考虑光热发电和换电需求的集中充电站运行策略研究

摘要

近年来，电动汽车共享服务作为一种新兴的可持续交通出行方式备受关注，其凭借多人重复性使用一辆电动汽车，按时间或里程计费，实现集约化、绿色化出行。考虑换电模式方便、快捷等优势，换电式电动汽车已成为电动汽车共享服务的主导车型。换电式电动汽车的大规模采用，离不开配套的电能补给服务设施。集中充电站联合电池更换点作为一种基于换电的电能补给模式，可提供良好电能补给服务。电池更换点负责快速换电，所换下的动力电池由集中充电站进行统一慢速充电和保养维护，该方式不仅满足了共享服务对象的快速电能补给需求，也延长了电池使用寿命。然而，大规模动力电池集中充电将造成集中充电站过高的购电成本，并给配电系统带来负荷波动大、峰谷差增加等不利影响。为此，开展集中充电站运行策略研究具有重要意义。 首先，由于我国一次能源仍主要以煤炭、石油等为主，电动汽车的清洁用能模式并未真正脱离对化石能源的依赖，因此考虑可再生能源发电与集中充电站联合运行具有重要价值。光热发电(Concentrating Solar Power,CSP)作为一种重要的可再生能源发电技术，其主要通过集热器、储热设备和汽轮机组等设备实现光能-热能-动能-电能的转换。与光伏发电相比，CSP利用储热设备实现了类似传统燃汽轮机的调节性能好、爬坡能力强等出力特性，以及可在夜间或无光照时段持续放热发电。因此，考虑CSP可为集中充电站提供可控持续稳定出力以满足电池更换点的换电需求和平抑系统负荷波动，本文利用CSP与集中充电站联合运行，设计了CSP与集中充电站的直流集成系统、交流集成系统以及交直流混合集成系统，设计了考虑CSP的集中充电站和电池更换点的运营模式，为后续研究奠定理论基础。 其次，提出了考虑CSP和换电需求的集中充电站有序充放电策略。基于电池更换点日前一周/月的历史换电数据计算出日内最大换电需求，在满足CSP运行约束、系统电能量守恒以及电池更换点日内最大换电需求下，构建了以集中充电站日购电成本与系统负荷波动惩罚成本综合最优为目标的有序充放电模型。考虑到所提模型具有非凸、非线性和高维度的数学性质，采用了一种新的元启发式智能搜索算法一自然集聚算法(Natural Aggregation Algorithm，NAA)对模型进行求解。通过算例表明，考虑CSP可有效降低集中充电站日购电成本和系统负荷波动惩罚成本;与考虑光伏发电相比，CSP在集中充电站实际运营过程中具有更好的实用价值和经济价值;CSP的储热设备容量配置对集中充电站运行成本具有非线性影响，即随着容量配置的增加，集中充电站运行成本逐渐减小，当容量配置达到一定阀值后该效果趋于饱和。 最后，在售电市场逐步放开的背景下，研究了集中充电站群参与分布式电能交易的随机协同运行决策，即通过集中充电站间的电能交互实现各自更为经济的运行计划。计及光照强度和换电需求的随机性，构建了以各个集中充电站日电网购电成本、集中充电站间交互电能购买成本和系统负荷波动惩罚成本综合最小为目标的随机规划模型。考虑集中充电站的独立决策，提出了一种基于分布式交替方向乘子法(Distributed Alternating Direction Method of Multipliers，D-ADMM)的分布式优化算法去求解所提模型。通过算例表明，与冬季相比，集中充电站群在夏季协同运行具有更好的经济性;集中充电站群的协同运行较独立运行有更好的经济性;所提基于D-ADMM的分布式优化算法与集中式优化算法具有一致的求解效果。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景

1．1．1电动汽车的发展现状

1．1．2换电式共享电动汽车的优势与发展

1．1．4集中充电站联合电池更换点的电能补给方式

1．2研究目的及意义

1．3集中充电站运行策略研究现状

1．3．1集中充电站独立运行策略研究现状

1．3．2集中充电站群协同运行的研究现状

1．4论文的主要工作

1．4．1论文创新点

1．4．2论文结构及主要研究内容

第二章考虑光热发电的集中充电站和电池更换点的运营模式设计

2．1光热发电

2．1．1光热发电技术分类

2．1．2集热器

2．1．3储热设备

2．2光热发电与集中充电站集成的电气结构设计

2．2．1直流集成系统

2．2．2交流集成系统

2．2．3交直流混合集成系统

2．4考虑光热发电的集中充电站和电池更换点的运营模式

2．5本章小结

第三章考虑光热发电和换电需求的集中充电站有序充放电研究

3．1引言

3．2考虑光热发电和换电需求的集中充电站有序充放电框架设计

3．3电池更换点日最大换电需求计算

3．4考虑光热发电和换电需求的集中充电站有序充放电模型

3．4．1目标函数

3．4．2约束条件

3．5求解算法

3．5．1自然集聚算法

3．5．2有序充放电优化模型的自然集聚算法求解

3．6算例分析

3．6．1参数设置

3．6．2考虑光热发电的集中充电站有序充放电结果分析

3．6．3考虑光热发电或光伏发电下的优化结果对比分析

3．6．4储热设备容量大小对运行结果的影响分析

3．6．5自然集聚算法性能分析

3．7本章小结

第四章集中充电站群参与分布式电能交易的随机协同运行决策

4．1引言

4．2集中充电站群参与分布式电能交易的协同运行架构

4．3光照强度随机性建模

4．4电池更换点换电需求概率预测

4．5集中充电站群参与分布式电能交易的随机协同运行模型

4．5．1目标函数

4．5．2约束条件

4．6基于分布式交替方向乘子法的协同运行分布式优化决策

4．6．1集中充电站群的分布式优化运行框架

4．6．2集中充电站群的通讯拓扑网络设计

4．6．3考虑分布式交替方向乘子法适用性的协同运行模型变换

4．6．4基于分布式交替方向乘子法的分布式优化算法

4．7算例分析

4．7．1参数设置

4．7．2典型季节下协同运行优化结果分析

4．7．3集中充电站群协同运行与独立优化运行的对比分析

4．7．4分布式优化决策方法有效性分析

4．8本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录