摘要:隨著分布式光伏和電動(dòng)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(fù)雜。文章構(gòu)建結(jié)合新能源和電動(dòng)汽車充電站并網(wǎng)的主動(dòng)配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化框架，旨在實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)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(dòng)汽車充電行為的隨機(jī)模型以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)模型，以準(zhǔn)確反映分布式電源和負(fù)荷的不確定性；設(shè)計(jì)多目標(biāo)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過權(quán)重系數(shù)分配法，綜合考慮配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確性和快速性。結(jié)果表明，通過調(diào)整充電樁功率因數(shù)，減少了無功補(bǔ)償設(shè)備的使用，縮短了電容器和有載調(diào)壓變壓器的操作時(shí)間，增強(qiáng)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(guān)鍵詞:無功功率優(yōu)化；電動(dòng)汽車；蜣螂優(yōu)化算法；分布式光伏；主動(dòng)配電網(wǎng)

隨著全球氣候變化問題日益嚴(yán)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(shù)為核心的電力系統(tǒng)逐漸成為解決能源挑戰(zhàn)問題的關(guān)鍵。新能源分布式發(fā)電 （DG） 的發(fā)展和電動(dòng)汽車的普及，使得配電網(wǎng)絡(luò)的供需不確定性顯著增加，同時(shí)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(guān)重要，其能夠確保電壓保持在安全水平，降低電壓崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對無功功率優(yōu)化模型進(jìn)行合理調(diào)整，并動(dòng)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(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對配電網(wǎng)的無功功率優(yōu)化問題進(jìn)行了廣泛研究。特別是在無功功率調(diào)節(jié)方面，由于逆變器的應(yīng)用，光伏發(fā)電站能夠執(zhí)行無功功率調(diào)節(jié)，其在無功優(yōu)化的應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。杜明波針對新能源大量接入配電網(wǎng)的問題，提出了風(fēng)能、太陽能和儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合電壓調(diào)節(jié)的解決方案，并利用博弈論求解了一個(gè)包含電壓偏差和線路損耗等多重優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。多數(shù)文獻(xiàn)集中于傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備的優(yōu)化模型研究，關(guān)于儲(chǔ)能設(shè)備的無功電壓調(diào)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(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）成為關(guān)鍵組件，這些系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)多余的可再生能源，并在需求高峰時(shí)釋放，以實(shí)時(shí)響應(yīng)電力需求波動(dòng)。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(diào)節(jié)電壓水平并利用光伏和風(fēng)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(dǎo)致的電壓波動(dòng)和損耗問題，但往往忽略了電動(dòng)汽車充電站對電網(wǎng)負(fù)荷端的影響，且對負(fù)荷端和電源端的穩(wěn)定性問題關(guān)注不足。電動(dòng)汽車憑借其移動(dòng)性和靈活性優(yōu)勢，已被部署用于多種輔助服務(wù)。通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，電動(dòng)汽車能夠參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，與電網(wǎng)進(jìn)行能量交易，從而實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)。因此，為加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、提高電網(wǎng)整體無功調(diào)節(jié)能力，可利用電動(dòng)汽車優(yōu)化無功調(diào)節(jié)。這不僅有助于解決電力存儲(chǔ)問題，還能對配電網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)產(chǎn)生積極影響。

本研究構(gòu)建了融合新能源和電動(dòng)汽車充電站接入的主動(dòng)配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化框架，開發(fā)相關(guān)隨機(jī)模型，設(shè)計(jì)多目標(biāo)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型并引入蜣螂優(yōu)化算法求解，以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)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(xué)模型

1.1光伏發(fā)電隨機(jī)模型

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

太陽輻射強(qiáng)度與光伏出力存在正相關(guān)關(guān)系，即太陽輻射強(qiáng)度越高，光伏出力越大。

1.2 電動(dòng)汽車隨機(jī)模型

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

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)隨機(jī)模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種能夠靈活調(diào)節(jié)電力存儲(chǔ)與釋放的設(shè)備，在主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)作和控制中發(fā)揮著重要作用。儲(chǔ)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(biāo)函數(shù)

通過權(quán)重系數(shù)分配策略，兼顧配電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1.5 約束條件

