基于电动汽车与温控负荷的电力系统协同频率控制策略

郭炳庆，杨婧捷，屈 博，戚 艳，刘幸蔚，王迎秋

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.国网天津电科院，天津 300010）

基于电动汽车与温控负荷的电力系统协同频率控制策略

郭炳庆1，杨婧捷1，屈 博1，戚 艳2，刘幸蔚1，王迎秋2

（1.中国电力科学研究院，北京 100192；2.国网天津电科院，天津 300010）

本文以电动汽车、温控负荷为控制对象，提出了一种电力系统调频控制策略。首先研究了电动汽车的负荷响应特性，给出了一种基于实时荷电状态排序的电动汽车频率控制策略。其次研究了温控负荷的动态特性，给出了一种基于温度排序的温控负荷频率控制策略。基于两种负荷的负荷特性，提出一种基于电动汽车与温控负荷的协同频率控制策略。通过调整两种负荷的负荷量，支撑系统有功平衡，达到频率控制的目的。最后利用典型的单机电力系统模型验证了系统发生大扰动时控制策略的有效性。

电动汽车；温控负荷；频率控制；协同控制策略

电力系统频率是电能质量的三大指标之一，是反映电力系统安全稳定运行和电能质量的重要指标，既反映了发电侧和负荷侧之间的平衡关系，也是电力系统运行的重要控制参数。当电力系统的有功功率有盈余时，频率就会上升超过额定值；当电力系统的有功功率有缺额时，频率就会下降低于额定值[1-3]。

柔性负荷是功率可根据电力系统有功功率需求进行调节的系统负荷的统称，当前电力系统中典型的柔性负荷包括电动汽车EVs（electrical vehicles）与温控负荷TCAs（thermostatically controlled appliances）[4-5]。在电动汽车需求响应控制方面，文献[6-8]提出了电动汽车频率下垂控制策略，频率下垂控制策略是电动汽车依据电力系统频率信号动态调整充放电功率，响应系统功率需求。文献[6]考虑了用户参与反供电的意愿，为车主提供参与反供电和不参与反供电两种控制方式；文献[7]考虑了过度充电和过度放电对车载电池的损耗，引入基于实时荷电状态SOC（state of charge）的变下垂系数，当电池SOC接近可接受最大值或可接受最小值时停止充电和放电；在温控负荷频率控制方面，文献[9]采用居民家居温控负荷设备（以电热泵为例）作为负荷响应资源，以SQ（state queuing）算法为基础，提出了一种有效抑制由可再生能源波动引起的微网联络线功率波动的算法。文献[10]以冰箱、空调、空气能热水器这3种负荷特性为基础，提出了居民可控负荷主动、安全响应微电网电压的基本思路，以协助微电网安全稳定运行，提高电压稳定性。

由于电动汽车、温控负荷需求响应控制在负荷容量、响应速度以及对用户舒适度影响方面的差异，本文基于两种负荷的负荷特性，提出一种基于电动汽车、温控负荷的电力系统协同频率控制策略。在系统发生有功功率扰动的情况下，有序地利用两类柔性负荷支撑系统有功功率平衡，维持系统频率稳定。

1 电动汽车频率控制策略

在电动汽车处于停靠状态时，根据电力系统频率信号对电动汽车充放电过程进行控制，控制模式包括正常模式、单向有序电能供给模式V1G（vehicles plug-in with logic/control regulated charge）模式和双向有序电能供给模式V2G（vehicles plug-in with logic/control regulated charge/discharge）模式。

（1）正常模式：在电力系统功率平衡状态下，电动汽车作为一般负荷进行正常充电。从接入时刻开始充电，当电量满足车主充电需求后停止充电进入闲置状态；

（2）V1G模式：在电力系统功率不平衡状态下，电动汽车通过调节充电功率响应系统需求。在V1G模式下可能出现两种极限状态，一种是系统有功功率过剩，所有电动汽车全部进入充电状态；另一种是系统有功功率缺额，所有电动汽车均进入闲置状态。以上两种情况均说明电动汽车V1G模式下的调节能力已达到充分利用。

