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(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

微電網(wǎng),也被稱為分布式能源孤島系統(tǒng)[1]。微電網(wǎng)具有雙重角色:對于電網(wǎng),微電網(wǎng)作為一個大小可以改變的智能負(fù)載,為本地電力系統(tǒng)提供了可調(diào)度負(fù)荷,可以在數(shù)秒內(nèi)作出響應(yīng)以滿足系統(tǒng)需要,適時向大電網(wǎng)提供有力支撐;對于用戶,微電網(wǎng)作為一個可定制的電源,可以滿足用戶多樣化的需求,如增強(qiáng)局部供電可靠性,支持當(dāng)?shù)仉妷?作為不可中斷電源等[2-5]。近年來,電動汽車(Electric Vehicle,EV)得到了快速發(fā)展[6],其不再作為簡單的儲能資源,只能進(jìn)行充電,而是被看作移動的儲能資源,甚至當(dāng)電網(wǎng)供電不足時可以被視為電源[7-8]。當(dāng)閑置的電動汽車接入電網(wǎng)(Vehicles-to-Grid,V2G)調(diào)制時,可以改善微電網(wǎng)的電壓質(zhì)量,減少儲能配置。這對解決環(huán)境污染和能源短缺問題具有重要意義[9]。

文獻(xiàn)[10]提出了包含風(fēng)、光、儲和電動汽車等的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,分析了電動汽車對微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響。文獻(xiàn)[11]給出了儲能充放電模型。文獻(xiàn)[12]以智能住宅內(nèi)的微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象,建立了以發(fā)用電總成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[13]建立了電動汽車功率需求的統(tǒng)計模型。文獻(xiàn)[14]考慮了電動汽車能量的雙向流動,以投資成本最低為目標(biāo),同時參與電網(wǎng)的削峰填谷,分析了電動汽車雙向充電對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[15]在已有光儲電站儲能容量配置研究的基礎(chǔ)上,針對儲能設(shè)備選型、光儲電站的調(diào)度模式、容量配置方法以及光儲電站的全壽命周期經(jīng)濟(jì)可行性等進(jìn)行了評價。

本文基于光儲電站的微電網(wǎng)系統(tǒng),將閑置的電動汽車接入微電網(wǎng),提出了電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)制的控制策略,分析了電動汽車接入后對微電網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響問題,并用4個算例進(jìn)行了仿真分析,以驗證其可行性。

1 基于光儲電站的微電網(wǎng)系統(tǒng)

圖1為光儲電站的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 基于光儲電站的微電網(wǎng)系統(tǒng)

微電網(wǎng)是一種由分布式電源、負(fù)荷、電力電子設(shè)備、監(jiān)控保護(hù)裝置組成的小型發(fā)配電系統(tǒng),對外部電網(wǎng)表現(xiàn)為可控的單元,可滿足用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求。本文采用400 V的直流微電網(wǎng)系統(tǒng),研究離網(wǎng)狀態(tài)下不接電動汽車與接入電動汽車后的供電電能質(zhì)量問題。

圖1中,光伏發(fā)電模塊采用晴天實際監(jiān)測的數(shù)據(jù),接入光儲電站的負(fù)荷包含直流負(fù)荷和交流負(fù)荷,經(jīng)過電力電子裝置變換成所需電壓。當(dāng)無電動汽車接入調(diào)制時,站內(nèi)的不平衡功率Pumb的計算式為

Punb=PPV-Pload

(1)

式中:Ppv——光伏出力;

Pload——負(fù)荷功率變化。

圖2為光儲電站內(nèi)的不平衡功率曲線。

圖2 光儲電站內(nèi)的不平衡功率

在離網(wǎng)狀態(tài)下,光儲電站內(nèi)的不平衡功率由儲能電池進(jìn)行平復(fù)。隨著電動汽車的發(fā)展,閑置的電動汽車接入電網(wǎng),可作為移動儲能裝置參與微電網(wǎng)的調(diào)制,改善站內(nèi)母線電壓質(zhì)量,同時也可以獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2 電動汽車充放電控制策略

由儲能電池來平復(fù)不平衡功率需要投入額外成本,而電動汽車電池具有較高的電荷電量,將閑置的電動汽車電池作為儲能加以利用,可以節(jié)約成本。因此,本文將閑置的純電動汽車作為研究對象,將電動汽車接入光儲電站參與調(diào)制,以提高母線的電壓質(zhì)量。

電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)是反映電動汽車充放電的一個重要參數(shù)[16],即

(2)

式中:SOC0——電動汽車接入光儲電站時的荷電狀態(tài);

QN——電動汽車電池的額定容量;

Preg——電動汽車參與調(diào)制的功率,其正值表示電動汽車對光儲電站放電,負(fù)值表示光儲電站內(nèi)多余的功率向電動汽車充電。

所搭建的電動汽車的負(fù)荷模型如圖3所示。圖3中,X0表示電動汽車接入光儲電站時的實際電池電量。

圖3 電動汽車的負(fù)荷模型

閑置的電動汽車接入光儲電站需滿足一定的條件后才能參與調(diào)制[17]。本文研究離網(wǎng)狀態(tài)下不接電動汽車與接入電動汽車后的供電電能質(zhì)量問題,故電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)制的控制目標(biāo)對象為光儲電站的母線電壓Udc。設(shè)置的參考電壓為400 V,超過波動值Ur(5 V)后進(jìn)行調(diào)制。其控制策略如圖4所示。

