孟健，葛賢軍，陳乃仕，王旭東，戚艷，穆云飛

(1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市 300072；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192；3.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津市 300384)

?

實(shí)時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車(chē)變參與度動(dòng)態(tài)頻率控制策略

孟健1，葛賢軍2，陳乃仕2，王旭東3，戚艷3，穆云飛1

(1.智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市 300072；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192；3.天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津市 300384)

針對(duì)大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)造成的電力系統(tǒng)頻率不穩(wěn)定問(wèn)題，提出利用電動(dòng)汽車(chē)作為一種有效的需求側(cè)響應(yīng)資源，為電力系統(tǒng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)。在充分分析用戶(hù)參與輔助調(diào)頻服務(wù)受電價(jià)影響行為特征的基礎(chǔ)上，提出了基于變參與度的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)頻率控制策略，可有效評(píng)估實(shí)時(shí)電價(jià)(real-time pricing,RTP)環(huán)境下電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)調(diào)頻服務(wù)的響應(yīng)能力。仿真結(jié)果表明：在RTP環(huán)境下，基于變參與度的電動(dòng)汽車(chē)頻率控制策略能夠充分利用電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的充放電特性為電力系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)輔助調(diào)頻服務(wù)，有效支撐電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率穩(wěn)定。

實(shí)時(shí)電價(jià)；電動(dòng)汽車(chē)；變參與度；動(dòng)態(tài)調(diào)頻

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)大氣污染問(wèn)題日益突出，霧霾已經(jīng)成為我國(guó)重大的民生問(wèn)題。作為引發(fā)大氣污染的主要“元兇”之一，傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放給空氣治理造成了巨大的困難[1]。環(huán)保部發(fā)布的《2014年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào)》顯示，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)2.32億輛，年排放污染物4 612.1萬(wàn)t，已成為“北、上、廣、深”等特大城市首要大氣污染源，其中北京地區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放更是占到本地污染排放的31.1%[2]。為了實(shí)現(xiàn)低碳交通，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)在我國(guó)的迅速發(fā)展已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的潮流。為了加快培育和發(fā)展我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，根據(jù)國(guó)務(wù)院2012年出臺(tái)的《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》的規(guī)劃目標(biāo)，到2020年我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)生產(chǎn)能力達(dá)200萬(wàn)輛，累計(jì)產(chǎn)銷(xiāo)量超過(guò)500萬(wàn)輛[3]。

大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)的并網(wǎng)既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。一方面，電動(dòng)汽車(chē)充電具有隨機(jī)性，這種無(wú)序充電行為可能會(huì)產(chǎn)生新的負(fù)荷高峰，甚至與已有負(fù)荷高峰重合，設(shè)想數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)在結(jié)束一天的行程后，恰好在晚負(fù)荷高峰期幾乎同時(shí)開(kāi)始充電，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)形成明顯的沖擊；另一方面，隨著電力電子和控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)在vehicle-to-grid (V2G)環(huán)境下可看成是一種移動(dòng)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，在需要時(shí)通過(guò)電力電子接口實(shí)現(xiàn)向系統(tǒng)的快速充放電，輔助系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，是一種維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的潛在可控資源，特別適合參與大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)頻。

