计及电动汽车无功支撑能力的分布式电源与智能停车场联合规划方法
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网山东省电力公司泰安供电公司的研究人员曾博、李英姿、冯家欢、张建华、刘宗歧，在2017年第23期《电工技术学报》上撰文指出，随着大量分布式电源（DG）及电动汽车（EV）接入配电网，为保证电网的高效、清洁、经济和安全运行，必须对二者进行合理的规划。
为此，提出一种计及EV无功支撑能力的DG及智能停车场（IPL）联合规划方法。首先，基于有源配电网的基本物理结构，对EV动力电池的无功可调范围进行了推导。进一步考虑风电等间歇性DG出力、常规用电以及EV充电负荷时空分布的不确定性，通过构建发电—负荷场景以综合计及上述不确定性因素的影响。
在此基础上，分别以系统投资和运行成本最小作为目标函数，构建了综合考虑DG和IPL选址定容的两阶段优化模型。根据模型特点，采用经典的遗传算法实现问题求解。以33节点配网系统为例，对所提模型的有效性进行验证。
仿真结果表明，在配电网投资规划中充分考虑规模化入网EV的无功支撑能力，能够有效改善系统的电能质量，促进可再生能源高效利用，从而带来更好的经济效益。
随着工业化进程的推进，温室气体排放及其导致的气候异常等问题已经成为当前世界各国面临的重要挑战。电动汽车（ElectricVehicle, EV）作为节能减排的一种重要手段，以其供能方式灵活、低能耗、轻污染、有效降低对化石燃料依赖等特点，受到全社会的广泛关注[1]。
然而，作为一类特殊的新兴负荷，EV的规模化接入将会给现有配电网运行带来严峻挑战，具体表现为供电质量下降或网损增加等[2]。因此，对充电设施布局进行合理规划对于促进EV健康、可持续发展具有重要意义。
针对上述问题，目前国内外学者已从多个角度对此进行了相关探讨，并获得了一些初步成果。文献[3]通过分析传统汽车的行驶规律，建立了大规模EV充电需求模型，并初步探讨了不同需求模式对充电设施投资决策可能造成的影响。
文献[4]立足于电池租赁模式，将集中型充电站的规划与配电网调度相结合，建立了考虑EV削峰填谷作用的集中型充电站选址定容二层规划模型，并利用混合智能算法实现求解。文献[5]在充分计及环境因素和充电服务范围约束的基础上，以投资运行综合费用最小作为目标，构建了配电网下EV充电站的最优规划模型。
此外，针对EV规模化并网后导致的电压恶化问题，文献[6]还提出了一种充电设施与无功电容器的联合规划方法。上述研究表明，在配电网环境下，通过优化充电设施的选址布局，能够有效降低因EV入网对系统运行造成的不利影响，改善“网-荷”之间的协调性，并提高相关投资的预期效益。
由于文献[3-6]主要是从EV接入对电网影响的角度对充电站规划进行研究，所以并未充分考虑EV自身动力电池的技术特性及其对发电环节可能产生的影响。然而，在实际工程中，要真正实现EV的低碳环保目标，必须确保EV所用电能的清洁化。这就需要在投资决策时将电源与充电设施规划进行统一协调，从而提高EV负荷与清洁能源发电之间的时空匹配性，充分促进可再生能源利用，并尽可能降低二者各自对配电网的不良影响[7]。
为此，文献[8]提出了一种分布式电源（DistributedGeneration, DG）与EV停车场的综合规划方法。该方法考虑了EV向电网倒送电能（Vehicle-to-Grid,V2G）的潜力，通过统筹优化DG与EV停车场的选址和容量，以实现配电系统网损最小化。
与此类似，文献[9]通过分析用户出行的路径选址及EV负荷与可再生能源DG出力之间的相关性，建立了以充电成本最小、网损最小和电压质量最优的DG与EV充电站多目标协调规划模型。
针对含高渗透率EV配电网，文献[10]提出了一种基于随机潮流的DG规划方法，其中计及了常规负荷需求、可再生能源出力以及EV充放电等多方面不确定性因素的影响。此外，文献[11]基于微电网下光伏充电站的组建模式，分别以可再生能源利用率最大和投资运行成本最小为目标，提出了可再生能源与充电站容量的多目标优化配置模型，并应用NSGA-II算法实现了求解。
由上述文献报道可见，针对配电网环境下DG与EV充放电设施的协调规划问题已受到国内外学者的广泛关注，而EV的用电灵活性及其V2G能力是当前的研究热点。
在实际配电系统中，借助双向充电桩等设备的支持，V2G技术帮助EV将自身电池中储存的能量直接回馈给电网：当供电容量不足时，由EV向电网馈电；而当系统中可用电量出现剩余时，还可将EV视作可控负荷以存储过剩的发电量，避免资源浪费。
因此，通过合理的控制策略，V2G的规模化应用可以帮助提高配电系统中DG的运行效率，改善供电服务质量和经济效益，缓解因可再生能源波动对系统造成的不利影响[12]。
然而，在现有考虑电动汽车V2G的规划研究中，大多数仅涉及EV与电网之间的有功功率交换，而鲜有关注充电设施所具备向电网提供无功支撑的能力。事实上，针对入网EV，通过对双向充放电机中的电力电子元件进行控制，EV可作为一种无功电源，向电网提供必要的无功支撑。
文献[13]通过对EV充放储一体化电站的无功电压调节特性进行研究，提出了一种使电站运行于等效发电机或静止无功发生器容性模式的控制算法，有效地证明了EV充放电系统所具备的灵活无功潜力。文献[14]则根据现有V2G电路的结构特点，结合瞬时无功功率理论和无差拍控制原理，分析了EV规模化应用后向电网提供无功支撑的可能性。
在配电网中，由于线路阻抗比较大，因此有功/无功功率的分布变化均会对系统运行效益产生重要影响。为分析EV所具有的上述作用，本文研究并提出了一种有源配电网下计及EV无功支撑能力的智能停车场（IntelligentParking Lots, IPL）与DG联合规划方法。
首先，基于IPL中双向充放电机的有功/无功解耦控制方法，得到了入网EV动力电池无功可调范围与有功功率的关系。针对DG出力和用电负荷的天然波动性，通过构建预想场景，用以表征系统运行阶段的不确定性。
在此基础上，考虑到系统规划与运行过程之间的强耦合性，以投资运行费用总体最低为目标，构建了针对可再生能源DG和IPL选址定容的二阶段优化模型。最后，在33节点配网系统中进行仿真分析，验证了所提方法的有效性。
图1 有源配电网中DG和IPL联合规划的基本框架
图2 基于PWM 整流器与DAB两级变流器的拓扑结构
结论
本文主要研究并提出了一种计及EV无功支撑能力的DG与IPL联合规划方法。基于有源配电网的基本物理结构，通过深入分析EV充放电系统的无功可调能力，建立了针对上述规划问题的两阶段优化模型，并采用基于GA的混合算法实现求解。
算例结果表明，本文所提方法能够充分发挥EV动力电池同时作为有、无功电源向电网提供辅助服务的能力，在充分保证系统运行安全的基础上，改善系统电能质量和运行经济性，促进可再生能源的消纳，并最大限度地兼顾电网公司与EV用户的利益。
此外，相关结果还表明，电池损耗成本是影响EV参与有、无功V2G经济性的重要因素。在规划决策时忽略上述影响会导致过高估计DG/IPL系统的实际运行效益，从而难以获得有效的最优投资方案。