摘要:隨著分布式光伏和電動汽車充電樁在配電網(wǎng)中的廣泛使用，配電網(wǎng)的無功功率優(yōu)化問題日益復雜。文章構建結合新能源和電動汽車充電站并網(wǎng)的主動配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化框架，旨在實現(xiàn)配電網(wǎng)運行成本變小和系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)化。建立光伏發(fā)電和電動汽車充電行為的隨機模型以及儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)模型，以準確反映分布式電源和負荷的不確定性；設計多目標無功優(yōu)化數(shù)學模型，通過權重系數(shù)分配法，綜合考慮配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和安全性；引入蜣螂優(yōu)化算法求解模型，以提高求解的準確性和快速性。結果表明，通過調整充電樁功率因數(shù)，減少了無功補償設備的使用，縮短了電容器和有載調壓變壓器的操作時間，增強了配電網(wǎng)的系統(tǒng)控制可靠性，并提升了配電網(wǎng)的韌性。19821800313

關鍵詞:無功功率優(yōu)化；電動汽車；蜣螂優(yōu)化算法；分布式光伏；主動配電網(wǎng)

隨著全球氣候變化問題日益嚴峻，對可持續(xù)能源的需求不斷增長。因此，建立以新能源技術為核心的電力系統(tǒng)逐漸成為解決能源挑戰(zhàn)問題的關鍵。新能源分布式發(fā)電 （DG） 的發(fā)展和電動汽車的普及，使得配電網(wǎng)絡的供需不確定性顯著增加，同時也改變了潮流和電壓分布的模式。無功功率對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性至關重要，其能夠確保電壓保持在安全水平，降低電壓崩潰的風險。因此，對無功功率優(yōu)化模型進行合理調整，并動態(tài)管理無功潮流，對于減少電力傳輸損耗、提升電壓水平和增強系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。

目前，國內外學者對配電網(wǎng)的無功功率優(yōu)化問題進行了廣泛研究。特別是在無功功率調節(jié)方面，由于逆變器的應用，光伏發(fā)電站能夠執(zhí)行無功功率調節(jié)，其在無功優(yōu)化的應用中得到了廣泛應用。杜明波針對新能源大量接入配電網(wǎng)的問題，提出了風能、太陽能和儲能系統(tǒng)聯(lián)合電壓調節(jié)的解決方案，并利用博弈論求解了一個包含電壓偏差和線路損耗等多重優(yōu)化目標的數(shù)學模型。多數(shù)文獻集中于傳統(tǒng)無功補償設備的優(yōu)化模型研究，關于儲能設備的無功電壓調節(jié)的研究較少。隨著可再生能源在電力生產(chǎn)中占比的增加，電池儲能系統(tǒng)（BESS）成為關鍵組件，這些系統(tǒng)能夠存儲多余的可再生能源，并在需求高峰時釋放，以實時響應電力需求波動。ALRASHIDI等提出了一種基于BESS和智能光伏逆變器的電壓管理策略，采用元啟發(fā)式優(yōu)化算法解決BESS的雙層優(yōu)化問題，以調節(jié)電壓水平并利用光伏和風能。盡管現(xiàn)有研究通過優(yōu)化無功功率模型或算法，緩解了新能源接入電網(wǎng)導致的電壓波動和損耗問題，但往往忽略了電動汽車充電站對電網(wǎng)負荷端的影響，且對負荷端和電源端的穩(wěn)定性問題關注不足。電動汽車憑借其移動性和靈活性優(yōu)勢，已被部署用于多種輔助服務。通過車聯(lián)網(wǎng)技術，電動汽車能夠參與電網(wǎng)調節(jié)，與電網(wǎng)進行能量交易，從而實現(xiàn)良性互動。因此，為加快能源結構轉型、提高電網(wǎng)整體無功調節(jié)能力，可利用電動汽車優(yōu)化無功調節(jié)。這不僅有助于解決電力存儲問題，還能對配電網(wǎng)的無功調節(jié)產(chǎn)生積極影響。

