电动汽车光伏充换电站集成系统的优化方法研究

【摘要】：发展电动汽车被世界主要生产国普遍确立为提高汽车产业竞争力、保障能源安全和转型低碳经济的重要途径。在智能电网的发展背景下,研究电动汽车充电设施与分布式光伏电源的集成模式,有利于实现电动汽车对可再生能源的就地消纳利用,提升整体运行的经济效益和环境效益。本文针对电动汽车充电设施与分布式光伏电源的优化组合问题,从系统集成模式、容量配置、经济运行、控制策略、实验平台等多个方面开展深入研究。遵循电动汽车对可再生能源就地消纳利用的基本思想,首先分析了电动汽车充电设施与分布式光伏电源集成的适用性,结合集成系统可采用的电气结构形式,探索并归纳总结出了分散式充电桩与光伏发电、充电站与光伏发电、换电站与光伏发电、大/中型充换电站与小型光伏电站等四种典型集成模式。容量优化配置是集成系统规划设计的基础环节,分别以含光伏发电系统的充电站和换电站为研究对象,提出了多目标容量优化配置方法。根据站内充换电需求,以系统投资、运行综合成本最小化和可再生能源利用率最大化等为目标,分别构建两种典型模式下容量优化配置的目标函数及约束条件,并采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对算例进行求解,通过对不同优化结果的综合分析,验证了优化模型的合理性和正确性。所建容量优化配置模型为含光伏发电的电动汽车充电设施规划设计提供了有效的参考依据。针对光伏发电与充、换电站的应用集成系统,提出了日前、实时两种时间尺度的优化运行方法。针对日前优化问题,以充电需求预测为基础,建立了光伏充电站的多目标优化调度模型,并通过NSGA-Ⅱ算法求解,可获取未来24小时内光伏充电站的优化调度方案。针对实时优化问题,提出了面向换电服务可用性的换电站实时功率分配模型,当换电需求预测具有较大误差时,实时功率分配模型可动态调整充电功率,保障换电服务的可用性。采用优化运行模型,可有效提升电动汽车对可再生分布式光伏电源的利用率,降低充电成本。通过数字仿真方法建立了电动汽车充电设施与可再生分布式电源的优化控制模型。在装置级层面,对现有充放电机的工作原理和工作模式进行了深入研究,建立了相应的数学模型及控制策略；对已有锂离子动力电池组数字仿真模型进行改进,提出了可方便地分离出模型参数,并自由设置初始荷电状态的数字仿真模型。在系统级层面,建立了含多组光伏发电、典型充电装置等交流电气单元集成的系统级数字仿真模型；针对运行过程中可能出现的三种状态,提出了并网、离网及过渡方式的系统优化控制策略。基于以上研究,对集成物理实验平台的一次系统和二次系统分别进行相应配置与设计,构建了一套含光伏发电、模拟双馈风电机组、电动汽车充电系统、锂离子储能电池组及其双向功率变换系统(PCS)、交流负载、二次控制与监测装置等电气单元的交流集成物理实验平台。通过实验平台的单元调试、整体联调,可分别在并网和离网运行模式下,实现可再生分布式电源为电动汽车动力电池充电。对所提出的系统运行基本控制策略、联络线功率控制策略、并网转离网以及离网转并网无缝切换控制策略等进行了物理实验验证,实验结果证明了所提的优化控制策略的正确性和有效性。 【关键词】：电动汽车 光伏电源 容量配置 优化运行 控制策略
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U491.8;TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 课题研究背景及意义15-16
• 1.2 课题的国内外研究现状16-20
• 1.2.1 系统的集成模式16-17
• 1.2.2 光伏充/换电站集成系统的设计与容量优化17-18
• 1.2.3 光伏充/换电站集成系统的优化运行18
• 1.2.4 光伏充/换电站集成系统的控制策略18-20
• 1.2.5 光伏充/换电站集成系统的物理实验平台20
• 1.3 论文研究的主要内容20-23
• 第2章 集成系统的典型模式及适应性分析23-34
• 2.1 引言23
• 2.2 集成系统的基本问题研究23-27
• 2.2.1 电动汽车充电设施的种类与特点23-24
• 2.2.2 可再生分布式电源的适用性24-25
• 2.2.3 实现系统集成的典型电气结构25-27
• 2.3 典型集成模式及其适应性分析27-30
• 2.3.1 分散式充电桩与光伏发电的集成27-28
• 2.3.2 充电站与光伏发电的集成28-29
• 2.3.3 换电站与光伏发电的集成29-30
• 2.3.4 大/中型充换电站与小型光伏电站的集成30
• 2.4 国内外示范工程现状30-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 光伏充/换电站的容量优化配置方法34-62
• 3.1 引言34
• 3.2 电动汽车光伏充电站容量优化配置34-47
• 3.2.1 交流并网的光伏充电站34-35
• 3.2.2 光伏充电站容量优化配置的数学模型35-38
• 3.2.3 光伏充电站优化配置模型的求解38-41
• 3.2.4 算例分析41-47
• 3.3 电动汽车光伏换电站容量优化配置47-60
• 3.3.1 交流并网的光伏换电站47
• 3.3.2 光伏换电站容量优化配置的数学模型47-50
• 3.3.3 光伏换电站优化配置模型求解50-51
• 3.3.4 算例分析51-60
• 3.4 本章小结60-62
• 第4章 光伏充/换电站的优化运行方法62-85
• 4.1 引言62
• 4.2 光伏充电站多目标优化调度方法62-74
• 4.2.1 光伏充电站系统结构及运行策略62-63
• 4.2.2 多目标优化调度的数学模型63-66
• 4.2.3 光伏充电站优化调度模型的求解66-68
• 4.2.4 算例分析68-74
• 4.3 光伏换电站动态功率分配方法74-83
• 4.3.1 光伏换电站系统结构74-75
• 4.3.2 光伏换电站的运行性能评价指标75-76
• 4.3.3 考虑换电储备的动态功率分配方法76-79
• 4.3.4 算例分析79-83
• 4.4 本章小结83-85
• 第5章 集成系统的控制模型与优化控制策略85-127
• 5.1 引言85
• 5.2 集成系统的装置级数字仿真建模85-106
• 5.2.1 充放电设备的数字仿真模型85-95
• 5.2.2 动力电池的数字仿真模型95-101
• 5.2.3 光伏发电的仿真模型101-106
• 5.3 集成模式的系统级控制策略106-125
• 5.3.1 集成系统仿真拓扑107
• 5.3.2 并网运行的控制策略107-115
• 5.3.3 离网运行的优化控制策略115-120
• 5.3.4 集成系统并网/离网无缝切换控制策略120-125
• 5.4 本章小结125-127
• 第6章 集成系统的物理平台设置与实验研究127-142
• 6.1 引言127
• 6.2 集成实验平台的结构功能及设置实现127-134
• 6.2.1 实验平台主要结构及基本功能127-128
• 6.2.2 实验平台运行的工作原理128-129
• 6.2.3 实验平台的一次系统配置129-132
• 6.2.4 实验平台的二次系统设计132-134
• 6.3 实验平台的基本运行效果及实验分析134-141
• 6.3.1 集成实验平台基本运行效果134-135
• 6.3.2 并网运行时的联络线功率控制135-136
• 6.3.3 集成系统并网/离网无缝切换136-141
• 6.4 本章小结141-142
• 第7章 结论与展望142-144
• 7.1 本文的主要结论142-143
• 7.2 后续工作展望143-144
• 参考文献144-153
• 附录153-155
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果155-157
• 攻读博士学位期间参加的科研工作157-158
• 致谢158-159
• 作者简介159

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