考虑用户充电时间的电动汽车一次调频策略

邵梓轩,李 哲,孟呈祥,徐 雷,李厚俊

(南京邮电大学自动化学院、人工智能学院,江苏 南京 210023)

0 引言

由于世界范围内能源紧缺,环境恶化,全球传统燃油车企业向电能、氢能等新能源汽车转型,而电能因为其多种模式产出而成为新能源车型中的发展重点。V2G(Vehicle to Grid,V2G)也随之成为了智能电网技术的关键部分,其可以实现电动汽车的有序充/放电,可以有效提升电网的安全性[1]。V2G技术可以用于电网的调峰、调频、调压,通过减少电网公司备用调节容量,实现电动汽车用户和电网公司利益共享[2]。但是V2G的意义仅仅体现在车辆和电力市场相匹配的情况下[3],比如,V2G不适合对基本的负荷电力进行全天候的电力供应,其主要因为传统机组可以以更低的价格提供基本负荷电力。相反,V2G最大的特点是快速响应和其高价值的电力服务。购买这些快速响应的电力服务可以平衡负载的不断波动并适应意外的设备故障,其占电力成本的5%~10%,在美国每年为120亿美元。开发V2G的社会价值包括为更清洁的车辆提供额外的收入来源,提高电网的稳定性,降低电力系统调频成本,并为可再生电力提供高性价比的存储和备份。

另外,电动汽车电池具有快速充放电的特点,使其本身能以高反应速度直接参与电网频率的调整,从而间接控制整个电网频率的大幅波动,而且现阶段还有大量新的理论研究文献阐明了电动汽车V2G技术广泛使用的种种可能性。比如,文献[4]同时考虑到实时动态电价水平对电动汽车参与一次电网频率动态调节行为的动态影响,提出了基于实时电价水平的电动汽车一次频率动态调节模型控制的策略。这些电压控制优化策略能及时有效地抑制电网频率出现波动,但用户计划充电容量主要受限于电动汽车的实际充电时长,由于不同用户的习惯不同,若不能充分把控充电时间,则必然会导致过慢充和过放等现象持续发生,最终无法满足用户的计划充电需求。

基于上述分析,本文首先指出了电动汽车参与一次调频的优势和基本流程框架,其次考虑到用户的充电时间,构建了考虑用户行为特性动态的下垂系数,进而实现了电动汽车的动态下垂控制,然后设计了考虑充电功率需求的功率补偿策略,最后通过MATLAB/Simulink软件仿真实验验证了所提出策略的可行性。

1 电动汽车一次调频问题

在现有研究中,为改善频率调节特性,一般使用恒定下垂控制系统,并综合考虑电动汽车数量的聚合模型来评价每一次调频的动态响应和自适应下垂调节方式,通过依据频率偏差和电动汽车的剩余功率改变下垂系数,可实时调节电动汽车的输出,以保证电动汽车参与调频特性。

电动汽车不仅自身具有电力电子特性,而且还可以作为一个可控功率负载,实现向电网进行调节频率发电服务的总体功能。并且电动汽车也能够成为分布式后备供电电源,在电网需要时通过逆变器向电网释放电能来补足电网的电能功率缺额。电动汽车与电网协同调频示意如图1所示。与我国常规控制系统的中小型火电汽轮机、小型水电锅炉以及我国电网调频发电机组控制器相比较,在V2G系统下配套的电动汽车直接参与电网频率调整的控制系统,有着以下优点[5]:

(1)闲置数量大。作为交通工具,电动汽车的行驶时间往往只占每天的一小部分[6]。而当电动汽车在闲置时间通过充电设备与电网连接时,大规模的可调容量使其可以参与到电网调频中。

(2)响应速度快。由于电动汽车区别于传统发电机组,没有机械部分参与,完全是基于电力电子设备实现功率的传输,所以在参与调频过程中,其爬坡速率远超于传统机组,进一步增强电网稳定性。

(3)经济效益客观。一方面由于电动汽车的电力电子控制特性,其可以以极快的响应速度支撑电网频率响应,减少了电网频率波动的时间,从而降低了由于频率问题带来的电网侧、用户侧经济损失;另一方面,通过电动汽车承担一部分旋转备用电厂份额,极大降低旋转备用成本。同时用户主动参与电网辅助功能,可获得电网的经济激励,从而实现双赢。

图1 电动汽车与电网协同调频示意

2 电动汽车一次调频控制策略研究

2.1 电动汽车一次调频的基本框架流程

计及电动汽车参与电网一次调频的系统框架如图2所示。

图2 V2G一次频率调节的控制框架

通过电动汽车充电桩控制中心与电网进行信息交互,其可通过频率测量值为V2G控制提供控制目标。同时电动汽车的自身信息也与V2G控制环节实现交互[7-9]。当电网频率在系统死区之内,V2G控制环节与信息交互停止。当频率超出死区范围,系统进行上述信息交互与控制。控制环节中,控制中心基于本文所述策略通过频率偏差信息实现有功指令计算,并执行。同时电动汽车自身充电过程持续进行,一次调频量在充电基础上实施,若无一次调频需求,则充电桩仅执行电池充电任务。如图3所示。