圖4 電動汽車參與調(diào)制的控制策略

3 仿真分析

在MATLAB/Simulink中搭建光儲電站的模型,設(shè)直流母線電壓為400 V,儲能電池的容量為3×103Ah,電動汽車的容量為15 kWh,仿真時間為24 h。為了突出電動汽車對改善光儲電站直流母線電壓質(zhì)量的作用,設(shè)置以下4種算例進(jìn)行驗證,分別為無電動汽車接入、10輛電動汽車接入、10輛電動汽車接入(光伏功率發(fā)生波動)和20輛電動汽車接入。

假設(shè)電動汽車接入時的SOC為93%,具體仿真結(jié)果如下。

3.1 算例1

無電動汽車接入時,光儲電站的母線電壓和儲能電池變化情況如圖5所示。

由圖5可以看出,僅靠儲能電池維持的母線電壓在400 V上下小范圍波動,而且光儲電站僅靠儲能電池來平復(fù)系統(tǒng)內(nèi)的不平衡功率。當(dāng)光伏發(fā)電的功率不能滿足站內(nèi)負(fù)荷所需時,儲能電池放電,儲能電池的電流大于零,SOC下降;當(dāng)光伏發(fā)電的功率大于站內(nèi)負(fù)荷所需功率時,儲能電池充電,儲能電池的電流小于零,SOC上升。

圖5 算例1的母線電壓和儲能電池變化曲線

3.2 算例2

將10輛閑置的電動汽車接入光儲電站,其母線電壓和儲能電池的變化情況如圖6所示。

圖6 算例2的母線電壓和儲能電池變化曲線

由圖6可以看出,閑置的電動汽車接入光儲電站后,改善了母線電壓的質(zhì)量;當(dāng)閑置的電動汽車接入光儲電站后,減小了儲能電池的出力,儲能電池的充放電電流曲線較圖5(b)更為平滑。

電動汽車的SOC變化和調(diào)制功率變化曲線如圖7所示。

圖7 算例2的電動汽車的SOC變化和調(diào)制功率變化曲線

由圖7可以看出,在00:00～5:00之間,電動汽車調(diào)制功率為零,SOC沒有變化。這是因為光伏無輸出,站內(nèi)負(fù)荷較少,負(fù)荷所需功率由儲能電池提供。

在5:00～15:00之間,站內(nèi)出現(xiàn)由負(fù)荷和光伏發(fā)電引起的不平衡功率,電動汽車輔助儲能電池進(jìn)行充放電,SOC在充電時上升,在放電時下降,電動汽車的調(diào)制功率在-1 500～1 500 kW之間。

在15:00～17:00之間,站內(nèi)負(fù)荷達(dá)到最大值,但光伏發(fā)電量減少,此時電動汽車進(jìn)行放電,SOC下降較快;17:00以后以儲能電池為主,電動汽車為輔,以維持站內(nèi)負(fù)荷需求。

3.3 算例3

光伏發(fā)電出現(xiàn)波動,即在12:00加入長達(dá)2 h的陰影,其波動曲線如圖8所示,而光伏發(fā)電輸出功率范圍由0～2 500 kW下降為0～2 000 kW。此時站內(nèi)接入10輛閑置的電動汽車,其母線電壓的變化情況如圖9所示。

由圖9可以看出,母線電壓仍能較好地維持在400 V。

圖8 算例3的光伏功率波動曲線

圖9 算例3的母線電壓

算例3與算例2的儲能電池SOC變化比較如圖10所示。由圖10可以看出,當(dāng)光伏輸出功率波動后,算例3的儲能電池SOC出力較算例2的要大。

圖10 算例3與算例2的儲能電池SOC變化比較

算例3的電動汽車SOC變化和調(diào)制功率變化曲線如圖11所示。由圖11可知,與算例2相比,算例3的電動汽車在設(shè)置的光伏功率波動區(qū)間,即在12:00～14:00之間開始放電,SOC下降較快,電動汽車的調(diào)制功率在12:00～14:00之間為正,以此來改善母線電壓質(zhì)量。

圖11 算例3的電動汽車SOC變化和調(diào)制功率變化曲線

3.4 算例4

接入光儲電站的閑置電動汽車數(shù)量為20輛,此時母線電壓的變化情況如圖12所示。

由圖12可以看出,母線電壓基本維持在400 V。此時的儲能電池SOC變化與算例2的相差不大,如圖13所示。

圖12 算例4的母線電壓

圖13 算例4與算例2的儲能電池SOC變化比較

但由于算例4增加了電動汽車的數(shù)量,意味著可移動的儲能容量增加,電動汽車的可調(diào)功率也會增大,如圖14所示。由圖14可以看出,電動汽車的調(diào)制功率在-1 500～2 000 kW之間,比算例2的可調(diào)功率要大。

圖14 算例4電動汽車的調(diào)制功率

4 結(jié) 論

本文基于光儲電站的微電網(wǎng)系統(tǒng),研究了離網(wǎng)情況下無電動汽車和有電動汽車接入時的電壓質(zhì)量問題。以母線電壓為控制對象,提出了閑置的電動汽車參與調(diào)制的控制策略,并設(shè)置了4個算例,通過仿真驗證了電動汽車在改善母線電壓質(zhì)量上的作用。結(jié)論如下:

(1) 光儲電站接入閑置的電動汽車時,可以較好地改善母線電壓質(zhì)量,滿足站內(nèi)負(fù)荷對高質(zhì)量的電壓需求;

(2) 當(dāng)光儲電站的可再生能源(光伏)功率發(fā)生波動時,電動汽車(可移動儲能裝置)和儲能電池出力,共同平復(fù)由波動引起的不平衡功率;

(3) 當(dāng)接入光儲電站可調(diào)控的電動汽車的數(shù)量增加時,相當(dāng)于增加了儲能的容量,即增加了電動汽車的可調(diào)功率,減少了儲能電池的出力。