（3）V2G模式：在系统有功功率不足且切除全部电动汽车仍不能实现功率平衡的情况下，电动汽车通过反供电为电力系统提供下调频服务。当全部电动汽车均进入反供电状态后，电动汽车负荷的调节能力已达到充分利用。

根据系统频率需求，电动汽车负荷群体在3种模式之间动态切换。

为了避免由于参与电力系统调频而出现的车载电池过度充电或过度放电现象，设置SOC上下限SOCmax和SOCmin。当电池SOC达到SOCmax时停止充电，因此可以通过控制SOCmax的高低调整电动汽车集群充放电功率的大小。在正常模式、V1G模式和V2G模式下的SOCmax分别记为和

当Δf＞0，电动汽车进入V1G控制模式，如图1（b）所示，将SOC值大于的电动汽车设置为闲置状态，SOC值小于的电动汽车设置为充电状态。通过增加充电电动汽车数量提高电动汽车负荷功率。计算公式为

式中：kEV为电动汽车负荷用户参与度；Δf为系统频率偏差；f为系统实际频率；f0为系统额定频率。

当Δf＜0，电动汽车首先进入V1G模式，如图1（c）所示，设置SOC值大于的电动汽车设置为闲置状态，SOC值小于的电动汽车设置为充电状态。通过减少充电电动汽车数量降低电动汽车负荷功率。的计算方式如式（1）所示。

图1 电动汽车频率控制策略Fig.1 Frequency control strategy for EVs

2 温控负荷频率响应控制策略

温控负荷能通过改变开关状态调节功率，以制热型温控负荷为例，其温度动态过程如图2所示。

图2中，T+为温度上边界，T-为温度下边界，Tset为温度设定值，ΔT为温度死区值。Tset，T+与T-的计算公式为

图2 制热型温控负荷动态过程Fig.2 Thermal behavior of a heating TCAs

负荷开启状态下，室内温度以指数形式上升；当达到温度上边界后负荷关停，温度以指数形式下降；当达到温度下边界后负荷重新开启，重复以上循环。

在无控状态下，温控负荷以恒定的温度上、下边界为基准，控制负荷启停。当温度由低到高穿越上边界时，温控负荷由开启状态切换为关停状态；反之，温控负荷由关停状态切换为开启状态。

在需求侧响应控制中，温控负荷通过实时调整设定温度（温度上、下边界）来控制开关状态，调整负荷功率，为电力系统提供辅助频率服务。控制原则是温控负荷功率随系统频率的升高而增加，随频率的下降而减小。的动态计算公式为

从温控负荷群体的角度来看，频率控制策略如图3所示。

图3 温控负荷频率控制策略Fig.3 Frequency control strategy for TCAs

3 电动汽车与温控负荷协同频率控制策略

在负荷需求响应控制过程中，需考虑对电能需求的影响。对于电动汽车而言，参与需求响应影响短期的充电过程；对于温控负荷而言，参与需求响应影响短期的环境温度。然而，由于电动汽车充电是一个较长期的过程（小时级），对充电过程分钟级或秒级的控制不会影响整个充电过程。因此，在温控负荷与电动汽车协同频率控制策略中，将电动汽车作为优先需求响应资源，将温控负荷作为后备需求响应资源，其核心步骤如下。

（1）状态排序：将电动汽车负荷按照SOC由高到低进行排序，将温控负荷按照环境温度由高到低进行排序。

（2）电动汽车频率控制：当系统出现频率偏差，首先调节电动汽车负荷充放电功率。若全部电动汽车均已进入充电状态且系统频率继续上升，或全部电动汽车进入反供电状态且系统频率继续下降，说明电动汽车需求响应资源已用尽，准备启用温控负荷需求响应。

（3）温控负荷频率控制：在电动汽车响应资源不足以维持系统功率平衡的情况下，温控负荷作为后备资源为电力系统提供辅助调频服务。

图4 温控负荷与电动汽车协同频率控制策略Fig.4 Coordination frequency control strategy for EVs and TCAs

电动汽车与温控负荷协同频率控制策略流程如图4所示。针对系统频率偏差（Δf），首先运用第1节所述电动汽车频率控制策略对电动汽车进行集中式频率响应控制。其次，判断电动汽车需求响应资源是否已用尽，若已用尽，则根据第2节所述温控负荷频率控制策略对温控负荷进行集中式频率响应控制。若电动汽车需求响应资源未用尽，则根据Δf判断频率控制是否结束，若未结束则进入下一次循环。