針對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)并網(wǎng)環(huán)境下，如何利用電動(dòng)汽車(chē)群體為電網(wǎng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4-5]利用車(chē)載電池的快速響應(yīng)特性，將電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷作為系統(tǒng)頻率響應(yīng)資源，結(jié)果表明，電動(dòng)汽車(chē)能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率信號(hào)變化特征，有效抑制系統(tǒng)頻率偏差；文獻(xiàn)[6-8]提出了電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)調(diào)頻的下垂控制策略，根據(jù)頻率信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)汽車(chē)充/放電功率大小，為電力系統(tǒng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)；文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了考慮電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)交通特性和出行需求的能效電廠模型，用于確定1天中不同時(shí)刻電動(dòng)汽車(chē)的V2G可用調(diào)頻容量，在參與系統(tǒng)調(diào)頻的同時(shí)，為電動(dòng)汽車(chē)提供了保障其自身出行需求的充放電約束邊界；文獻(xiàn)[10-11]建立了考慮用戶(hù)舒適度的電動(dòng)汽車(chē)自管理充放電模型，在滿(mǎn)足用戶(hù)出行需求和用能舒適度的情況下，最大限度地利用電動(dòng)汽車(chē)為電網(wǎng)提供調(diào)頻輔助服務(wù)；文獻(xiàn)[12-13]研究了電動(dòng)汽車(chē)參與V2G過(guò)程中產(chǎn)生的電池?fù)p耗，指出在參與調(diào)頻響應(yīng)過(guò)程中過(guò)度充/放電是造成電池使用壽命損耗的主要因素。

然而，當(dāng)前關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)的研究未能充分計(jì)及電價(jià)因素的影響。由于電動(dòng)汽車(chē)為系統(tǒng)提供調(diào)頻服務(wù)本質(zhì)上是電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間的電能交易，而電價(jià)是影響電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)用電行為的關(guān)鍵因素之一，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)調(diào)頻的積極性將產(chǎn)生不可估量的影響。將電價(jià)因素納入到電動(dòng)汽車(chē)充電控制策略的制定過(guò)程中具有重要意義。為此，本文提出實(shí)時(shí)電價(jià)(real-time pricing,RTP)下電動(dòng)汽車(chē)變參與度動(dòng)態(tài)頻率控制策略，并通過(guò)典型算例系統(tǒng)驗(yàn)證控制策略的有效性。

1 電動(dòng)汽車(chē)的頻率響應(yīng)機(jī)制

1.1 RTP對(duì)電力供需關(guān)系的影響

建立完善的需求側(cè)響應(yīng)(demand response, DR)機(jī)制，鼓勵(lì)用戶(hù)主動(dòng)參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行和管理是未來(lái)智能電網(wǎng)的重要特征之一[14-16]。需求側(cè)響應(yīng)包括基于價(jià)格的DR和基于激勵(lì)的DR，其中基于價(jià)格的DR是一種利用價(jià)格手段引導(dǎo)負(fù)荷側(cè)用電需求調(diào)整的有效方式。

零售側(cè)可變電價(jià)包括階梯電價(jià)、分時(shí)電價(jià)和RTP，其中RTP是零售電價(jià)的最高形式。與其他可變電價(jià)不同，RTP不是根據(jù)日前制定，而是每天實(shí)時(shí)波動(dòng)的。RTP與電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)、用電量以及發(fā)電成本掛鉤，能夠直接反應(yīng)電力市場(chǎng)價(jià)格。根據(jù)歐、美等國(guó)家和地區(qū)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施RTP不僅能夠降低調(diào)峰機(jī)組的建設(shè)成本，同時(shí)能夠節(jié)約用戶(hù)的電費(fèi)支出。RTP作為一種引導(dǎo)電力消費(fèi)的重要手段，在未來(lái)智能電網(wǎng)中將得到廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)化的進(jìn)程，關(guān)于RTP的相關(guān)問(wèn)題也開(kāi)始被廣泛討論[17-18]。RTP能夠?qū)τ脩?hù)的用電行為進(jìn)行有效的引導(dǎo)，不僅有助于提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，提高電網(wǎng)設(shè)備利用率，同時(shí)也能使用戶(hù)有選擇性地調(diào)整用電行為以降低用電成本。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)供需原理，用電側(cè)電能消耗與電價(jià)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)電價(jià)上漲時(shí)用電量下降，電價(jià)下降時(shí)用電量上漲，如圖1所示?？梢?jiàn)在固定電價(jià)下，用電側(cè)需求曲線(xiàn)表現(xiàn)為一條垂直于用電量水平軸的直線(xiàn)；在RTP下，用戶(hù)用電量隨電價(jià)的上升而遞減。需求曲線(xiàn)同時(shí)隨負(fù)荷變化而實(shí)時(shí)變動(dòng)，負(fù)荷增加時(shí)需求曲線(xiàn)右移，負(fù)荷減少時(shí)需求曲線(xiàn)左移。由此可知，電網(wǎng)側(cè)可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整零售側(cè)電價(jià)來(lái)調(diào)節(jié)用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)基于價(jià)格的需求側(cè)響應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)并網(wǎng)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)頻率控制策略，應(yīng)充分考慮RTP對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用電行為及需求響應(yīng)參與度的影響。

