浅谈含分布式光伏和电动汽车充电桩的配电网无功功率优化调度研究

摘要:随着分布式光伏和电动汽车充电桩在配电网中的广泛使用，配电网的无功功率优化问题日益复杂。文章构建结合新能源和电动汽车充电站并网的主动配电网无功功率优化框架，旨在实现配电网运行成本变小和系统稳定性优化。建立光伏发电和电动汽车充电行为的随机模型以及储能系统的工作状态模型，以准确反映分布式电源和负荷的不确定性；设计多目标无功优化数学模型，通过权重系数分配法，综合考虑配电网的经济性和安全性；引入蜣螂优化算法求解模型，以提高求解的准确性和快速性。结果表明，通过调整充电桩功率因数，减少了无功补偿设备的使用，缩短了电容器和有载调压变压器的操作时间，增强了配电网的系统控制可靠性，并提升了配电网的韧性。19821800313

关键词:无功功率优化；电动汽车；蜣螂优化算法；分布式光伏；主动配电网

随着全球气候变化问题日益严峻，对可持续能源的需求不断增长。因此，建立以新能源技术为核心的电力系统逐渐成为解决能源挑战问题的关键。新能源分布式发电 （DG） 的发展和电动汽车的普及，使得配电网络的供需不确定性显著增加，同时也改变了潮流和电压分布的模式。无功功率对于电网的稳定性和安全性至关重要，其能够确保电压保持在安全水平，降低电压崩溃的风险。因此，对无功功率优化模型进行合理调整，并动态管理无功潮流，对于减少电力传输损耗、提升电压水平和增强系统稳定性至关重要。

目前，国内外学者对配电网的无功功率优化问题进行了广泛研究。特别是在无功功率调节方面，由于逆变器的应用，光伏发电站能够执行无功功率调节，其在无功优化的应用中得到了广泛应用。杜明波针对新能源大量接入配电网的问题，提出了风能、太阳能和储能系统联合电压调节的解决方案，并利用博弈论求解了一个包含电压偏差和线路损耗等多重优化目标的数学模型。多数文献集中于传统无功补偿设备的优化模型研究，关于储能设备的无功电压调节的研究较少。随着可再生能源在电力生产中占比的增加，电池储能系统（BESS）成为关键组件，这些系统能够存储多余的可再生能源，并在需求高峰时释放，以实时响应电力需求波动。ALRASHIDI等提出了一种基于BESS和智能光伏逆变器的电压管理策略，采用元启发式优化算法解决BESS的双层优化问题，以调节电压水平并利用光伏和风能。尽管现有研究通过优化无功功率模型或算法，缓解了新能源接入电网导致的电压波动和损耗问题，但往往忽略了电动汽车充电站对电网负荷端的影响，且对负荷端和电源端的稳定性问题关注不足。电动汽车凭借其移动性和灵活性优势，已被部署用于多种辅助服务。通过车联网技术，电动汽车能够参与电网调节，与电网进行能量交易，从而实现良性互动。因此，为加快能源结构转型、提高电网整体无功调节能力，可利用电动汽车优化无功调节。这不仅有助于解决电力存储问题，还能对配电网的无功调节产生积极影响。

本研究构建了融合新能源和电动汽车充电站接入的主动配电网无功功率优化框架，开发相关随机模型，设计多目标无功优化数学模型并引入蜣螂优化算法求解，以实现配电网运行成本变小和系统稳定性优化。

1无功优化数学模型

1.1光伏发电随机模型

光伏发电系统的运行依赖逆变器与电网的连接，通过逆变器的调节功能，DG能够同时向电网输送有功功率和无功功率。

太阳辐射强度与光伏出力存在正相关关系，即太阳辐射强度越高，光伏出力越大。

1.2 电动汽车随机模型

以电动汽车为研究对象，其日常行驶里程s和充电时间t遵循统计概率分布函数。

1.3 储能系统随机模型

储能系统是一种能够灵活调节电力存储与释放的设备，在主动配电网的运作和控制中发挥着重要作用。储能系统的总体性能和工作状态通常可通过容量和荷电状态的变化描述。

1.4 目标函数

通过权重系数分配策略，兼顾配电网运行的经济性和安全性。

1.5 约束条件

为确保配电网的可靠性，设定等式和不等式等约束条件，这些条件对决策变量和状态变量进行了详尽规定。

2、多目标无功优化算法

2.1 蜣螂优化算法

蜣螂优化算法是一种智能优化技术，在麻雀搜索算法之后被提出。该算法主要仿照蜣螂的5种基本行为：滚球、跳舞、繁殖、觅食和偷窃。在前方无挡球滚动情况下，蜣螂的滚动数学模型公式为：

