劉保平 楊洪明

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源供給、環(huán)境污染之間矛盾的日益激化，節(jié)能降耗，減少對(duì)化石燃料的依賴，已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題。風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的高效利用，是解決能源和環(huán)境問(wèn)題的重要手段。然而，由于可再生能源的隨機(jī)性，大量風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接入電網(wǎng)后會(huì)產(chǎn)生頻率波動(dòng)[1]、電壓波動(dòng)[2]等一系列問(wèn)題。為此，需要更多的旋轉(zhuǎn)備用來(lái)保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定的運(yùn)行。智能配網(wǎng)需求側(cè)中大量的小容量可控負(fù)荷參與配網(wǎng)的輔助服務(wù)越來(lái)越受到關(guān)注[3]。

智能配網(wǎng)需求側(cè)的可中斷負(fù)荷包括智能熱水器（EWHs）、智能冰箱、智能空調(diào)等家用的電器。由于其自身的熱慣性，在不影響用戶正常使用的前提下允許臨時(shí)中斷來(lái)增加或者減少其功率。在日本，家用的熱水器共有 300萬(wàn)臺(tái)，其總的功率消耗為10GW，占日本總負(fù)荷需求的10%[4]。電動(dòng)汽車一方面，在充電狀態(tài)下作為負(fù)荷使用電能；另一方面，可入網(wǎng)電動(dòng)汽車也可以被當(dāng)作儲(chǔ)能裝置使用?，F(xiàn)有的研究工作表明絕大多數(shù)電動(dòng)汽車在一天中的96%的時(shí)間里是被閑置的[5]。通過(guò)V2G（Vehicle to Grid，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)）技術(shù)[6]，這些閑置的電動(dòng)汽車可以在用電高峰期將電能反饋回電力系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[7]計(jì)算了部分發(fā)達(dá)國(guó)家的V2G出力的潛力。以美國(guó)為例，若將其國(guó)內(nèi)保有的機(jī)動(dòng)車總數(shù)的10%更換為電動(dòng)汽車并接入電網(wǎng)，則美國(guó)全國(guó)的V2G功率將達(dá)到286.5GW，約為其全國(guó)總負(fù)荷水平的68%。智能配網(wǎng)需求側(cè)大量分散的可控負(fù)荷聚合起來(lái)，能夠提供更多的旋轉(zhuǎn)備用來(lái)參與電網(wǎng)的調(diào)頻等輔助服務(wù)。

目前，丹麥和日本北海道電力系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了利用可中斷負(fù)荷調(diào)頻控制[8-9]。

本文考慮電動(dòng)汽車及可中斷負(fù)荷參與電網(wǎng)的調(diào)頻控制，在電池的充/放電特性的基礎(chǔ)上，提出了電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的頻率反饋動(dòng)態(tài)控制模型，并進(jìn)一步提出了包含電動(dòng)汽車及熱水器參與的區(qū)域頻率動(dòng)態(tài)模型。通過(guò)Simulink仿真驗(yàn)證電動(dòng)汽車和智能熱水器等可中斷負(fù)荷對(duì)包含可再生能源的系統(tǒng)的頻率波動(dòng)的平衡的作用。

1 V2G動(dòng)態(tài)模型

PEV的并聯(lián)/串聯(lián)電池組成的電池通過(guò) DC/AC逆變器連接到配電網(wǎng)，在本文中忽略逆變器的有功損耗。本文采用 Salameh等提出的考慮超電勢(shì)和自放電行為的電池組等效電路[10]。其動(dòng)態(tài)模型如圖 1所示，電池的動(dòng)態(tài)方程可表示為

式中，Vboc,i為 PEV電池的開(kāi)路電壓；Vb,i為電池的過(guò)電壓；Cbp,i為電池的內(nèi)部電容；Cb,i為電池的過(guò)電容；Rbc,i為電池的連接電阻；Rbs,i為電池的內(nèi)部電阻；Rb,i為過(guò)壓電阻；Rbp,i為自激勵(lì)放電電壓。

圖1 電池的等效電路

本文不考慮電池在逆變器中的有功損耗，母線側(cè)接收的有功功率與電池的有功輸出相等為

將式（4）線性化，得到V2G功率的增量為

直流電壓增量ΔVdc,i與頻率信號(hào)Δw存在如下關(guān)系[11]：

因此，第i個(gè)PEV參與頻率調(diào)節(jié)的V2G功率為

式中，Tb,i為電池功率調(diào)整的時(shí)間常數(shù)；kb,i為電池的V2G增益。

在考慮了電池的充放電特性的基礎(chǔ)上，電池的動(dòng)態(tài)模型由式（1）至（7）組成。根據(jù)系統(tǒng)的頻率需求來(lái)調(diào)整V2G的輸出功率。PEV的V2G動(dòng)態(tài)模型框圖如圖2所示。