4 算例分析

本节算例利用MATLAB/SIMULINK仿真平台，利用前文所述的电力系统频率调节模型研究单次扰动下温控负荷与电动汽车协同频率控制策略的控制效果，系统频率响应模型如图5所示。设置电动汽车负荷为5万辆电动汽车，温控负荷为50万台家用空调（单台功率为2 kW），设置tEV、tTCA为35 ms；其他参数如表1所示。

图5 简化的系统频率响应模型Fig.5 Simplified frequency response model

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

本算例分两个场景，验证在电力系统发电量突然降低环境下温控负荷与电动汽车协同频率控制策略的频率控制效果。

场景一：电力系统失发电量500 MW（电动汽车可用容量充足）

电力系统失发电量情况如图6所示，当t=3 s时电力系统发电量瞬间降低500 MW。如图7所示，电动汽车负荷首先进入V1G模式，调整充电功率。当t=3.8 s时电动汽车负荷降低为0，进入V2G模式，调整反供电功率。在上述过程中，没有出现电动汽车负荷功率碰到下边界，电动汽车需求响应资源未用尽，因此没有启动温控负荷需求响应控制。

上述控制过程的频率控制效果如图8所示，在没有负荷需求响应控制情况下系统出现较大频率下降，在有负荷需求响应控制情况下系统频率下降较少，频率控制效果明显。

图6 电力系统失发电量（500 MW）Fig.6 Loss of generation in the power system（500 MW）

图7 电动汽车负荷功率（系统失发电量500 MW）Fig.7 Power of load in EVs（loss generation of 500 MW）

图8 频率控制效果（系统失发电量500 MW）Fig.8 Effect of frequency control（loss generation of 500 MW）

场景二：电力系统失发电量1 000 MW（电动汽车可用容量不足）

电力系统失发电量情况如图9所示，当t=3 s时电力系统发电量瞬间降低1 000 MW。如图10所示，电动汽车负荷首先进入V1G模式，调整充电功率。当t=3.7 s时电动汽车负荷降低为0，进入V2G模式，调整反供电功率。当t=3.9 s时电动汽车负荷功率碰到下边界，电动汽车需求响应资源用尽，启动温控负荷需求响应控制。温控负荷通过降低负荷功率防止系统频率进步一下降，如图11所示。

上述控制过程的频率控制效果如图12所示，在没有负荷需求响应控制情况下系统出现较大频率下降，在有负荷需求响应控制情况下系统频率下降较少，频率控制效果明显。

图9 电力系统失发电量（1 000 MW）Fig.9 Loss of generation in the power system（1 000 MW）

图10 电动汽车负荷功率（系统失发电量1 000 MW）Fig.10 Power of load in EVs（loss generation of 1 000 MW）

图11 温控负荷功率（系统失发电量1 000 MW）Fig.11 Power of load in TCAs（loss generation of 1 000 MW）

图12 频率控制效果（系统失发电量1 000 MW）Fig.12 Effect of frequency control（loss generation of 1 000 MW）

5 结论

本文提出了一种针对电动汽车、温控负荷两种类型柔性负荷的协同频率控制策略。由于温控负荷参与系统需求侧响应对用能舒适度的影响较大，因此在系统故障发生时将电动汽车作为优先响应资源，将温控负荷作为后备响应资源。运用典型算例验证了在系统发生单次大扰动情况下本文所提控制策略的有效性，并得出如下结论：

（1）在系统扰动发生后，电动汽车具有较快的频率响应特性，能够为电力系统提供快速的功率响应。当发生较小扰动时，电动汽车负荷提供的响应功率能够支撑系统的频率稳定；

（2）当系统发生较大扰动后，在电动汽车负荷响应能力不足情况下，温控负荷能够作为需求侧响应资源为电力系统提供后备响应。在电动汽车达到最大响应能力后启动温控负荷频率控制，能够减小扰动对系统频率的影响，支撑系统频率稳定。

[1]包宇庆，李扬，王春宁，等（Bao Yuqing，Li Yang，Wang Chunning，et al）.需求响应参与大规模风电接入下的电力系统频率调节研究（On demand response participating in the frequency control of the grid under high wind penetration）[J].电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2015，43（4）：32-37.