确定产卵区后，蜣螂每次迭代只产1个卵。因此，卵球位置根据产卵面积变动而调整，其位置公式为：

2.2 无功优化流程图

应用蜣螂优化算法对含光伏和电动汽车充电桩的配电网进行无功优化。蜣螂优化算法无功优化流程。

3.1 算例参数设置

仿真测试采用配备光伏储能系统和电动汽车充电站的IEEE33节点配电网。修改过IEEE33节点如图所示。由图可知，配电网的总负荷为3715+j2300 kVA，基准功率为10 MVA，基准线电压为12.66 kV。

实验旨在验证无功功率优化策略的有效性。具体配置如下：在节点16、节点25和节点28分别接入500 kW、500 kW和1 MW的光伏电源；在节点25和节点32分别接入6组和9组电容器组，容量为150 kvar；在节点30接入储能电池，容量为1 MWh；在节点22接入静止无功补偿器，调节范围为0~900 kvar；电动汽车充电站集成在节点7和节点23，每个节点配备了150个充电桩，功率因数角为18.2°~161.8°。有载调压变压器的电压比范围[0.9,1.1]，上下档位为±4；各个节点电压范围为[0.95 p.u.,1.05 p.u.]（标幺值以功率10 MVA为基准，基准线电压以12.66 kV为基准）。此外，假设电动私家车常规充电、快速充电和更换电池占比数量分别为0.7、0.2和0.1，总数为300辆。

3.2 仿真结果

在不含风电、光伏、无功补偿装置时，分析节点电压幅值变化。若干边缘节点电压已超出下限。经过优化，整体电压上升。

优化前后结果对比如表1所示。由表1可知，优化后系统整体性能得到了显著提升。相比优化前，优化后的电网损耗成本降低了41.69%，电压偏移度减少了45.78%。

24 h内优化前后电网损耗和电压偏移分别如图6和图7所示。由图6和图7可知，在高峰用电时段 （约21：00） 内，优 化 前 的 有 功 损 耗 峰 值 约375.53 kW，优化后有功损耗减少至约254.07 kW；优化前的电压偏移百分数为2.32%，优化后的电压偏移百分数减少至1.50%。结果表明，优化措施有效减少了电网损耗和电压偏移，提升了系统的运行效率和稳定性。

碳电表是一种新型的计量工具，它的出现是为了帮助我们更好地理解和计算企业在电力使用中的碳排放。它的工作原理是根据实际电能消耗的计量数据，动态计算并按照使用条件、区域等因素更新电碳因子，也就是平均每度电所蕴含的碳排放量。这个数值是实时更新的，能够真实反映企业电力使用中的碳排放情况。碳电表的出现对于企业有着非常重要的意义，有了这些数据，企业就可以追踪产品生产过程的碳排放，根据碳排放情况优化电源结构，制定更加绿色低碳的生产模式。

AEM96三相多功能碳电表，集成三相电力参数测量、分时电能计量及碳排放统计，根据不同使用工况的电碳折算因子集成碳结算功能，包含12组碳排放值及对应的碳排放因子，它能够实时计算并给出企业生产用电带来的碳排放量，让碳排放像电能一样方便记录，配合安科瑞碳资产管理平台，大大简化企业的碳排放统计工作。

图1AEM96三相多功能碳电表

分布式光伏是零碳园区新能源建设的首选，随着新型电力系统的发展以及国能发新能规〔2025〕7号文、发改价格〔2025〕136号文相继出台，分布式光伏建设越来越需要面临并网、运行安全和能量管理方面的问题，并不是建了就能用，建了便可以有稳定收益的。供电部门对于分布式光伏电站保护、稳控系统、电能质量以及和调度的通信要求都比较高。

图2分布式光伏建设系统图

储能系统作为光伏发电蓄水池和中转站，在消纳光伏发电过程中起着很重要的作用，在零碳园区建设中必不可少。

按照GB/T36547-2018《电化学储能系统接入电网技术规定》要求，储能系统的微机保护配置要求：储能电站并网点配置AM5-IS防孤岛保护，非计划孤岛时应在2s动作，将储能电站与电网断开。

