考虑需求响应的电动汽车充电调度研究

论文总字数：32119字

摘 要

近年来，随着经济高速的发展，能源问题也愈加严重。我国作为能源消耗大国，如何发展利用可再生资源是非常重要的课题之一。电动汽车以电力作为行驶动力，可实现“无污染、零排放”，同时，电力资源作为一种清洁可持续发展能源，是一种有望代替石油资源，解决能源危机的发展较为成熟的能源。电动汽车的普及将会成为未来社会发展的趋势之一。不同于一般负荷，电动汽车对于电网来说既可以是负荷又可以是电源，随着社会的发展，电动汽车的数量不断增加，大规模的电动汽车自主充放电会对电网的稳定性造成威胁，拉大负荷曲线的峰谷差；另一方面，如果对电动汽车的充放电行为进行有序的控制，使其在负荷较低时段储存电能，在负荷较高时段释放电能，则可平抑电网负荷曲线的峰谷差，提高电网的利用率。因此，研究如何引导大规模电动汽车有序充放电对电网的优化以及能源的利用和环境的保护都具有重要意义。

在本文中，通过对统计数据的处理得到了家用电动汽车出行时间和距离的概率模型，电动汽车的最后一次出行返回时间服从正态分布、日行驶里程符合对数正态分布，并运用模拟法模拟了大规模电动汽车无序充电给电网负荷曲线的影响进行了研究，并且证明了大规模电动汽车无序充电会拉大负荷曲线峰谷差。

由于电动汽车的随机性和灵活性，且单辆电动汽车可调度容量太小，为便于调度机构的工作以及降低对通信技术的要求，不同于传统一对一调度的优化策略，本文提出了基于电动汽车聚类的调度策略，采用聚类算法对电动汽车进行聚类。为削减峰谷差值，根据峰谷时段的不同在不同的时刻对电动汽车聚簇发布不同的调度指令，进一步利用遗传算法以最小化峰谷差为目的对调度模型中的开始放电时刻和削减量进行优化。通过算例分析证明了基于电动汽车聚类和峰谷电价的电动汽车有序充放电调度模型可有效降低负荷曲线的峰谷差。

关键词：电动汽车；聚类算法；充放电调度；削峰填谷

ABSTRACT

Abstract：In recent years, with the rapid economic development, the energy issue has become even more serious. China is a big energy consuming country, how to develop the use of renewable resources is one of the very important issue. As with electric vehicles powered by electricity, can achieve "non-polluting, zero emissions," while power resources as a clean sustainable energy development, is expected to replace a petroleum resources to address the development of the energy crisis more mature energy. Popularity of electric vehicles will become the future trend of social development. Unlike usual load, electric vehicles for the grid, it can be both load and can be power, along with the development of society, increasing the number of electric vehicles, large-scale electric vehicle charging and discharging autonomy would threaten the stability of the grid, widening the difference between peak load curve. On the other hand, if the charge and discharge behavior of electric vehicles orderly control to the lower load periods stored energy, releasing energy in the high load period, it can stabilize the difference between peak power load curve, improve power grid utilization. Therefore, the study of how to guide a large-scale electric vehicle charging and discharging ordered to optimize and conserve energy utilization and environment grid are of great significance.

In this paper, by statistical processing of the data obtained probability model of household electric vehicle travel time and distance. Last trip electric vehicle return time is normally distributed daily mileage log-normal distribution. And the use of Monte Carlo simulation to simulate the large-scale electric vehicle charging disorder to affect the grid load curve has been studied and proven large-scale electric vehicle charging disorder would widen the difference between peak load curve.

Due to the randomness and flexibility of electric vehicles, and electric vehicles can be a single scheduling capacity is too small. In order to facilitate the work of the scheduling mechanism and reduce communication technology requirements, different from the traditional one-scheduling optimization strategy, we propose a scheduling policy based on the electric car cluster, using K-means clustering algorithm for clustering of electric vehicles. To cut valley difference, depending on peak periods at different times of the electric cars clustered publish different scheduling instructions, further use of the Genetic Algorithm to minimize the difference between peak for the purpose of scheduling model to optimize the timing of the start of discharge . Proof electric car based on clustering and TOU electric vehicle charging and discharging orderly scheduling model can effectively reduce the difference between peak load profile by a numerical example.

Key words: Electric Vehicle; Electric Vehicle; Charge And Discharge scheduling; Load shifting

