分布式能源与电动汽车充电站在不平衡配电系统中的技术经济与电压质量优化

《World Electric Vehicle Journal》：Techno-Economic and Voltage Quality Optimization of Distributed Energy Resources and EV Charging Stations in Unbalanced Distribution Systems

　　

随着电力需求的增长，可再生能源分布式发电（Renewable Distributed Generators, RDGs）的渗透以及从内燃机汽车（Internal Combustion Engine Vehicles, ICEVs）向电动汽车（Electric Vehicles, EVs）的转型，已成为配电网络稳定高效运行的紧迫挑战。本研究聚焦于确定将RDGs（包括太阳能光伏系统、风力涡轮机、生物质单元）和电动汽车充电站（EV Charging Stations）最优集成到不平衡辐射状配电系统（Unbalanced Radial Distribution System, URDS）中的关键任务。研究人员提出了一种优化方法，旨在同时最小化所考虑网络的总成本（Total Costs, TCs）、有功功率损耗（Active Power Losses, APLs）、电压不平衡因子（Voltage Unbalance Factor, VUF）和电压偏差（Voltage Deviation, VD）。RDGs的集成采用元启发式技术，该技术考虑了可再生能源的间歇性、电动汽车的随机行为以及24小时负荷需求的变化。模糊决策被应用于从帕累托前沿（Pareto front）中选择最优折中解。所开发方法的有效性在巴基斯坦60节点URDS上进行了全面评估作为主要研究，而IEEE-123节点系统被用作验证案例，以展示所提方法的适用性和可扩展性。在五个分析案例研究中，仿真结果表明，RDGs和EVCSs的协调集成带来了显著效益，包括减少对传统集中式发电的依赖，与基准案例相比，成本降低了56.29%，损耗降低了46.61%，电压不平衡降低了7.17%，电压偏差降低了27.13%。

随着全球电力需求的持续增长以及内燃机汽车（ICEVs）向电动汽车（EVs）的加速转型，配电网络运营商面临严峻挑战：如何在维持稳定高效运行的同时，容纳可再生能源分布式发电（RDGs）和电动汽车充电站（EVCSs）的大规模接入。现有研究多聚焦于平衡辐射状配电系统（BRDS），忽视了不平衡辐射状配电系统（URDS）中低压侧（LV）电压不平衡因子（VUF）的显著影响，且未充分联合考虑RDGs（包括光伏PV、风电WT、生物质）与EVCSs的协调优化，同时兼顾总成本（TC）、有功功率损耗（APL）、VUF和电压偏差（VD）等多目标。为解决这一空白，本研究提出一种基于多目标灰狼优化器（MOGWO）的优化框架，并在巴基斯坦60节点真实URDS（作为主研究）和IEEE-123节点标准系统（作为验证案例）上验证其有效性。论文发表在《World Electric Vehicle Journal》。研究结果表明，在五个案例中，案例五（协调集成PV、WT、生物质和EVCSs）相较于基准案例（案例一）实现了TC降低56.29%、APL降低46.61%、VUF降低7.17%、VD降低27.13%，显著提升了网络性能并减少了对传统集中式发电的依赖。

研究人员为开展研究主要采用以下关键技术方法：基于MOGWO的元启发式优化算法，用于处理多目标优化问题（目标函数为TC、APL、VUF、VD）；模糊决策方法从帕累托前沿（Pareto front）中选取最优折中解；不确定性建模，包括太阳辐照度的Beta概率分布函数（PDF）、风速的Weibull分布函数、EV到达时间及初始荷电状态（SOC）的正态分布，以及24小时变负荷需求；潮流分析在OpenDSS软件中执行，基于巴基斯坦60节点URDS（源数据来自该真实配电网络）和IEEE-123节点标准系统（验证案例）。样本队列来源：巴基斯坦60节点URDS（59条支路，59个负荷节点，基准电压11 kV）和IEEE-123节点系统。

研究结果部分：

**Case Study I**：在系统中无优化地接入两个EVCS（仅充电模式，G2V）。通过OpenDSS进行24小时潮流分析，发现峰值负荷时刻（12:00）APL达到466.13 kW，VUF为2.098%，VD为0.0903 p.u.，表明未优化集成导致网络性能恶化。

**Case Study II**：通过MOGWO优化EVCS的位置（位于节点20和22）以及EV的充放电调度和速率。分析表明，V2G模式在放电时段降低了电网峰值需求，最大APL降至445.26 kW，验证了优化充放电对网络效率的提升作用。

**Case Study III**：在案例二基础上优化集成PV系统（位于LV侧）。通过考虑太阳辐照度和温度，PV在白天发电，与EV充电时段重叠，使APL进一步降至386.40 kW，VUF降至1.9835%，VD降至0.0821 p.u.，说明PV与EVCS协同可有效减轻电网负担。

**Case Study IV**：加入WT系统（位于MV侧），与PV和EVCS协调。WT在无日照时段持续供电，结合V2G放电，11-16小时网络需求显著降低。最大APL降至280.812 kW，VUF降至1.954%，VD降至0.0684 p.u.，显示多类型RESs联合的增益。

**Case Study V**：集成所有RESs（PV、WT、生物质）和EVCSs。生物质系统提供稳定基荷，进一步降低电网需求。最大APL降至248.89 kW，VUF降至1.9476%，VD降至0.0658 p.u.。通过Pareto前沿和模糊决策选出最优折中解，并在IEEE-123系统上验证，结果一致，表明方法可扩展。

讨论部分：研究结论指出，在URDS中低压侧集成三相PV系统可有效降低VUF并改善网络性能；WT和生物质在MV侧提供持续绿色能源；MOGWO结合模糊决策能有效处理多目标冲突。案例五相较于基准案例实现TC降低56.29%、APL降低46.61%、VD降低27.13%、VUF降低7.17%。未来工作将考虑燃料电池、氢能、谐波失真、电池退化因子及用户意愿等因素。