本研究構建了融合新能源和電動汽車充電站接入的主動配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化框架，開發(fā)相關隨機模型，設計多目標無功優(yōu)化數(shù)學模型并引入蜣螂優(yōu)化算法求解，以實現(xiàn)配電網(wǎng)運行成本變小和系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)化。

1無功優(yōu)化數(shù)學模型

1.1光伏發(fā)電隨機模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行依賴逆變器與電網(wǎng)的連接，通過逆變器的調節(jié)功能，DG能夠同時向電網(wǎng)輸送有功功率和無功功率。

太陽輻射強度與光伏出力存在正相關關系，即太陽輻射強度越高，光伏出力越大。

1.2 電動汽車隨機模型

以電動汽車為研究對象，其日常行駛里程s和充電時間t遵循統(tǒng)計概率分布函數(shù)。

1.3 儲能系統(tǒng)隨機模型

儲能系統(tǒng)是一種能夠靈活調節(jié)電力存儲與釋放的設備，在主動配電網(wǎng)的運作和控制中發(fā)揮著重要作用。儲能系統(tǒng)的總體性能和工作狀態(tài)通常可通過容量和荷電狀態(tài)的變化描述。

1.4 目標函數(shù)

通過權重系數(shù)分配策略，兼顧配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性。

1.5 約束條件

為確保配電網(wǎng)的可靠性，設定等式和不等式等約束條件，這些條件對決策變量和狀態(tài)變量進行了詳盡規(guī)定。

2、多目標無功優(yōu)化算法

2.1 蜣螂優(yōu)化算法

蜣螂優(yōu)化算法是一種智能優(yōu)化技術，在麻雀搜索算法之后被提出。該算法主要仿照蜣螂的5種基本行為：滾球、跳舞、繁殖、覓食和偷竊。在前方無擋球滾動情況下，蜣螂的滾動數(shù)學模型公式為：

確定產(chǎn)卵區(qū)后，蜣螂每次迭代只產(chǎn)1個卵。因此，卵球位置根據(jù)產(chǎn)卵面積變動而調整，其位置公式為：

2.2 無功優(yōu)化流程圖

應用蜣螂優(yōu)化算法對含光伏和電動汽車充電樁的配電網(wǎng)進行無功優(yōu)化。蜣螂優(yōu)化算法無功優(yōu)化流程。

3.1 算例參數(shù)設置

仿真測試采用配備光伏儲能系統(tǒng)和電動汽車充電站的IEEE33節(jié)點配電網(wǎng)。修改過IEEE33節(jié)點如圖所示。由圖可知，配電網(wǎng)的總負荷為3715+j2300 kVA，基準功率為10 MVA，基準線電壓為12.66 kV。

實驗旨在驗證無功功率優(yōu)化策略的有效性。具體配置如下：在節(jié)點16、節(jié)點25和節(jié)點28分別接入500 kW、500 kW和1 MW的光伏電源；在節(jié)點25和節(jié)點32分別接入6組和9組電容器組，容量為150 kvar；在節(jié)點30接入儲能電池，容量為1 MWh；在節(jié)點22接入靜止無功補償器，調節(jié)范圍為0~900 kvar；電動汽車充電站集成在節(jié)點7和節(jié)點23，每個節(jié)點配備了150個充電樁，功率因數(shù)角為18.2°~161.8°。有載調壓變壓器的電壓比范圍[0.9,1.1]，上下檔位為±4；各個節(jié)點電壓范圍為[0.95 p.u.,1.05 p.u.]（標幺值以功率10 MVA為基準，基準線電壓以12.66 kV為基準）。此外，假設電動私家車常規(guī)充電、快速充電和更換電池占比數(shù)量分別為0.7、0.2和0.1，總數(shù)為300輛。

3.2 仿真結果

在不含風電、光伏、無功補償裝置時，分析節(jié)點電壓幅值變化。若干邊緣節(jié)點電壓已超出下限。經(jīng)過優(yōu)化，整體電壓上升。

優(yōu)化前后結果對比如表1所示。由表1可知，優(yōu)化后系統(tǒng)整體性能得到了顯著提升。相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的電網(wǎng)損耗成本降低了41.69%，電壓偏移度減少了45.78%。