关于储能系统计量点的设置：如果储能系统接入园区内部电网，计量点设置在并网点。

储能单元应具备绝缘监测功能，当储能单元绝缘低时应能发出报警和/或跳闸信号通知储能变流器及计算机监控系统，如果BMS或者PCS不具备绝缘监测功能可单独配置直流绝缘监测装置。

通过10kV接入公用电网的储能系统电能质量宜满足GB/T19862要求的电能质量监测装置，当储能系统的电能质量指标不满足要求时，配置电能质量在线监测装置监测并网点电能质量。

图3储能系统图

储能系统二次设备选型

以电代油、以电代气是零碳园区能源转型中一个必不可少的过程，为新能源车补充能源的充换电站也是必配设施。安科瑞有序充电系统基于预测算法，可以实现对企业变压器负荷率、光伏发电和充电负荷需求预测结合充电桩的监控、调度和管理，提高光伏发电消纳，提升园区微电网的运行可靠性，降低充电成本。

图4有序充电系统图

有序充电系统设备选型方案

AcrelEMS3.0智慧能源管理平台碳资产管理采用权威碳排放核算因子数据库，符合SO14064-1：2018组织层级温室气体排放和清除的量化和报告指南要求，为园区提供包括碳盘查清册、碳配额管理、碳排放分析、碳流向、碳盘查报告、碳交易记录等等功能，帮助园区建立碳排放统计、核算、报告、核查体系。

图5碳排放核算符合性评估声明

ACCU-100微电网协调控制器主要采集光伏逆变器、储能系统、变压器负荷等数据，根据设置的新能源使用逻辑来构建本地控制策略以及云端数据的交互，控制储能设备、分布式能源、可调负荷设备的出力与电力需求，并能根据经济效益模型在满足调度的前提下，进行光储置换，响应云端策略配置，充分消纳利用新能源。ACCU-100微电网协调控制器具备以下功能特点：

数据采集：支持串口、以太网等多通道实时运行，满足各类风电与光伏逆变器、储能等设备接入；

通讯管理：支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约，可实现云边协同（结合安科瑞智慧能源管理云平台进行远程运维）、OTA升级、就地/远程切换、本地人机交互（选配）；

边缘计算：灵活的报警阈值设置、主动上传报警信息、数据合并计算、逻辑控制、断点续传、数据加密、4G路由；

策略管理：防逆流、计划曲线、削峰填谷、需量控制、有功/无功控制、光储协调等，并支持策略定制;

系统安全：基于不可信模型设计的用户权限，防止非法用户侵入；基于数据加密与数据安全验证技术，采用数据标定与防篡改机制，实现数据固证和可追溯；

运行安全：采集分析包括电池、温控及消防在内的全站信号与测量数据，实现运行安全预警预测。

10、AcrelEMS3.0智慧能源管理平台-园区级微电网能源管理

在零碳或近零碳园区建设中，“光伏+储能+充电”组合必不可少的被应用到园区电网之中。随着新能源占比增加，园区的管理必须依靠智慧能源管理平台来实现碳资产管理、新能源策略控制、有序充电管理、能耗分析、设备运维等等。AcrelEMS3。0智慧能源管理平台可以帮助园区有效的管理能源，其功能包括：

图6AcrelEMS3.0智慧能源管理平台

11、结语

本研究综合考虑了新能源和电动汽车充电负荷的动态变化，提出了一种融合新能源和电动汽车充电站接入的主动配电网无功功率优化策略。研究表明：所构建的主动配电网无功功率优化框架能够显著降低电压波动，增强系统稳定性，并有效降低运行成本，显示出对实际应用需求的高度适应性；采用蜣螂优化算法求解模型的结果表明，该算法能够处理含光伏储能的配电网无功优化问题，具有良好的收敛性和计算效率；无功补偿装置与充电桩结合的二级电压调控策略，适合大规模电动汽车接入配电网络的应用场景。通过调整充电桩功率因数，减少了无功补偿设备的使用，缩短了电容器和有载调压变压器的操作时间，增强了配电网的系统控制可靠性，并提升了配电网的韧性。

审核编辑 黄宇