為確保配電網(wǎng)的可靠性，設(shè)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(jìn)行了詳盡規(guī)定。

2、多目標(biāo)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(shù)，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(dòng)情況下，蜣螂的滾動(dòng)數(shù)學(xué)模型公式為：

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

2.2 無功優(yōu)化流程圖

應(yīng)用蜣螂優(yōu)化算法對含光伏和電動(dòng)汽車充電樁的配電網(wǎng)進(jìn)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(shè)置

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

實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證無功功率優(yōu)化策略的有效性。具體配置如下：在節(jié)點(diǎn)16、節(jié)點(diǎn)25和節(jié)點(diǎn)28分別接入500 kW、500 kW和1 MW的光伏電源；在節(jié)點(diǎn)25和節(jié)點(diǎn)32分別接入6組和9組電容器組，容量為150 kvar；在節(jié)點(diǎn)30接入儲(chǔ)能電池，容量為1 MWh；在節(jié)點(diǎn)22接入靜止無功補(bǔ)償器，調(diào)節(jié)范圍為0~900 kvar；電動(dòng)汽車充電站集成在節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)23，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備了150個(gè)充電樁，功率因數(shù)角為18.2°~161.8°。有載調(diào)壓變壓器的電壓比范圍[0.9,1.1]，上下檔位為±4；各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓范圍為[0.95 p.u.,1.05 p.u.]（標(biāo)幺值以功率10 MVA為基準(zhǔn)，基準(zhǔn)線電壓以12.66 kV為基準(zhǔn)）。此外，假設(shè)電動(dòng)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(jié)果

在不含風(fēng)電、光伏、無功補(bǔ)償裝置時(shí)，分析節(jié)點(diǎn)電壓幅值變化。若干邊緣節(jié)點(diǎn)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(jié)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(nèi)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(shí)段 （約21：00） 內(nèi)，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?jǐn)?shù)為2.32%，優(yōu)化后的電壓偏移百分?jǐn)?shù)減少至1.50%。結(jié)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(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

碳電表是一種新型的計(jì)量工具，它的出現(xiàn)是為了幫助我們更好地理解和計(jì)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(shí)際電能消耗的計(jì)量數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)計(jì)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(yùn)含的碳排放量。這個(gè)數(shù)值是實(shí)時(shí)更新的，能夠真實(shí)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(jié)構(gòu)，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(shí)電能計(jì)量及碳排放統(tǒng)計(jì)，根據(jù)不同使用工況的電碳折算因子集成碳結(jié)算功能，包含12組碳排放值及對應(yīng)的碳排放因子，它能夠?qū)崟r(shí)計(jì)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(tái)，大大簡化企業(yè)的碳排放統(tǒng)計(jì)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(shè)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(jià)格〔2025〕136號文相繼出臺(tái)，分布式光伏建設(shè)越來越需要面臨并網(wǎng)、運(yùn)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(hù)、穩(wěn)控系統(tǒng)、電能質(zhì)量以及和調(diào)度的通信要求都比較高。

圖2分布式光伏建設(shè)系統(tǒng)圖

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為光伏發(fā)電蓄水池和中轉(zhuǎn)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(shè)中必不可少。

按照GB/T36547-2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，儲(chǔ)能系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)配置要求：儲(chǔ)能電站并網(wǎng)點(diǎn)配置AM5-IS防孤島保護(hù)，非計(jì)劃孤島時(shí)應(yīng)在2s動(dòng)作，將儲(chǔ)能電站與電網(wǎng)斷開。

關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)計(jì)量點(diǎn)的設(shè)置：如果儲(chǔ)能系統(tǒng)接入園區(qū)內(nèi)部電網(wǎng)，計(jì)量點(diǎn)設(shè)置在并網(wǎng)點(diǎn)。

儲(chǔ)能單元應(yīng)具備絕緣監(jiān)測功能，當(dāng)儲(chǔ)能單元絕緣低時(shí)應(yīng)能發(fā)出報(bào)警和/或跳閘信號通知儲(chǔ)能變流器及計(jì)算機(jī)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(dú)配置直流絕緣監(jiān)測裝置。

