三是能够营造一个更加公开、和谐的电力行业市场环境。
  3.2.2最优调度原则
  在电力领域市场化竞争里,要使得电网系统安全平稳运行、发电方自由参与竞争、消除输电阻塞的发生,则对于电力调度提出了几个方面的原则:一是最低竞价有限并网原则,电力公司的购电成本要降到最低以保证报价最低的机组能够最先并网,来实现发电方的公平竞争;二是输电网络安全原则,要保证电能的运输低于电路的容量上限,实现整个系统的安全性和稳定性;三是社会效益最大化原则,要在满足了电网安全和平稳的基础上,实现用户利益的最大化。

  结论

  在电力市场环境下,输电阻塞是一个非常关键的问题,它是保证电网安全运行的核心。因此,需要制定一系列规则来有效控制发电机和负荷,有效地进行阻塞管理。本文主要研究了三种阻塞管理方式,传统模式下有可中断负荷、调节分布式发电机;V2G模式下,利用电动汽车的灵活可调度特性,即其既可以作为系统的负荷,又可以作为分布式储能单元,成为配电系统中可灵活控制且对系统运行助益效果显著的调度对象,使得在电网用电低谷时,可以把电网中多余的电能储存在电动汽车的蓄电池中,当出现电网的负荷过高的情况,能够将汽车的蓄电池作为电源向电网供给,进而能够改善负荷波动太大的情况,进而能够改善电网出现堵塞的状况。笔者在构建三种的数学模型的基础上,确定目标函数及约束条件,利用Matlab编程及Matpower潮流优化程序,以IEEE14节点系统为算例,计算得到每种方式下调整前后的阻塞线路传输容量曲线,并通过比较其发电费用,证明同时考虑V2G及调整机组出力的方式不仅可以引导电动汽车通过V2G技术实现协调调度,避免负荷尖峰和配电系统阻塞,而且经济性最好。

  致谢

  在进行毕业论文的这3个月里,是我整个大学生涯里涉及面最广、时间跨度最长、工作量最多的一个学习机会。张谦老师老师说通过此次毕业论文能够把之前学习到的课程知识都进行有效的运用,如果能够将所有小课的精髓全部领悟,具备较强的逻辑能力,那么就可以高效地完成这个毕业论文。
  人们常说,磨刀不误砍柴工,所以当我遇到一些目前不能解决问题的时候,我都会及时地向我的同学们进行请教,他们会对我阐述的问题进行耐心的回答,从来不会因为缺乏耐心而对我进行指责,而是反复地给我强调应该重视的地方,无论是课题的确定,或者是最终的设计完成,老师们都给我提供了很多的帮助,真正意义上完成了“传道受业解惑”的任务,这些都让我特别敬佩。很多个日日夜夜,老师都给我们提供了很多的学业指导,并且也在生活以及思想层面给我了我很多的关心,我对老师们的专业知识特别敬佩,并且也对它们细致的科研态度产生了很大的敬佩,并且在日后的工作以及学习里,我都会以此为榜样,不断地努力学习并争取进步。
  同时本论文的顺利完成还要感谢丁铸玮师兄的大力支持与友好合作,他认真负责,帮我解决了论文工作中的很多难题。

  参考文献

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  [3]姚文峰.市场环境下电网的输电阻塞管理研究[D].湖南,湖南大学,2006
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