[2]刘克天（Liu Ketian）.电力系统频率动态分析与自动切负荷控制研究（Analysis on Power System Frequency Dynamics and Study on Auto Load-Shedding Control）[D].成都：西南交通大学电气工程学院（Chengdu：School of Electrical Engineering of Southwest Jiaotong University），2014.

[3]路攀，李雪，王春亮（Lu Pan，Li Xue，Wang Chunliang）.负荷相关的风电并网系统线路过载风险控制（Risk control of transmission line overload for wind power interconnected grid with correlated load）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（11）：16-20.

[4]周姝灿（Zhou Shucan）.高渗透率风电并网的电压、频率控制策略研究（Voltage and Frequency Control Strategy of the Power System with High Penetration of Wind Generation）[D].杭州：浙江大学电气工程学院（Hangzhou：College of Electrical Engineering of Zhejiang University），2015.

[5]倪琳娜，罗吉，王少荣（Ni Linna，Luo Ji，Wang Shaorong）.含风电电力系统的频率控制（Frequency control of power system with wind power integration）[J].电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2011，26（S1）：235-241.

[6]Ota Y，Taniguchi H，Nakajima T，et al.Autonomous distributed V2G（vehicle-to-grid）satisfying scheduled charging[J].IEEE Trans on Smart Grid，2012，3（1）：559-564.

[7]Ota Y，Taniguchi H，Nakajima T，et al.Autonomous distributed V2G（vehicle-to-grid）considering charging request and battery condition[C]//IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe，Gothenburg，Sweden，2010．

[8]Liu Hui，Hu Zechun，Song Yonghua，et al.Vehicle-to-gridcontrol for supplementary frequency regulation considering charging demands[J].IEEE Trans on Power Systems，2015，30（6）：3110-3119．

[9]Lam A Y S，Ka-Cheong Leung，Li V O K.Capacity estimation for vehicle-to-grid frequency regulation services with smart charging mechanism[J].IEEE Trans on Smart Grid，2016，7（1）：156-166.

[10]吴文宣，张晨曦，文福拴（Wu Wenxuan，Zhang Chenxi，Wen Fushuan）.电动汽车为风电场提供旋转备用服务的充放电优化调度（Optimal charging/discharging dispatch of electric vehicles for spinning reserve provisions to wind power generation）[J].华北电力大学学报（Journal of North China Electric Power University），2013，40（6）：63-68.

Coordination Frequency Control Strategy for EVs and Thermostatically Controlled Appliances in the Power System

GUO Bingqing1，YANG Jingjie1，QU Bo1，QI Yan2，LIU Xingwei1，WANG Yingqiu2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Research Institute，Tianjin 300010，China）

This paper proposes a coordination frequency control strategy for electrical vehicles（EVs）and thermostatically controlled appliances（TCAs）in the power system.First，the response characteristic of EVs is studied and an EV frequency control strategy is given based on state-of-charge ranking.Then，according to the characteristics of TCA，a frequency control strategy based on temperature ranking is also given.According to the load characteristics of EVs and TCAs，a coordination frequency control strategy is proposed.The coordination strategy utilizes load demand response to balance the system power and improve the frequency stability.The effectiveness of the control strategy in a case of large system disturbance is verified by a typical single-machine power system model.

electrical vehicles（EVs）；thermostatically controlled appliances（TCAs）；frequency control；coordination control strategy

TM73

A

1003-8930（2016）12-0013-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.003

郭炳庆（1962—），男，博士，教授级高工，研究方向为能效管理、电网能效分析、电能替代。Email：bq_guo@epri.sgcc.com.cn

杨婧捷（1992—），女，硕士研究生，研究方向为能量管理系统、混合能源系统能源联合优化。Email：yangjj10@foxmail.com

屈 博（1985—），男，硕士，工程师，研究方向为能效测评、需求侧管理、混合能源联合优化。Email：qubo@epri.sgcc.com.cn

2016-03-25；

2016-06-07

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2015AA050403）；国家电网公司总部科技资助项目（SGTJDK00DWJS1500100）