圖1 電力供需關(guān)系曲線(xiàn)

1.2 RTP下電動(dòng)汽車(chē)頻率響應(yīng)控制機(jī)制

電力系統(tǒng)頻率能夠反映系統(tǒng)的能量供需平衡狀態(tài)，因此電動(dòng)汽車(chē)可通過(guò)采集系統(tǒng)頻率信號(hào)獲取電網(wǎng)功率需求，進(jìn)而通過(guò)一定的控制策略調(diào)整電動(dòng)汽車(chē)充/放電功率，為電力系統(tǒng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)。電動(dòng)汽車(chē)充/放電功率的調(diào)整既需要滿(mǎn)足電網(wǎng)的功率需求，也需要考慮用戶(hù)的交通出行需求，保障正常出行。

電動(dòng)汽車(chē)頻率控制策略分為集中式控制策略和分散式控制策略。集中式控制策略是通過(guò)引入中間管理機(jī)構(gòu)(如能效電廠等)將地理上分散的電動(dòng)汽車(chē)組建為集群，并按照電網(wǎng)的需求進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度管理，以實(shí)現(xiàn)整體控制效果最優(yōu)，其缺點(diǎn)在于不能充分考慮用戶(hù)差異化需求，同時(shí)需要依托于復(fù)雜的通信系統(tǒng)，響應(yīng)速度較慢，投資成本較高。分散式控制策略是指電動(dòng)汽車(chē)單體依據(jù)電網(wǎng)發(fā)布的頻率、電價(jià)等信號(hào)進(jìn)行充放電自管理，為電網(wǎng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)。分散式控制策略的優(yōu)勢(shì)在于免去了復(fù)雜的優(yōu)化過(guò)程，響應(yīng)速度快且投資成本低，適合于快速的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)頻。

由于電動(dòng)汽車(chē)電池壽命受充放電次數(shù)影響，為充分考慮用戶(hù)參與系統(tǒng)調(diào)頻的意愿，RTP下電動(dòng)汽車(chē)調(diào)頻響應(yīng)控制機(jī)制分為2種響應(yīng)模式，如圖2所示。

圖2 RTP下電動(dòng)汽車(chē)調(diào)頻響應(yīng)控制機(jī)制

(1)V1G模式：電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間進(jìn)行單向能量傳遞，即電動(dòng)汽車(chē)依據(jù)系統(tǒng)頻率信號(hào)在充電狀態(tài)與閑置狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)切換，而不向系統(tǒng)進(jìn)行反供電；

(2)V2G模式：電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間進(jìn)行雙向能量傳遞，即電動(dòng)汽車(chē)依據(jù)系統(tǒng)頻率信號(hào)在充電狀態(tài)與放電狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)切換。

在大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)易發(fā)生頻率大范圍波動(dòng)，嚴(yán)重影響供電品質(zhì)。不同響應(yīng)模式下(V1G, V2G)的電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)頻率信號(hào)以及RTP信號(hào)，結(jié)合自身出行需求以及經(jīng)濟(jì)需求進(jìn)行充放電自管理，為電力系統(tǒng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)。