通過10kV接入公用電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)電能質(zhì)量宜滿足GB/T19862要求的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)不滿足要求時(shí)，配置電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置監(jiān)測并網(wǎng)點(diǎn)電能質(zhì)量。

圖3儲(chǔ)能系統(tǒng)圖

儲(chǔ)能系統(tǒng)二次設(shè)備選型

以電代油、以電代氣是零碳園區(qū)能源轉(zhuǎn)型中一個(gè)必不可少的過程，為新能源車補(bǔ)充能源的充換電站也是必配設(shè)施。安科瑞有序充電系統(tǒng)基于預(yù)測算法，可以實(shí)現(xiàn)對企業(yè)變壓器負(fù)荷率、光伏發(fā)電和充電負(fù)荷需求預(yù)測結(jié)合充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高光伏發(fā)電消納，提升園區(qū)微電網(wǎng)的運(yùn)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(shè)備選型方案

AcrelEMS3.0智慧能源管理平臺(tái)碳資產(chǎn)管理采用權(quán)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(bào)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(bào)告、碳交易記錄等等功能，幫助園區(qū)建立碳排放統(tǒng)計(jì)、核算、報(bào)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(diào)控制器主要采集光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、變壓器負(fù)荷等數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置的新能源使用邏輯來構(gòu)建本地控制策略以及云端數(shù)據(jù)的交互，控制儲(chǔ)能設(shè)備、分布式能源、可調(diào)負(fù)荷設(shè)備的出力與電力需求，并能根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益模型在滿足調(diào)度的前提下，進(jìn)行光儲(chǔ)置換，響應(yīng)云端策略配置，充分消納利用新能源。ACCU-100微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器具備以下功能特點(diǎn)：

數(shù)據(jù)采集：支持串口、以太網(wǎng)等多通道實(shí)時(shí)運(yùn)行，滿足各類風(fēng)電與光伏逆變器、儲(chǔ)能等設(shè)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(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同（結(jié)合安科瑞智慧能源管理云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維）、OTA升級、就地/遠(yuǎn)程切換、本地人機(jī)交互（選配）；

邊緣計(jì)算：靈活的報(bào)警閾值設(shè)置、主動(dòng)上傳報(bào)警信息、數(shù)據(jù)合并計(jì)算、邏輯控制、斷點(diǎn)續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密、4G路由；

策略管理：防逆流、計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、有功/無功控制、光儲(chǔ)協(xié)調(diào)等，并支持策略定制;

系統(tǒng)安全：基于不可信模型設(shè)計(jì)的用戶權(quán)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(yàn)證技術(shù)，采用數(shù)據(jù)標(biāo)定與防篡改機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)固證和可追溯；

運(yùn)行安全：采集分析包括電池、溫控及消防在內(nèi)的全站信號與測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行安全預(yù)警預(yù)測。

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

在零碳或近零碳園區(qū)建設(shè)中，“光伏+儲(chǔ)能+充電”組合必不可少的被應(yīng)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(tái)來實(shí)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(shè)備運(yùn)維等等。AcrelEMS3。0智慧能源管理平臺(tái)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(tái)

11、結(jié)語

本研究綜合考慮了新能源和電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，提出了一種融合新能源和電動(dòng)汽車充電站接入的主動(dòng)配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化策略。研究表明：所構(gòu)建的主動(dòng)配電網(wǎng)無功功率優(yōu)化框架能夠顯著降低電壓波動(dòng)，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，并有效降低運(yùn)行成本，顯示出對實(shí)際應(yīng)用需求的高度適應(yīng)性；采用蜣螂優(yōu)化算法求解模型的結(jié)果表明，該算法能夠處理含光伏儲(chǔ)能的配電網(wǎng)無功優(yōu)化問題，具有良好的收斂性和計(jì)算效率；無功補(bǔ)償裝置與充電樁結(jié)合的二級電壓調(diào)控策略，適合大規(guī)模電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景。通過調(diào)整充電樁功率因數(shù)，減少了無功補(bǔ)償設(shè)備的使用，縮短了電容器和有載調(diào)壓變壓器的操作時(shí)間，增強(qiáng)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