趙龍， 趙興勇， 任帥， 康嘉超

(山西大學 電力工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

近年來，隨著我國經濟平穩(wěn)高速的發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重，作為可再生能源低成本規(guī)模化開發(fā)利用方式，以光伏和風電等新能源為主的分布式發(fā)電具有初期投資小、供電可靠、輸電損失小及負荷靈活等優(yōu)點，其規(guī)?；尤胗兄诖龠M能源的可持續(xù)發(fā)展，將帶來電力系統(tǒng)運行方式的巨大變革[1]作為一種新型電網，基于分布式電源的微電網可以更好地適應各種分布式電源的接入，為用戶提供高質量的電源[2-3]。微電網可以看作是一個小型電力系統(tǒng)，具有完整的電力，傳輸和分配功能，用于本地電力平衡和能源優(yōu)化[4]。

在微電網中，DG和能量存儲裝置連接在一起并直接連接到用戶側。能量存儲技術作為微電網的重要組成部分，解決了電力供需不平衡的問題[5]。特別是近年來，我國的偏遠地區(qū)和島嶼地區(qū)開展了一些典型的微電網示范項目。對微電網的容量分配和能效管理技術進行了進一步的研究[6]。而且近年來，由于新能源汽車產業(yè)在我國的極大發(fā)展，電動汽車的保有量將會是一個龐大的集群，據(jù)相關調查結果顯示，近90%的電動汽車在白天閑置，電動汽車的動力電池將是一個巨大的分布式儲能系統(tǒng)，將電動汽車作為分布式儲能單元參與平抑電網的負荷波動，有利于維持系統(tǒng)功率平衡。通過調節(jié)微電網中電動汽車充放電頻率，模擬各種分布式電源功率出力，最后通過MATLAB/Simulink仿真驗證了所提控制策略的可行性。

1 系統(tǒng)結構

圖1為含電動汽車的微電網結構圖，微電網分為四個重要部分：柴油發(fā)電機作為微電網的基礎發(fā)電機;光伏電站與風電場相結合生產可再生能源;一個V2M(vehicle-to-micro-grid)系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)的最后一部分旁邊；負載主要包含小區(qū)住宅。斷路器連接到每個微源，隨時斷開它與主網絡的連接，防止故障范圍擴大。當計劃外負荷波動如負載上升導致電網頻率不穩(wěn)定時，發(fā)電響應不夠快，無法為負載提供所需的功率。負載變化使頻率變化時，頻率調節(jié)不能將頻率保持在正常工作頻帶之間。在事件結束時，負載穩(wěn)定但頻率難以維持到正常值，此時需要電動汽車為負載變化提供快速響應，進行頻率二次調節(jié)，與微電網中各分布式電源互動。由于微電網可能發(fā)生高水平的負荷波動，而電網中現(xiàn)有的常規(guī)能源無法抵消隨后的頻率偏差，在電網有需要時，可將電動汽車作為臨時的電源參與到微電網的頻率調節(jié)，共同維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 分布式電源與電動汽車控制建模

2.1 柴油發(fā)電機組頻率控制模型

柴油發(fā)電機是一種小型發(fā)電設備，當電網發(fā)生功率波動時，通過在短時間內調節(jié)閥門位置來調節(jié)燃油量，進而滿足電力需求。在含電動汽車的微電網系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機作為主要電源為負載供電。本系統(tǒng)柴油發(fā)電機組可在微電網故障時作為應急電源[7]，用于電網支持和電網輸出。圖2為柴油發(fā)電機的傳遞函數(shù)模型。

圖2中：Δf為微電網系統(tǒng)的頻率偏差；ΔUDG為控制輸入；ΔXG為調速器閥門位置增量；Tg為調速器時間常數(shù)；Td為發(fā)電機時間常數(shù)；R為DG系統(tǒng)的速度調節(jié)系數(shù)；ΔPDG為發(fā)電機機械功率輸出；±ΔδDG、±ΔμDG分別為發(fā)電機機械功率輸出偏差變化率約束和機械功率輸出偏差約束。在實際系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機平衡消耗的功率和產生的功率。

2.2 風力發(fā)電簡化控制模型

圖3為風力發(fā)電場簡化控制模型。

風電場的簡化模型控制是根據(jù)與風的線性關系產生電力，由于風力機輸出的機械功率Pw主要是由風速的變化決定的，為了確保風扇的穩(wěn)定運行，它不得超過可接受的范圍，對于不同的風速條件，需要對設備進行控制和保護，其分段函數(shù)如下:

(1)

式中：vin為切入風速；v為額定風速；Cp為風能利用系數(shù)；vout為最大風值；Prate為額定功率；ρ為空氣密度。

當風速vw低于機組切入風速vin，風電機組不工作；當風速在切入風速vin和額定風速vrate之間時，輸出功率值由控制需求決定，槳距角為0時達到最大，代表空氣密度；當風力達到額定值時，風電場產生額定功率；當風速超過最大風值vout時，風電場從電網跳閘，直到風速回到其標稱值。