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.1.1 电动汽车发展的必要性和现状 1

1.1.2 大量电动汽车对电力系统的影响 1

1.1.3 电动汽车调度有序充放电的意义 2

1.2 电动汽车进行有序充放电调度优化模型研究综述 2

1.3 本文的主要工作 3

第二章 电动汽车充放电数学模型 5

2.1家用电动汽车出行规律 5

2.1.1 私家车出行时间 5

2.1.2 私家车日行驶距离 5

2.2家用电动汽车充放电概率模型 6

2.2.1 充电时刻 6

2.2.2 家用电动汽车充电功率 7

2.2.3 家用电动汽车充放电时长 7

2.3自由条件下大量电动汽车自主充电 8

2.4 本章小结 9

第三章 电动汽车聚合 10

3.1 聚类的概念和意义 10

3.1.1聚类的概念 10

3.1.2电动汽车聚类的意义 10

3.2聚类方法 10

3.2.1 聚类方法介绍 10

3.2.2 聚类方法示例 11

3.3电动汽车聚类 12

3.3.1 电动汽车聚类指标 12

3.3.2电动汽车聚类步骤 13

3.3.3电动汽车聚类算例 13

3.4 小结 14

第四章 基于需求侧响应的充放电调度 15

4.1需求侧响应 15

4.1.1 需求侧响应概念 15

4.1.2需求侧响应意义 15

4.1.3需求侧响应方式 16

4.2有序充放电调度策略 16

4.2.1电动汽车有序充放电策略 16

4.2.2电动汽车有序充放电模型 18

4.2.3电动汽车有序充放电成本 20

4.2.4电动汽车SOC变化情况 21

4.2.5有序充放电调度策略优化 22

4.3有序充放电模型算例 23

4.3.1优化方法：遗传算法介绍 23

4.3.2电动汽车充放电模型优化步骤 25

4.3.3算例设置 26

4.3.4算例仿真结果分析 26

4.4 小结 30

第五章 总结与展望 31

致谢 33

参考文献 34

1. 绪论
   1. 课题研究的背景和意义
      1. 电动汽车发展的必要性和现状

自1978年改革开放，中国迅速成长为全球第二大经济发展强国。经济高速增长的同时也伴随着能源消耗的剧烈增长，目前中国已成为世界第一资源消耗国，能源需求持续增长，能源问题将成为我国经济社会发展的制约因素。石油资源在能源中占有重要地位，传统燃油汽车是石油消耗的主要用户，随着经济的发展，汽车持有量在以10%的速度不断增加，私家车持有量的增长速度更是达到了18.3%。近些年来，中国环境问题持续引人关注，各大城市雾霾问题日益严重。传统燃油汽车在使用时会排放很多污染气体，加重温室效应等污染问题。根据调查，城市中四分之一的污染气体来源汽车排放，因此各个城市纷纷出台相关政策，限制机动车辆，鼓励公共出行。可以想见，如果继续采用燃油汽车，未来能源匮乏的问题将不可避免，环境问题也会愈加严重。

电动汽车以电力作为行驶动力，可实现“无污染、零排放”，同时，电力能源作为一种清洁可持续发展能源，是一种有望代替石油资源，解决能源危机的发展程度较高的能源。电动汽车的发展受到了各国政府的关注，在美、日、欧等经济发达地区，国家采取了一整套措施来促进电动汽车的开发与使用，比如提高排放标准、增加科研经费，发布措施来限制燃油汽车的使用，对使用电动汽车的车主实施鼓励机制等。我国对电动汽车的开发起步稍迟，却发展迅速，政府也出台了相关政治措施鼓励电动汽车的研发和推广。“十三五”期间，为促进可再生能源汽车的发展，国家和政府已公布了与之有关的政策。2015年12月7日，住房建设部发布了《关于加强城市电动汽车充电设施规划建设工作通知》。通知表明，目前中国电动汽车的发展已经到了飞速推广和大规模应用阶段，到2020年，预计全国电动汽车持有量会超出500万，充电设备严重匮乏的问题日益险峻，将制约电动汽车的迅猛增长，加快建设充电设施是目前非常关键且蹙迫的任务。

• • 1. 大量电动汽车对电力系统的影响

显然，未来电动汽车将会成为交通运输主要工具，其数目也会不断扩大，大量的电动汽车充电放电会对电力系统产生重大影响，包括电网的电量供给、电能质量、稳定运行等。

1. 电量供给：电动汽车使用电能做为动力来源，随着电动汽车数量的增加，电动汽车耗电量在社会总用电量中的比例、充电功率占装机容量的比例也会逐年增高。一定规模电动汽车在自由条件下充电时，会存在峰上加峰的问题，目前电网装机容量无法满足需求，若是增设发电厂，扩大电网规模来满足负荷高峰要求，不仅仅给国民经济的发展带来负担，而且将导致电网设施利用率下降，产生资源浪费的问题。
2. 电能质量：充电设施是非线性电子设备，接入电网会导致严重谐波污染，使得电网的电能质量降低，且大规模电动汽车自由充电会加大电网节点偏差，使得电网的电能质量受到不利影响。
3. 稳定运行：电动汽车充放电随机性很大，对电网的运转和调度带来很大的不确定性，造成电网波动增大，给电网系统的稳定性埋下隐患。
   • 1. 电动汽车调度有序充放电的意义

面对社会对电力需求的不断增长，电网需要通过扩建改造和设备升级、新建发电厂等来提高整体供电能力，但另一方面，我们也可以通过采用合适的有效的控制管理方式，充分发挥现有设备的生产、输送、配送电能的能力。在未来，电能有序利用将成为改善电网环境、提高供电能力的重要方式；电能有序利用可以实现能源的高效利用以及低损耗高可靠性的电力传输，实现电能有序利用对提高电网运行效率具有十分积极地作用。

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