2 變參與度動(dòng)態(tài)頻率控制策略

在非出行期間，電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)可分為充電狀態(tài)、閑置狀態(tài)和反供電狀態(tài)。電動(dòng)汽車(chē)依據(jù)電網(wǎng)頻率信號(hào)在3種狀態(tài)之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)。本節(jié)引入用戶(hù)參與度(k)表示電動(dòng)汽車(chē)對(duì)頻率信號(hào)的響應(yīng)程度，并充分考慮RTP對(duì)參與度的影響。

2.1 電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)需求約束

(1)

2.2 動(dòng)態(tài)頻率控制策略

電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的頻率控制分為上調(diào)頻和下調(diào)頻。上調(diào)頻指系統(tǒng)頻率大于額定頻率(本文為50 Hz)時(shí)的控制行為；下調(diào)頻指系統(tǒng)頻率小于額定頻率時(shí)的控制行為。

上調(diào)頻控制策略如圖3所示。車(chē)載電池的SOC可能處于的區(qū)間被劃分為閑置區(qū)和充電區(qū)。當(dāng)處于閑置區(qū)時(shí)(SOCe

圖3 上調(diào)頻控制策略示意圖

在電動(dòng)汽車(chē)的下調(diào)頻控制中，需考慮電動(dòng)汽車(chē)的控制模式(V1G/V2G)，在V1G模式下下調(diào)頻控制策略如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)頻率小于額定頻率時(shí)，閑置區(qū)擴(kuò)大，擴(kuò)大幅度為k×|Δf|。閑置區(qū)1、閑置區(qū)2分別代表原閑置區(qū)和新增閑置區(qū)。相比于控制前，SOC處于新增閑置區(qū)的電動(dòng)汽車(chē)將從充電狀態(tài)變?yōu)殚e置狀態(tài)，從而減小系統(tǒng)充電負(fù)荷。

圖4 下調(diào)頻控制策略示意圖(V1G模式)

在V2G模式下下調(diào)頻控制策略如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)頻率小于額定頻率時(shí)，車(chē)載電池SOC可能處于的區(qū)間分為閑置區(qū)、充電區(qū)和反供電區(qū)。相比于控制前，處于反供電區(qū)的電動(dòng)汽車(chē)由充電狀態(tài)變?yōu)榉垂╇姞顟B(tài)，從而等效降低系統(tǒng)充電負(fù)荷。

圖5 下調(diào)頻控制策略示意圖(V2G模式)

由上述可知，本控制策略的核心在于對(duì)閑置區(qū)/充電區(qū)/反供電區(qū)大小的調(diào)整，其調(diào)整幅度(k×|Δf|)體現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻需求的響應(yīng)程度，隨系統(tǒng)頻率偏差(|Δf|)和電動(dòng)汽車(chē)參與度(k)動(dòng)態(tài)變化。響應(yīng)程度越大，系統(tǒng)就能得到越多的響應(yīng)功率，反之，響應(yīng)程度越小，系統(tǒng)得到的響應(yīng)功率就越小。

2.3 RTP下的變參與度

由于電動(dòng)汽車(chē)充/放電實(shí)質(zhì)上是電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間的電能交易，在RTP環(huán)境下，應(yīng)充分考慮電價(jià)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)參與度(k)的影響。

在上調(diào)頻控制下，控制策略通過(guò)增加電動(dòng)汽車(chē)充電功率而提升系統(tǒng)負(fù)荷水平，增加用戶(hù)購(gòu)電量。電價(jià)越高，用戶(hù)參與意愿越低，電價(jià)越低，用戶(hù)參與意愿越高?；赗TP，設(shè)置上調(diào)頻參與度k+如式(2)、(3)所示：

(2)

(3)

式中：k*為參與度標(biāo)幺值；k0為用戶(hù)自主設(shè)定參與度基準(zhǔn)值；x*為RTP標(biāo)幺值。

在下調(diào)頻控制下，控制策略通過(guò)減小電動(dòng)汽車(chē)充電功率降低系統(tǒng)負(fù)荷水平，減少用戶(hù)購(gòu)電量。電價(jià)越高，用戶(hù)參與意愿越高，電價(jià)越低，用戶(hù)參與意愿越低?；赗TP，設(shè)置下調(diào)頻參與度k-如(4)、(5)所示：