图3 计划充电调频控制原理

2.2 基于充电时间的下垂系数设计

电动汽车向城市电网中提供的一次调频可以分为向上调节频率和向下调节频率。充电时间是用户充电行为的重要构成因素。用户参与充电的前提为现有容量低于用户的需求容量。因此,用户在开始充电时放电能力弱且为实现电量需求充电需求较大,所以为防止过放,下垂系数应小于Kmax。并且随着时间变化,充电需求逐渐减小,放电能力提升。故本文基于充电时间设计动态下垂系数,其相应数学模型为

式中:Kchar、Kdis分别为充/放电下垂;Kmax是最大的V2G下垂;tin和tleave分别为开始充电时刻和结束充电时刻。

其中

式中:ts表示从开始充电到结束充电这一时间段。

图4为式(1)的函数曲线,由其曲线特性可知,随着时间增大Kdis增加,Kchar减小,符合用户行为特性。

图4 基于充电时间特性的充/放电下垂曲线

2.3 用户计划充电控制

在对电网进行一次频率调节的同时还要满足电池计划的充电功率需求,需要实时计算出在将来一定的时间段内的电池的实时计划充电功率大小,即

根据式(1)-式(3),可以由频率偏差及电动汽车充/放电下垂特性计算V2G功率补偿:

3 系统仿真

3.1 系统模型

本文基于MATLAB/Simulink仿真平台创建负荷频率控制模型,电动汽车和光伏的区域电网调频动态模型如图5所示。其包含1台传统发电机组和1个光伏发电机组,N台电动汽车,P'i(i=1,2,...,I)指的是第i台传统机组的一次调频出力;(K=1,2,…,K)表示是第k辆电动汽车的一次调频出力;PLd指的是系统净负荷波动;R指的是一次调频的调差系数;M指的是区域电网的惯性时间常数;D指的是负荷阻尼系数;ΔPtie指的是互联电网联络线交换功率;Δf指系统的频率偏差值。

图5 区域电网调频动态模型

V2G对电网的一次调频参数如下:电动汽电池容量为70 k Wh;最大V2G功率为7 k W;最大V2G增益为50 k W/Hz;最大和最小SOC分别是0.9 p.u.和0.1 p.u.。调频区域电网系统参数见表1。

表1 区域电网系统参数

3.2 仿真结果分析

在MATLAB的Simulink仿真环境下,分析了V2G对充/放电电池时间长短所对应的电池容量、对电网频率调节的影响以及对应的功率大小,并对比了传统一次调频所采用的“定K法”和无电动汽车参与调频的策略。为方便表述,本文V2G调频策略称为CS2(Control Strategy 2),“定K法”为CS1,对比的无电动汽车参与调频控制策略为CS3。 由表2可知,在没有电动汽车参与调频的时候,其频率偏差的最大值、最小值和均方差分别为0.166 9 Hz、-0.153 9 Hz、0.024 7 Hz。而在有电动汽车参与的时候,其频率偏差的最大值、最小值和均方差分别为0.141 7 Hz、-0.139 9 Hz、0.013 1 Hz,由此可知,与无电动汽车参与电网频率调节相比,电动汽车参与调频能有效抑制电网频率偏移。

表2 3种策略对频率偏差影响比较

同时结合图6,3种控制策略电网频率波动曲线(为3种方案下平率偏差最大的时刻)可得,CS2在偏差幅值与均方差均小于CS1和CS3,可以看出CS2在调频效果方面明显优于另外2个方案。

图6 3种控制策略电网频率波动曲线

图7、8可知,在刚充电时,CS2方案下电动汽车的放电功率小于CS1;而即将结束充电时,CS1方案的充电量小于CS2,更利于满足电动汽车用户需求。

图7 CS1电动汽车的V2G功率

图8 CS2电动汽车的V2G功率

图9反应的是CS1和CS2方案的实时SOC。通过对SOC值进行对比,可以看出CS2策略下电动汽车充电效率高于CS1。

图9 CS1和CS2实时SOC对比

4 结论

考虑传统下垂控制对电网一次调频效果不足,且未能兼顾用户充电需求这一问题,本文构建了一种基于充电时间特性的动态下垂系数,通过下垂控制实现电动汽车高效参与电网一次调频。在该动态下垂控制策略下电动汽车能够基于用户充放电需求调节一次调频参与量。仿真结果表明,与传统一次调频方法相比,本方案提升了电动汽车一次调频精准性,且充电容量上升速度相较于传统方法较快,有益于满足用户需求,可实际应用于电动汽车参与一次调频。