24 h內優(yōu)化前后電網(wǎng)損耗和電壓偏移分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可知，在高峰用電時段 （約21：00） 內，優(yōu) 化 前 的 有 功 損 耗 峰 值 約375.53 kW，優(yōu)化后有功損耗減少至約254.07 kW；優(yōu)化前的電壓偏移百分數(shù)為2.32%，優(yōu)化后的電壓偏移百分數(shù)減少至1.50%。結果表明，優(yōu)化措施有效減少了電網(wǎng)損耗和電壓偏移，提升了系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性。

碳電表是一種新型的計量工具，它的出現(xiàn)是為了幫助我們更好地理解和計算企業(yè)在電力使用中的碳排放。它的工作原理是根據(jù)實際電能消耗的計量數(shù)據(jù)，動態(tài)計算并按照使用條件、區(qū)域等因素更新電碳因子，也就是平均每度電所蘊含的碳排放量。這個數(shù)值是實時更新的，能夠真實反映企業(yè)電力使用中的碳排放情況。碳電表的出現(xiàn)對于企業(yè)有著非常重要的意義，有了這些數(shù)據(jù)，企業(yè)就可以追蹤產(chǎn)品生產(chǎn)過程的碳排放，根據(jù)碳排放情況優(yōu)化電源結構，制定更加綠色低碳的生產(chǎn)模式。

AEM96三相多功能碳電表，集成三相電力參數(shù)測量、分時電能計量及碳排放統(tǒng)計，根據(jù)不同使用工況的電碳折算因子集成碳結算功能，包含12組碳排放值及對應的碳排放因子，它能夠實時計算并給出企業(yè)生產(chǎn)用電帶來的碳排放量，讓碳排放像電能一樣方便記錄，配合安科瑞碳資產(chǎn)管理平臺，大大簡化企業(yè)的碳排放統(tǒng)計工作。

圖1AEM96三相多功能碳電表

分布式光伏是零碳園區(qū)新能源建設的首選，隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展以及國能發(fā)新能規(guī)〔2025〕7號文、發(fā)改價格〔2025〕136號文相繼出臺，分布式光伏建設越來越需要面臨并網(wǎng)、運行安全和能量管理方面的問題，并不是建了就能用，建了便可以有穩(wěn)定收益的。供電部門對于分布式光伏電站保護、穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

圖2分布式光伏建設系統(tǒng)圖

儲能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電蓄水池和中轉站，在消納光伏發(fā)電過程中起著很重要的作用，在零碳園區(qū)建設中必不可少。

按照GB/T36547-2018《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術規(guī)定》要求，儲能系統(tǒng)的微機保護配置要求：儲能電站并網(wǎng)點配置AM5-IS防孤島保護，非計劃孤島時應在2s動作，將儲能電站與電網(wǎng)斷開。

關于儲能系統(tǒng)計量點的設置：如果儲能系統(tǒng)接入園區(qū)內部電網(wǎng)，計量點設置在并網(wǎng)點。

儲能單元應具備絕緣監(jiān)測功能，當儲能單元絕緣低時應能發(fā)出報警和/或跳閘信號通知儲能變流器及計算機監(jiān)控系統(tǒng)，如果BMS或者PCS不具備絕緣監(jiān)測功能可單獨配置直流絕緣監(jiān)測裝置。

通過10kV接入公用電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)電能質量宜滿足GB/T19862要求的電能質量監(jiān)測裝置，當儲能系統(tǒng)的電能質量指標不滿足要求時，配置電能質量在線監(jiān)測裝置監(jiān)測并網(wǎng)點電能質量。

圖3儲能系統(tǒng)圖

儲能系統(tǒng)二次設備選型

以電代油、以電代氣是零碳園區(qū)能源轉型中一個必不可少的過程，為新能源車補充能源的充換電站也是必配設施。安科瑞有序充電系統(tǒng)基于預測算法，可以實現(xiàn)對企業(yè)變壓器負荷率、光伏發(fā)電和充電負荷需求預測結合充電樁的監(jiān)控、調度和管理，提高光伏發(fā)電消納，提升園區(qū)微電網(wǎng)的運行可靠性，降低充電成本。