(4)

k-=k0×x*，Δf<0

(5)

綜合上述分析，在RTP下電動(dòng)汽車(chē)頻率響應(yīng)參與度隨電價(jià)變化情況如圖6所示。

圖6 RTP下電動(dòng)汽車(chē)參與度

電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)輔助服務(wù)的參與度隨RTP動(dòng)態(tài)調(diào)整，在電價(jià)較高時(shí)用戶(hù)下調(diào)頻參與度較高，上調(diào)頻參與度較低；反之，在電價(jià)較低時(shí)，用戶(hù)上調(diào)頻參與度較高，下調(diào)頻參與度較低。

3 風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)模型

采用同時(shí)具有一次調(diào)頻、二次調(diào)頻作用的含大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)模型對(duì)本文提出的頻率控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7所示。

發(fā)電系統(tǒng)等值模型包含調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)等值模型以及代表一次調(diào)頻、二次調(diào)頻的反饋環(huán)節(jié)，其中，TG、TT分別為調(diào)速器、原動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)，用來(lái)描述二者的時(shí)間特性。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在調(diào)速器、原動(dòng)機(jī)之間引入暫態(tài)下垂補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用超前-滯后傳遞函數(shù)來(lái)表示，其中T1、T2為超前、滯后時(shí)間常數(shù)；ΔPm為機(jī)械功率變化量；ΔPe為電磁功率變化量。2個(gè)反饋信號(hào)分別代表機(jī)組自身的一次調(diào)頻、二次調(diào)頻作用。一次調(diào)頻中，R為機(jī)組調(diào)差系數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率的有差控制。二次調(diào)頻中，引入積分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)誤差控制，kE為機(jī)組二次調(diào)頻響應(yīng)系數(shù)。負(fù)荷模塊用來(lái)描述系統(tǒng)負(fù)荷的頻率響應(yīng)特性，其中D為負(fù)荷機(jī)械阻尼功率。

圖7 大規(guī)模風(fēng)電環(huán)境下電力系統(tǒng)調(diào)頻模型

風(fēng)力發(fā)電模塊用來(lái)模擬大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境下隨機(jī)發(fā)電出力的波動(dòng)性，其中ΔPgen為風(fēng)力發(fā)電功率變化量。由于風(fēng)力發(fā)電具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，將對(duì)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定造成嚴(yán)重的影響。Δf為系統(tǒng)頻率偏差，反映電力系統(tǒng)有功功率不平衡程度。依據(jù)第2節(jié)所述的控制策略，Δf作為輸入信號(hào)用于電動(dòng)汽車(chē)充放電頻率控制。

電動(dòng)汽車(chē)采集系統(tǒng)頻率信號(hào)Δf以及電價(jià)信號(hào)x*，并結(jié)合電池SOC狀態(tài)信息控制車(chē)載電池充放電狀態(tài)。電動(dòng)汽車(chē)模塊的構(gòu)建綜合考慮了車(chē)載電池的充/放電特性，電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量以及控制模式，按照控制響應(yīng)模式的不同分為V1G和V2G 2類(lèi)。V1G模式下的電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)動(dòng)態(tài)切換充電狀態(tài)和閑置狀態(tài)調(diào)節(jié)充電功率；V2G模式下的電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)動(dòng)態(tài)切換充電狀態(tài)和反供電狀態(tài)調(diào)節(jié)充電/反供電功率。ΔPEV_V1G、ΔPEV_V2G分別為2種模式下電動(dòng)汽車(chē)為系統(tǒng)提供的調(diào)頻功率。在本模型中，所有模塊之間傳遞的參數(shù)均為標(biāo)幺值。

