含电动汽车充电负荷的交直流混合微电网规划

随着清洁能源的推广和用户经济性的需求，分布式电源和家用电动汽车接入量越来越大，而原有交流微电网在规划容量、规划面积已定情况下，不能满足新增负荷的需求，需要构建适应不同负荷需求的新型微电网;同时，电动汽车的接入给电网带来诸多影响，如果不对其充电行为进行协调控制，就有可能危害电力系统的安全与经济运行。

随着技术的发展和需求的增多，具有更广泛适应性的交直流混合微电网应运而生，它具备多重优点：①交流子微电网更适合与配电网间进行能量交互;②直流子微电网减少了能量传输过程中换流器的数量和损耗，有利于不同分布式能源的接入;③交、直流负载可以分别接入交、直流子微电网，减少了换流器的数量和损耗。

研究存在的问题

1)电动汽车接入交直流混合微电网与交流微电网优化配置的差异。

2)电动汽车的无序充电和有序充电模式对微电网优化配置的影响。有序充电不仅要考虑用户的经济性需求，还要兼顾电网的利益不能使微电网负荷波动过大。

3)微电网本身的扩展模式问题。原微电网如果与新建微电网存在能量交互，形成多微电网系统，多微电网系统的优化配置问题值得思考。

微电网扩建模式与交直流混合微电网结构分析

如图1所示，在负荷容量和直流负荷增加的情况下，需要扩建新的微电网。扩建的前提是不能改变原交流微电网的分布式电源配置、联络线最大交互功率和原微电网的负荷功率，新增的交直流负荷需要通过扩建的交直流混合微电网来支撑。存在两种模式：①新建微电网不与原微电网交互，但与配电网进行交互;②新建微电网与原微电网和配电网均存在功率交互。在第一种模式下，规划只需要考虑新建交直流混合微电网侧的电源配置;在第二种模式下，规划问题要考虑原微电网和新建微电网整体利益最优。

以第一种模式为例。扩展后的交直流混合微电网包括两个子微电网，如图1(b)。交流子微电网分别与配电网和直流子微电网相连，包括风力发电机和交流负荷。直流子微电网与交流子微电网经双向AC/DC换流器相连。直流子微电网内分布式电源有光伏、储能和以电动汽车为代表的直流负荷。相比传统交流微电网，交直流混合微电网减少了换流装置，降低了系统的换流损耗。交直流混合微电网优化配置除了要规划各种分布式电源容量，还要考虑子微电网间的能量如何流动，微电网与主网间能量如何交互。

图1 微电网结构

交直流混合微电网容量优化配置模型

经济性成本

目标函数 包含分布式电源安装成本(CI)、微电网设备运行管理费用(CO)、微电网与配电网的交互成本(CT)和电动汽车充电费用(CE)，其代表了微电网的经济性成本。

负荷波动

目标函数 为总负荷曲线的方差，电动汽车进行优化调度后负荷曲线发生变化，减小负荷曲线的方差对减少输电线路上的可变损耗有重要的意义，同时达了到削峰填谷减少负荷波动的效果。

优化模型求解

上述模型的求解是一个多目标规划问题，如果单独求解目标函数 ，求解结果会出现某时段内电动汽车充电需求过大而造成总负荷波动过大。而单独求解 会使得电动汽车充电不够经济性。因此目标函数 和目标函数 相互制约，模型在Java程序中搭建，应用CPLEX优化软件求解。

场景分析

本文构建了四个场景，对比分析不同情况下微电网的优化配置问题，包括：场景1：含无序充电电动汽车的交直流微电网优化配置;场景2：含无序充电电动汽车的交流微电网优化配置;场景3：含有序充电电动汽车的交直流微电网优化配置;场景4：含有序充电电动汽车、与原交流微电网功率交互的交直流微电网优化配置。

场景1、2、3的结构为扩展模式一，场景4的结构为扩展模式二。场景1、2的优化配置问题没有考虑与原微电网的功率交互和电动汽车的有序充电，因此前两个场景为单一的经济性成本目标函数。场景2中扩建的微电网变成了交流微电网，对场景1、2进行比较可分析交直流混合微电网与交流微电网优化配置的差异;场景3优化配置问题考虑了电动汽车的有序充电，对场景1、3进行比较可分析交直流混合微电网中电动汽车无序充电和有序充电对优化配置的影响;场景4既考虑了电动汽车有序充电又考虑了新建微电网与原微电网的功率交互，对场景3、4进行比较可分析新建交直流微电网与原交流微电网交互对优化配置的影响。为反映各种场景下微电网交互功率以及电动汽车有序充电对优化配置结果的影响，本文任意选取3天作为典型日，分析电动汽车有序充电以及微电网功率交互对优化配置结果的影响。

部分仿真结果分析

图2为电动汽车优化调度前后某三天交直流微电网负荷曲线，由图可见电动汽车调度前微电网的负荷集中在每天的18-22点，而电动汽车调度后负荷集中在早晨5-7点，并且降低了18-22点的负荷高峰。通过调度实现了峰谷转移，降低了用户的充电费用。

图2 电动汽车优化调度前后交直流混合微电网负荷曲线

图3给出了某三天原交流微电网与交直流混合微电网交互前后原交流微电网的交互功率曲线。图中可以看出原交流微电网与交直流混合微电网交互后原微电网的购电增多了，这是因为在自平衡度函数的约束下，如果原交流微电网不与新建微电网交互，交直流微电网侧购电会受到限制。而交互后原微电网和新建微电网作为一个整体，能量供给更加灵活，减少了新建微电网的构建成本，并提高了原交流微电网的联络线利用率。图中还可以看出原交流微电网与交直流混合微电网交互后售电尖峰变少，由于原交流微电网把多余的能量供给交直流混合微电网。原交流微电网通过增加购电减少售电调整原微电网与交直流混合微电网间的能量流动使得微电网整体效益更优。

图3 原交流微电网与交直流混合微电网交互前后原交流微电网的交互功率

结论

1)交直流混合微电网优化配置相比交流微电网优化配置减少了分布式电源的安装成本，增大了与主网的交互成本，其整体经济性更优。

2)电动汽车有序充电后，实现了负荷曲线的峰谷转移，减小了分布式电源的装机容量和微电网的交互成本。优化调度后同时减小了微电网的构建成本和用户的充电费用，取得了双赢的效果。

3)新建的交直流混合微电网与原交流微电网交互后，减小了新建微电网的规划成本，并提高了原交流微电网联络线的利用率。原交流微电网通过增加购电减少售电调整原微电网与交直流混合微电网间的能量流动使得整体效益更优。