2.3 電動汽車頻率控制模型

考慮在微電網中引入V2G技術，更確切的來說應該是V2M模式，即電動汽車通過電力電子裝置與微電網進行能量交換，其具有兩個功能：控制與其連接的電池的充電，并在白天有需要時使用可用功率來調節(jié)電網，降低儲能成本。利用電動汽車(EV)動力電池來平抑可再生能源發(fā)電的功率波動，提升可再生能源消納、改善用戶經濟效益和減少網損。文獻[9]列舉了電動汽車電池的充放電特性。根據(jù)普通家庭日常情況，電動汽車用戶常出現(xiàn)五種情景，所示如下：

(1)日常上班的人群在工作的時候給電動汽車充電。仿真設置這種情況的電動汽車為35輛。

(2)在上班的人有可能在單位給電動汽車充電但離家比較遠，下班后回家行駛時間較長，假設處于此狀態(tài)的電動汽車數(shù)量為25輛。

(3)上班的人無法在工作時為其電動汽車充電，處于此種狀態(tài)的電動汽車數(shù)量為10輛。

(4)長期住在家里的人，其電動汽車充電頻率不是特別頻繁，可以用來平衡微電網負載、削減峰值負載，甚至產生社會收益，其電動汽車數(shù)量為20輛。

(5)上夜班的人，一般電動汽車在白天峰谷期進行充電，數(shù)量為10輛。

為實現(xiàn)上述所提的5種情景，保證微電網系統(tǒng)內功率平衡，提出一種電動汽車充放電控制策略，其充放電基本模型如圖4所示。

電動汽車初始荷電狀態(tài)和插入狀態(tài)可以表示出當前電動汽車的工作狀態(tài)，電動汽車初始荷電狀態(tài)設為SOC1,則其接入電網中的實時荷電狀態(tài)SOC。

(2)

Q1=SOC1×QN

(3)

式中：Pk為電動汽車充電功率；QN為電動汽車動力電池額定容量；Q1為電動汽車電池的初始容量。

3 仿真分析

結合電動汽車的充放電特性，將其作為分布式儲能單元，針對正常家庭消費的典型模式，其中微電網的大小近似代表有一千個家庭的社區(qū)?；拘吞栔杏?00輛電動汽車，電動汽車和家庭之間的比例為1∶10，在可預見的未來，這是一種可能的情況。仿真模型所設定的光伏裝機容量為8 MW,光伏電站模塊面積設為8萬平方米，電池板的效率為10%，太陽強度基本遵循正態(tài)分布，其中在中午達到最高強度。風電場裝機總容量為4.5 MW，模擬模型中的最大風速為15 m/s,額定風速設為13.5 m/s。根據(jù)第1節(jié)的系統(tǒng)模型，在仿真軟件MATLAB/Simulink中搭建如圖1所示的含有電動汽車的微電網系統(tǒng)，對上節(jié)所提的微電網中各部分控制模型和電動汽車控制策略進行仿真驗證。微電網中各部分容量參數(shù)設置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設置 MW

圖5(a)是微電網中光伏有功功率曲線，由仿真結果可以看出光伏板在早上6點鐘基本開始工作，到中午1點鐘，光照輻射達到最強，功率最大?？紤]到云層遮擋的影響，功率出現(xiàn)稍微的波動，屬于正常情況，但持續(xù)時間較短，對系統(tǒng)影響不大。圖5(b)是風力發(fā)電有功功率出力曲線，從波形圖可以看出一天內由于風速的不穩(wěn)定，其有功功率輸出也不是特別穩(wěn)定，在晚上十點鐘，風速超過風機所能承受的額定風速，為保護葉片，風電場從微電網中跳閘，功率變?yōu)? ，為保障微電網整體安全穩(wěn)定運行，此時需由柴油發(fā)電機補充功率。圖5(c)是柴油發(fā)電機的有功功率隨時間變化的曲線,從圖5(c)微電網系統(tǒng)發(fā)電總功率曲線可以看出柴油發(fā)電機基本承擔了微電網中由于分布式電源的不穩(wěn)定型與間歇性所帶來的功率波動，使整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

圖6是電動汽車在一天中的充電功率狀態(tài)曲線，可以看出其基本上和2.3小節(jié)中所列舉的電動汽車用戶的5種情景相對應，仿真結果中電動汽車出現(xiàn)負的充電功率狀態(tài)表示電動汽車在路上并沒有接入微電網中。

圖7(a)和圖7(b)分別表示微電網總的負荷消耗曲線和微

電網中電源發(fā)電總有功功率曲線,從仿真結果來看，系統(tǒng)消耗的功率與總發(fā)電功率基本保持一致，微電網足夠穩(wěn)定。

4 結束語

通過建立一種基于電動汽車充放電特性的交直流微電網系統(tǒng)，研究了微電網中各個模塊的頻率控制模型，制定了相應的控制策略。最后通過MATLAB/Simulink對系統(tǒng)進行仿真分析，得到以下結論：

(1)不同情景下，微電網內各個模塊能夠根據(jù)控制要求作出相應的響應，柴油發(fā)電機能夠在系統(tǒng)發(fā)生功率波動時及時調整功率出力，維持系功率平衡，改善微網內供電可靠性。

(2)電動汽車荷電狀態(tài)高于95%時，可以參與微電網功率調節(jié)，平衡微電網負載、削減峰值負載，提高系統(tǒng)經濟性。