4 算例分析

采用圖7所示的電力系統(tǒng)調(diào)頻模型驗(yàn)證本文所提控制策略的有效性。設(shè)置電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量為10 000輛。系統(tǒng)模型的功率基準(zhǔn)值為40 MW。根據(jù)某地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，算例參數(shù)選取如表1所示。其中，設(shè)電動(dòng)汽車(chē)參與度基準(zhǔn)值服從均勻分布。取該地區(qū)24 h風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真(如圖8所示)，模擬大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)供需平衡的影響。在系統(tǒng)頻率波動(dòng)較大的情況下，驗(yàn)證電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)調(diào)頻服務(wù)的效果。

表1 仿真參數(shù)

Table 1 Simulation parameters

圖8 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線(xiàn)

本文采用某配電公司典型的全天RTP數(shù)據(jù)如圖9所示[19]。在RTP環(huán)境下，電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)的參與度隨時(shí)間變化情況如圖10所示。可見(jiàn)，參與度在1天內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間分布特征。在電價(jià)較高時(shí)段(08:00—20:00)，用戶(hù)下調(diào)頻參與度k-較高，上調(diào)頻參與度k+較低；反之，在電價(jià)較低時(shí)段(20:00—次日8:00)，用戶(hù)k-較低，k+較高。

圖9 全天RTP曲線(xiàn)

圖10 RTP下的電動(dòng)汽車(chē)參與度

系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)情況如圖11所示。大規(guī)模間歇性風(fēng)電并網(wǎng)引起系統(tǒng)頻率振蕩。在沒(méi)有對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行頻率響應(yīng)控制的情況下，頻率波動(dòng)較大。在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)頻響應(yīng)控制后，系統(tǒng)頻率波動(dòng)明顯得到有效抑制。然而，受RTP影響，全天24 h不同時(shí)段調(diào)頻效果有所不同。在電價(jià)較低時(shí)段(如00：00—06：00)，頻率偏差大于0(頻率>50 Hz)情況下，調(diào)頻效果較好，能夠?qū)㈩l率偏差控制在0.2 Hz以?xún)?nèi)，而頻率偏差小于0(頻率<50 Hz)情況下，效果相對(duì)較差，頻率偏差范圍控制在0.4 Hz以?xún)?nèi)。在電價(jià)較高時(shí)段(如16：00—19：00)，頻率偏差大于0時(shí)，調(diào)頻效果較差，頻率偏差范圍控制在0.8 Hz以?xún)?nèi)，而頻率偏差小于0時(shí)，控制效果較好，頻率偏差范圍控制在0.3 Hz以?xún)?nèi)。

圖11 頻率控制效果

傳統(tǒng)發(fā)電廠出力變化如圖12所示，在沒(méi)有對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率控制的情況下，傳統(tǒng)電廠需以較大的出力變化來(lái)平抑新能源出力波動(dòng)，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性受到較大影響。在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷進(jìn)行頻率響應(yīng)控制后，電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整充放電狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源出力隨機(jī)波動(dòng)的抑制，傳統(tǒng)發(fā)電廠出力波動(dòng)范圍明顯減小。

圖12 傳統(tǒng)發(fā)電廠出力變化量

電動(dòng)汽車(chē)頻率響應(yīng)效果如圖13所示，由圖可知在大規(guī)模間歇性風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境下，電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)能夠有效抑制系統(tǒng)頻率偏差并減少傳統(tǒng)發(fā)電廠出力波動(dòng)。

圖13 電動(dòng)汽車(chē)需求響應(yīng)控制效果

5 結(jié) 論

本文探索了市場(chǎng)環(huán)境下RTP對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)充放電行為的影響，提出了RTP下電動(dòng)汽車(chē)變參與度動(dòng)態(tài)頻率控制策略。在V1G和V2G 2種控制模式下，電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)頻率偏差信號(hào)和RTP信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整其充/放電狀態(tài)來(lái)響應(yīng)系統(tǒng)調(diào)頻功率需求。最后，通過(guò)構(gòu)建含大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境下的電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)仿真模型驗(yàn)證了所提頻率控制策略的有效性，并得出如下結(jié)論：