圖4有序充電系統(tǒng)圖

有序充電系統(tǒng)設備選型方案

AcrelEMS3.0智慧能源管理平臺碳資產(chǎn)管理采用權威碳排放核算因子數(shù)據(jù)庫，符合SO14064-1：2018組織層級溫室氣體排放和清除的量化和報告指南要求，為園區(qū)提供包括碳盤查清冊、碳配額管理、碳排放分析、碳流向、碳盤查報告、碳交易記錄等等功能，幫助園區(qū)建立碳排放統(tǒng)計、核算、報告、核查體系。

圖5碳排放核算符合性評估聲明

ACCU-100微電網(wǎng)協(xié)調控制器主要采集光伏逆變器、儲能系統(tǒng)、變壓器負荷等數(shù)據(jù)，根據(jù)設置的新能源使用邏輯來構建本地控制策略以及云端數(shù)據(jù)的交互，控制儲能設備、分布式能源、可調負荷設備的出力與電力需求，并能根據(jù)經(jīng)濟效益模型在滿足調度的前提下，進行光儲置換，響應云端策略配置，充分消納利用新能源。ACCU-100微電網(wǎng)協(xié)調控制器具備以下功能特點：

數(shù)據(jù)采集：支持串口、以太網(wǎng)等多通道實時運行，滿足各類風電與光伏逆變器、儲能等設備接入；

通訊管理：支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約，可實現(xiàn)云邊協(xié)同（結合安科瑞智慧能源管理云平臺進行遠程運維）、OTA升級、就地/遠程切換、本地人機交互（選配）；

邊緣計算：靈活的報警閾值設置、主動上傳報警信息、數(shù)據(jù)合并計算、邏輯控制、斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密、4G路由；

策略管理：防逆流、計劃曲線、削峰填谷、需量控制、有功/無功控制、光儲協(xié)調等，并支持策略定制;

系統(tǒng)安全：基于不可信模型設計的用戶權限，防止非法用戶侵入；基于數(shù)據(jù)加密與數(shù)據(jù)安全驗證技術，采用數(shù)據(jù)標定與防篡改機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)固證和可追溯；

運行安全：采集分析包括電池、溫控及消防在內的全站信號與測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)運行安全預警預測。

10、AcrelEMS3.0智慧能源管理平臺-園區(qū)級微電網(wǎng)能源管理

在零碳或近零碳園區(qū)建設中，“光伏+儲能+充電”組合必不可少的被應用到園區(qū)電網(wǎng)之中。隨著新能源占比增加，園區(qū)的管理必須依靠智慧能源管理平臺來實現(xiàn)碳資產(chǎn)管理、新能源策略控制、有序充電管理、能耗分析、設備運維等等。AcrelEMS3。0智慧能源管理平臺可以幫助園區(qū)有效的管理能源，其功能包括：

圖6AcrelEMS3.0智慧能源管理平臺

11、結語

本研究綜合考慮了新能源和電動汽車充電負荷的動態(tài)變化，提出了一種融合新能源和電動汽車充電站接入的主動配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化策略。研究表明：所構建的主動配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化框架能夠顯著降低電壓波動，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，并有效降低運行成本，顯示出對實際應用需求的高度適應性；采用蜣螂優(yōu)化算法求解模型的結果表明，該算法能夠處理含光伏儲能的配電網(wǎng)無功優(yōu)化問題，具有良好的收斂性和計算效率；無功補償裝置與充電樁結合的二級電壓調控策略，適合大規(guī)模電動汽車接入配電網(wǎng)絡的應用場景。通過調整充電樁功率因數(shù)，減少了無功補償設備的使用，縮短了電容器和有載調壓變壓器的操作時間，增強了配電網(wǎng)的系統(tǒng)控制可靠性，并提升了配電網(wǎng)的韌性。

審核編輯 黃宇