圖2 PEV動(dòng)態(tài)模型框圖

2 可中斷負(fù)荷

可中斷負(fù)荷包括智能電熱水器（EWHs）、智能冰箱、智能空調(diào)等家用電器，其大致可以分為加熱和制冷兩種，特性基本相似。本文的可中斷負(fù)荷只考慮EWHs的影響。EWH為一個(gè)絕緣體組成的密閉容器，其包含有一個(gè)電加熱器給容器中的水加熱。容器中的水被加熱至最高 85℃左右。EWH的容量一般為370L，其額定功率為4.4kW[12]。當(dāng)它處于開(kāi)起狀態(tài)時(shí)，其功率 PEWH,i為4.4kW；當(dāng)其處于停止加熱狀態(tài)時(shí)，其功率 PEWH,i為0?？偟目芍袛嘭?fù)荷的功率變化量ΔPCL為

3 數(shù)值仿真

為了參與系統(tǒng)的頻率的調(diào)節(jié)，大量的 PEVs與常規(guī)機(jī)組類似，通過(guò)改變自身的有功出力來(lái)跟隨系統(tǒng)的擾動(dòng)。將所有參與調(diào)頻的發(fā)電機(jī)組等效為一個(gè)集中的等效機(jī)組，從而建立系統(tǒng)調(diào)頻的模型。其動(dòng)態(tài)模型如下

式中，Pm為發(fā)電機(jī)組的機(jī)械功率； TCH，TRH表示蒸汽進(jìn)入和循環(huán)供熱的時(shí)間常數(shù)；FHP為高壓渦輪產(chǎn)生的總的渦輪功率的系數(shù)；ΔPf為高壓渦輪的蒸汽流量； Pv為蒸汽閥的位置；TG為調(diào)速器的時(shí)間常數(shù)；R為單位頻率變化下的單位功率的變化量；Pref為系統(tǒng)的負(fù)荷的參考基準(zhǔn)值，其由積分控制環(huán)節(jié)得到

式中，kr為積分控制增益。

系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)模型為

式中，M為系統(tǒng)的角動(dòng)量，PL為非感性負(fù)載的功率，D為負(fù)載的阻尼系數(shù)，PV2G為所有的PEVs的V2G功率的聚合：

PEVs及可中斷負(fù)荷參與調(diào)頻的系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)模型由式（9）至式（14）得到，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖3所示。

圖3 PEV動(dòng)態(tài)模型框圖

4 結(jié)果分析

本文中假設(shè)該區(qū)域有200輛PEV和100臺(tái)EWH參與該區(qū)域系統(tǒng)的調(diào)頻控制。區(qū)域系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)如表 1所示。PEV電池的各項(xiàng)參數(shù)參照文獻(xiàn)[13]，每個(gè)PEV電池組的功率為4.8kW，其包含4個(gè)蓄電池。PEV電池 V2G 增益kb,i為12kW/Hz ，電池功率調(diào)整的時(shí)間常數(shù)Tb,i為0.026s.每一個(gè)EWH可以減少其自身電力消耗的 40%，可以減少 1.76kW 的電能消耗。

表1 系統(tǒng)的參數(shù)

在t=0s時(shí)，可再生能源突然減少 0.6MW的有功輸出（如 6%d的階躍響應(yīng)）。電動(dòng)汽車及可中斷負(fù)荷未參與區(qū)域系統(tǒng)的調(diào)頻控制時(shí)，系統(tǒng)的頻率偏差如圖4所示。由圖可知，頻率波動(dòng)的幅值最大接近0.4pu，系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間超過(guò)50s。當(dāng)電動(dòng)汽車及可中斷負(fù)荷參與區(qū)域系統(tǒng)的調(diào)頻控制時(shí)，系統(tǒng)的頻率偏差如圖5所示。由圖可知，頻率波動(dòng)的幅值明顯減少，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間也明顯減少。由圖 4和圖 5可以看出電動(dòng)汽車及可中斷負(fù)荷能夠很好的平衡可再生能源帶來(lái)的頻率波動(dòng)。

圖4 未包含電動(dòng)汽車及可中斷負(fù)荷系統(tǒng)的頻率偏差

圖5 包含電動(dòng)汽車及可中斷負(fù)荷的系統(tǒng)的頻率偏差

5 結(jié)論

為了解決由于可再生能源隨機(jī)性，大量的風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后電網(wǎng)的頻率波動(dòng)問(wèn)題。本文在提出了電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的頻率反饋動(dòng)態(tài)控制模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了包含電動(dòng)汽車及熱水器參與的區(qū)域頻率動(dòng)態(tài)模型。Simulink仿真結(jié)果表明，電動(dòng)汽車和智能熱水器等可控負(fù)荷能能夠很好的抑制可再生能源功率突變帶來(lái)的頻率的波動(dòng)，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間縮短。

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