(1)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷可為電力系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)調(diào)頻輔助服務(wù)，能夠有效緩解間歇性風(fēng)電等新能源隨機(jī)出力波動(dòng)所帶來(lái)的系統(tǒng)頻率質(zhì)量問(wèn)題，并減小傳統(tǒng)發(fā)電廠出力變化范圍，提高其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

(2)本文引入變參與度的概念，在頻率響應(yīng)控制中考慮了RTP對(duì)用戶(hù)參與意愿的影響，能夠更加有效地評(píng)估頻率響應(yīng)能力在1天當(dāng)中的時(shí)間分布特性。

(3)本文以電動(dòng)汽車(chē)為例研究了RTP對(duì)電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)調(diào)頻效果的影響，為電力市場(chǎng)環(huán)境下如何利用電價(jià)手段指導(dǎo)需求側(cè)響應(yīng)方案提供了一種有效的解決思路。

[1]宗禾. 政采等措施推動(dòng)新能源汽車(chē)加速發(fā)展[N]. 中國(guó)政府采購(gòu)報(bào), 2015-01-16(1).

[2]蔣夢(mèng)惟. 機(jī)動(dòng)車(chē)成大氣污染罪魁禍?zhǔn)譡N]. 北京商報(bào), 2015-04-2(2).

[3]國(guó)務(wù)院. 節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)[N]. 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院公報(bào), 2012-06-28(1).

[4]黃媛，劉俊勇，陳井銳，等. 計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)的負(fù)荷頻率控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2012，36(9)：24-28. Huang Yuan,Liu Junyong,Chen Jingrui, et al.Load frequency control considering vehicle to grid[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(9):24-28.

[5]張謙，周林，周雒維，等. 計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)充放電靜態(tài)頻率特性的負(fù)荷頻率控制[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2014，38(16)：74-80. Zhang Qian,Zhou Lin,Zhou Luowei, et al.Load frequency control considering charging and discharging static frequency characteristics of electric vehicles[J].Automation of Electric Power Systems,2014,38(16):74-80.

[6]Pascal M., Rachid C, Alexandre O. Optimizing a battery energy storage system for frequency control application in an isolated power system [J]. IEEE Transactions on Power System, 2009，24(3)：1469-1477.

[7]Pearmine R, Song Y H, Chebbo A. Influence of wind turbine behaviour on the primary frequency control of the British transmission grid[J].Renewable Power Generation, IET, 2007, 1(2): 142-150.

[8]Ramtharan G, Jenkins N, Ekanayake J B. Frequency support from doubly fed induction generator wind turbines[J]. IET Renewable Power Generation, 2007, 1(1): 3-9.

[9]Wang M S, Mu Y F, Wu J Z, et al. A pre-ventive control strategy for static voltage stability based on an efficient power plant model of electric vehicles [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2015, 3(1): 103-113.

[10]Ota Y,Taniguchi H,Nakajima T,et al. Autonomous distributed V2G (vehicle-to-grid) considering charging request and battery condition[J]. Proceedings of IEEE Conference on ISGT Europe，Gothenburg，Sweden:IEEE，2010.

[11]Liu H, Hu Z, Song Y,et al.Vehicle-to-grid control for supplementary frequency regulation considering charging demands [J]. IEEE Transaction on Power Systems, 2014，3(1)：559-564.

[12]Bishop J D K, Axon C J, Bonilla D, et al.Evaluating the impact of V2G services on the degradation of batteries in PHEV and EV [J]. Applied Energy, 2013，111(1)：206-218.

[13]Agarwal L, Peng W, Goel L. Using EV battery packs for vehicle-to-grid applications: an economic analysis[C]//Innovative Smart Grid Technologies-Asia (ISGT Asia), 2014 IEEE.IEEE, 2014: 663-668.

