储能和电动汽车充电站与配电网的联合规划研究_贾龙

73
文章编号：0258-8013 (2017) 01-0073-11
储能和电动汽车充电站与配电网的联合规划研究
贾龙，胡泽春，宋永华，丁华杰
(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084)
Joint Planning of Distribution Networks With Distributed Energy Storage Systems and Electric Vehicle Charging Stations
75
阶段变电站、变压器和线路的建设及使用情况，从 而确定网络结构，同时获得 EVCS 的位置、容量和 DESS 的初始位置、容量。在下层规划中，将已求 得的配电网结构和 EVCS 的位置容量作为已知条 件，将 DESS 的位置容量作为初始条件，考虑多个 典型日和多个时段， 建立 MINLP 模型， 优化 DESS 的位置和容量。最终形成 EVCS、DESS 和配电网 的联合规划方案。 其中，下层规划以配电网运行费用和 DESS 投 资成本最小化为目标，综合考虑 DESS 的充放电过 程和能量平衡约束，考虑多个典型日场景，每个场 景中考虑 24h 的运行情况，建立了多时段混合整数 非线性优化模型，分别计算配电网的最优潮流，并 采用 Benders 分解算法进行求解。受篇幅所限，下 层规划方法将另文阐述。
考虑因素 上 层 规 划 充分考虑 规划相关 因素，简 化运行的 影响 数学模型 求解方法 规划结果 配电网结构 混合整数 线性规划 模型 混合整数 线性规划 方法 EVCS位置容量 DESS位置容量 EVCS DESS 配电网 联合规 下 层 规 划 划方案 充分考虑 运行相关 因素 混合整数 非线性规 划模型 Benders 分解算法 DESS的优化位 置和容量
74
中
国
电
机
工
程
学
报
第 37 卷
线性模型， 采用遗传算法求解 EVCS 的位置和容量。 文献[11]考虑了电压偏差、线路阻塞、网损、切负 荷等多重因素，建立了多目标规划模型并采用二阶 锥规划的方法求解得到 DESS 的最优位置和容量。 对于第 2 类研究，文献[15]以包含充电站的配电网 投资和运行成本最小为目标，建立了混合整数线性 规划模型，应用分支定界法求解得到充电站和配网 的规划方案。文献[17]同时考虑配电网扩展规划和 DESS、DG 的选址定容，提出了一种主动配电网规 划-运行联合优化模型。 早期研究多为第 1 类研究，虽然可以得到规划 方案，但无法实现综合最优。近年来第 2 类研究日 益增多。一些研究考虑了 DG 的影响，将 DG 的配 置也作为规划的决策变量之一。但是，大多数研究 都是基于确定的配电网，没有同时进行配电网的扩 展规划。而且，同时考虑电动汽车和 DESS 的研究 极少，将 EVCS 和 DESS 与配电网同时进行规划的 研究尚未出现在文献中。 近年来， 电网公司在 EVCS 建设和 DESS 配置中越来越发挥主体作用，因此同 时进行 EVCS、DESS 和配电网的配置具有重要的 研究意义。 本文首先分析在配电网中进行 EVCS 和 DESS 的规划所需要考虑的因素，提出两层规划的求解流 程。上层基于传统配电网扩展规划模型，考虑电动 汽车充电负荷和 DESS 的接入， 建立以总投资成本、 运行成本和失负荷成本的净现值最小为目标的配 电网多阶段联合规划模型，可以同时进行配电网的 扩展规划和 EVCS、DESS 的选址定容。在模型建 立过程中，采用分段线性化的方式处理目标函数中 的非线性部分，在模型中计及网损；采用改进的辐 射状约束，保证配电网的辐射状结构，避免由于 DESS 的接入导致孤立节点的出现；考虑电动汽车 充电负荷约束，比较不同电动汽车充电负荷下规划 方案的差异； 待建设的变电站、 变压器、 线路、 EVCS 和 DESS 均有多种可选类型。该模型为混合整数线 性 规 划 模 型 (mixed-integer linear programming ， MILP)，求解该模型得到配电网变电站、变压器和 线路的建设方案，同时得到 EVCS 和 DESS 的优化 位置和类型。下层考虑储能系统的日运行优化，建 立并求解混合整数非线性规划模型 (mixed-integer nonlinear programming，MINLP)，对 DESS 的规划 方案进行优化。以 24 节点系统为例进行仿真分析， 验证模型及求解方法的可行性和有效性。
第 37 卷 第 1 期 2017 年 1 月 5 日 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.160818
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.37 No.1 Jan.5, 2017 ©2017 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 715
JIA Long,ຫໍສະໝຸດ HU Zechun, SONG Yonghua, DING Huajie
