电动汽车参与电网调频策略研究

雷雪婷，郝文波，曹 融，刘环宇，赵剑锋

(1.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030； 2.国网黑龙江依兰县电业局有限公司，哈尔滨 154800;3.大连土城子风电有限公司, 辽宁 瓦房店 116327)

0 引 言

2020年末，国务院办公厅日前印发《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》[1]，其中提到，要坚持电动化、网联化、智能化发展方向，我国新能源汽车正进入加速发展新阶段。为减少化石能源的消耗，大量新能源入网，传统动力汽车转为电动汽车。大量电动汽车接入电力系统进行充电，导致系统负荷激增，在为电网带来稳定性、可靠性威胁的同时，也为电网提供了大容量的移动储能。结合电力系统新形势，利用合理的V2G(vehicle to grid)控制策略，使电动汽车参与电网调频，对电网来说无疑是新的发展机遇[2-3]。

1 电动汽车辅助调频模型

电力系统频率调节控制基本模型由同步发电机模型、负荷频率特性模型、一次调频模型、二次调频模型等组成[4]，电动汽车参与调频的模型如图1所示。

图1 电动汽车参与调频的模型Fig.1 Model of electric vehicles participating in frequency modulation

其中同步发电机模型包括调速器原动机和发电机惯性。

电动汽车参与系统一次调频时，储能单元模块的输入信号只有频率差信号。电动汽车参与一次调频时的下垂特性即为电动汽车电池参与调频充放电极值限制，对应图1中一次调频死区环节，如公式(1)所示。

(1)

式中：PEV为电动汽车储能充放电功率；Δw为系统频率偏移量；KEV为电动汽车响应系数；PCH，max为参与V2G的电动汽车最大充电功率；PDIS，max为参与V2G的电动汽车最大放电功率。

电动汽车参与系统两次调频时，V2G储能单元模块的输入是频率差信号与区域偏差控制信号。根据GB/T 15945—2008，设置死区环节频率波动边界为±0.5 Hz[5]。电动汽车参与V2G相关参数如表1所示。

表1 电动汽车参与调频模型参数Table 1 Model parameters of electric vehicle participating in frequency modulation

2 电动汽车调频特性分析

2.1 算例1

基于图1电动汽车参与调频的模型，设立了3个场景:S1电动汽车不参与调频；S2电动汽车只参与一次调频；S3电动汽车参与一次、二次调频。目前电动车的电池容量一般在15～200 kW·h之间。以小型电动汽车为例，设置V2G最大充放电功率均为5 kW[6]。设置系统发电功率300 MW，输入阶跃扰动，负荷功率突增15 MW(0.05 p.u.)。3个场景下系统频率的变化量如图2所示。其中，S2、S3参与调节的电动汽车数量为10 000辆。

从图2(a)中可以得到，3个场景下频率最大下降分别为0.16 Hz、0.084 Hz、0.084 Hz。从图2(b)中可以得到，S1场景下，系统频率在210 s时恢复额定值；S2场景下，系统频率在325 s时恢复额定值；S3场景下，系统频率在240 s时恢复额定值。可见V2G明显降低了系统的频率波动。

图2 3个场景频率变化Fig.2 Frequency changes of the three scenes

图3为3个场景下系统的区域控制偏差。由图3可以看出，在S2、S3下，电动汽车辅助电网频率调节，相比S1均明显降低了系统的区域控制误差值eAC。

图3 3个场景区域控制偏差Fig.3 ACE of the three scenes

2.2 算例2

在S2、S3场景下，设置参与V2G的电动汽车数量分别为1 000、10 000、20 000，系统频率波动如图4、5所示。

从图4和图5可以看出，S2、S3下不同数量电动汽车参与调节时，随着电动汽车数量的增加，电网频率波动超调量降低。另外，辅助调频的电动汽车数量相同时，S2相比于S3系统频率波动超调量相等，但结合图2(b)可知，S2下频率恢复稳定时间更长。

图4 S2下不同数量电动汽车频率变化Fig.4 S2’s frequency changes of different numbers of electric vehicles

图5 S3下不同数量电动汽车频率变化Fig.5 S3’s frequency changes of different numbers of electric vehicles

S2、S3场景下，参与V2G的电动汽车数量分别为1 000、10 000、20 000辆时单辆电动汽车出力情况如图6、7所示。参与电网辅助调频的电动汽车数量越多，单辆电动汽车出力的峰值和稳定值越小。

图6 S2下不同数量电动汽车单车出力Fig.6 S2’s individual electric vehicle output of different numbers of electric vehicles

图7 S3下不同数量电动汽车单车出力Fig.7 S3’s individual electric vehicle output of different numbers of electric vehicles

3 结 语

1)集群式的电动汽车作为移动电源为电网提供调频服务时，可以明显减小频率波动以及区域控制误差。

2)从电网控制的角度看，电动汽车参与一次调频视为比例环节，二次调频视为积分环节。参与V2G的电动汽车增加，KEV增大，频率波动峰值降低，但系统恢复到额定频率的时间变长。当电动汽车同时参与二次调频时，积分作用增强，电网频率恢复稳定的时间缩短。

3)参与V2G的电动汽车数量增加时，频率波动超调量降低，单辆电动汽车出力峰值和稳定值减小。