[14]謝珍建，于樂(lè)，歸三榮，等. 國(guó)外需求響應(yīng)技術(shù)在主動(dòng)配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電力需求側(cè)管理， 2015, 17(2): 59-60. Xie Zhenjian, Yu Le, Gui Sanrong, et al. Application of foreign demand response technology in active distribution network[J]. Power Demand Side Management, 2015, 17(2):69-60.

[15]趙慧穎，劉廣一，賈宏杰，等. 基于精細(xì)化模型的需求側(cè)響應(yīng)策略分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014, 42(1): 62-69. Zhao Huiying, Liu Guangyi, Jia Hongjie, et al. Analysis of demand response program based on refined models[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(1):62-69.

[16]劉繼東.電力需求側(cè)響應(yīng)的效益評(píng)估與特性分析 [D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013. Liu Jidong. Benefit assessment and characteristics analysis of demand response[J]. Jinan: Shandong University, 2013.

[17]王冬容.電力需求側(cè)響應(yīng)理論與實(shí)證研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2010. Wang Dongrong. Theory and empirical research on electric power demand respone[J]. Beijing: North China Electric Power University, 2010.

[18]劉觀起，張建，劉瀚. 基于用戶(hù)對(duì)電價(jià)反應(yīng)曲線(xiàn)的分時(shí)電價(jià)的研究[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005, 32(3): 23-27. Liu Guanqi,Zhang Jian,Liu Han.Research on TOU pricing based on consumer response curve[J].Journal of North China Electric Power University,2005,32(3):23-27.

[19]Qian K J, Zhou C K, Allan M, et al. Modeling of load demand due to EV battery charging in distribution systems [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2011，26(2)：802-810.

孟健 (1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)頻率穩(wěn)定與電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)化控制；

葛賢軍 (1978)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ψ詣?dòng)化控制及電力仿真；

陳乃仕 (1980)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏φ{(diào)度自動(dòng)化與電力市場(chǎng)；

王旭東 (1985)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、微電網(wǎng)與綜合能源利用等；

戚艷 (1986)，女，工程師，主要研究方向?yàn)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)與智能配用電技術(shù)；

穆云飛 (1984)，男，講師，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c電動(dòng)汽車(chē)集成、電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性等。

(編輯：張小飛)

EV Dynamic LFC Strategy with Variable Participation Factor under RTP

MENG Jian1，GE Xianjun2，CHEN Naishi2，WANG Xudong3，QI Yan3, MU Yunfei1

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;3. State Grid Tianjin Electric Power Research Institute, Tianjin 300384, China)

According to the problem of system frequency instability caused by large-scale intermittent renewable energy, electrical vehicle (EV) was used as valid demand response (DR) resource to provide ancillary load frequency control (LFC) service for power system. On the basis of the analysis on user’s behavior characteristics in ancillary LFC service impacted by electricity price, a dynamic LFC strategy with using variable participation factor was proposed for EVs, which could effectively evaluate the response ability of EVs in system frequency service under RTP (real-time pricing). The simulation results show that under RTP, the LFC strategy of EV based on variable participation factor can provide dynamic ancillary frequency modulation service for power system with using the charging and discharging characteristics of EV load, and effectively support the dynamic frequency stability of power system.

real-time pricing; electrical vehicle; variable participation factor; dynamic frequency modulation

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃) (2015AA050403)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51361130152，51307115，51377117)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(面向智慧城市的多元能源互聯(lián)與管理關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用，智能電網(wǎng)園區(qū)能源預(yù)測(cè)與協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究)。

TM 910

A

1000-7229(2015)07-0153-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.07.022

2015-04-25

2015-06-10

Project Supported by National High Technology Research and Development Program of China(2015AA050403)；National Natural Science Foundation of China(51361130152,51307115,51377177).