(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China) ABSTRACT: Joint planning of distribution networks with distributed energy storage systems (DESSs) and electric vehicle charging stations (EVCSs) can meet the demand of electric vehicle charging load and improve the planning economy and reliability. Therefore, considering the integration of electric vehicle charging load and DESSs, a multi-stage joint planning model was proposed based on the distribution network expansion planning model, with the objective of minimizing the total investment cost, operation cost and load loss cost. Piecewise linearization and improved radiation constraints were adopted in the model. A bi-level programming method was proposed. Taking the 24-node system as the test system, optimization results indicate that the method can meet the demand of traditional load and electric vehicle charging demand, reduce the cost of distribution network expansion planning, and delay investment in distribution network. KEY WORDS: distributed energy storage system (DESS); electric vehicle charging station (EVCS); distribution network planning; mixed integer linear programming 摘要： 统一考虑储能系统、 电动汽车充电站与配电网扩展的 联合规划， 既可以满足充电需求， 又能够提高规划方案的经 济性和可靠性。为此，基于配电网扩展规划模型，考虑电动 汽车充电负荷和分布式储能的选址定容， 建立一个以总投资 成本、 运行成本和失负荷成本最小为目标的多阶段联合规划 模型。 对网损采用分段线性化处理， 采用改进的辐射状约束， 并提出两层求解方法。 以 24 节点系统为例的仿真结果表明， 所提方法可以满足传统负荷和电动汽车充电负荷的需求， 降 低配电网系统扩展规划的成本，延缓配电网的投资。 关键词：储能系统；电动汽车；配电网规划；混合整数线性 规划
配电网结构和EVCS位置容量，DESS初始位置
图1
DESS 和 EVCS 与配电网的联合规划框架 Fig. 1 Framework of joint planning of
distribution network expansion with DESS and EVCS
第1期
贾龙等：储能和电动汽车充电站与配电网的联合规划研究
1 影响因素分析及规划流程
1.1 储能系统对配电网规划的影响 储能接入配电网可以降低从主网吸收功率的峰 值、平滑负荷曲线、提高电力设备利用率，并促进 分布式可再生能源的利用， 减小电网升级扩展投资。 在配电网中配置 DESS 需考虑其选址和定容问 题：既要确定储能的接入位置，还要确定储能的功 率和容量。常规配电网扩展规划仅考虑高峰负荷水 平，难以确定储能系统存储的电量。本文采用分层 规划的思路，在上层确定储能接入配网的节点和功 率，在下层则考虑储能在日内的运行优化，最终确 定储能的位置、功率和存储电量。 1.2 电动汽车充电需求对配电网规划的影响 电动汽车充电负荷是接入配电网的新型负荷。 充电负荷既有时空分布特性，又有随机性。在充电 负荷预测的基础上，充电设施接入配电网的规划既 要考虑满足充电需求，又应考虑接入地点的可用性 和配电网规划投资的大小。在一个配电网内，保证 公共充电站的总容量是满足电动汽车路上充电需 求的必要条件。在选取 EVCS 待选站址的基础上， 其选址定容与配电网扩展规划联合优化，以达到综 合效益的最优。 1.3 规划流程 对 DESS、EVCS 和配电网进行联合规划时， 可以建立统一的优化模型，但该问题极为复杂且模 型难以直接求解。尤其对于 DESS 在不同时刻的充 放电功率及各个时刻间的能量耦合，问题的规模随 考虑的场景数和多个连续时段数的增加而迅速增 加。因此，本文提出了两层规划的求解框架，如 图 1 所示。 在上层规划中，考虑多个负荷水平和多个规划 阶段，建立 MILP 模型，求解得到配电网各个规划