趙龍， 趙興勇， 任帥， 康嘉超

(山西大學(xué) 電力工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)高速的發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，作為可再生能源低成本規(guī)?；_發(fā)利用方式，以光伏和風(fēng)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(fù)荷靈活等優(yōu)點(diǎn)，其規(guī)?；尤胗兄诖龠M(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展，將帶來(lái)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的巨大變革[1]作為一種新型電網(wǎng)，基于分布式電源的微電網(wǎng)可以更好地適應(yīng)各種分布式電源的接入，為用戶提供高質(zhì)量的電源[2-3]。微電網(wǎng)可以看作是一個(gè)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(wǎng)中，DG和能量存儲(chǔ)裝置連接在一起并直接連接到用戶側(cè)。能量存儲(chǔ)技術(shù)作為微電網(wǎng)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(lái)，我國(guó)的偏遠(yuǎn)地區(qū)和島嶼地區(qū)開展了一些典型的微電網(wǎng)示范項(xiàng)目。對(duì)微電網(wǎng)的容量分配和能效管理技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究[6]。而且近年來(lái)，由于新能源汽車產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的極大發(fā)展，電動(dòng)汽車的保有量將會(huì)是一個(gè)龐大的集群，據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，近90%的電動(dòng)汽車在白天閑置，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池將是一個(gè)巨大的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，將電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能單元參與平抑電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)，有利于維持系統(tǒng)功率平衡。通過調(diào)節(jié)微電網(wǎng)中電動(dòng)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(yàn)證了所提控制策略的可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為含電動(dòng)汽車的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，微電網(wǎng)分為四個(gè)重要部分：柴油發(fā)電機(jī)作為微電網(wǎng)的基礎(chǔ)發(fā)電機(jī);光伏電站與風(fēng)電場(chǎng)相結(jié)合生產(chǎn)可再生能源;一個(gè)V2M(vehicle-to-micro-grid)系統(tǒng)安裝在系統(tǒng)的最后一部分旁邊；負(fù)載主要包含小區(qū)住宅。斷路器連接到每個(gè)微源，隨時(shí)斷開它與主網(wǎng)絡(luò)的連接，防止故障范圍擴(kuò)大。當(dāng)計(jì)劃外負(fù)荷波動(dòng)如負(fù)載上升導(dǎo)致電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定時(shí)，發(fā)電響應(yīng)不夠快，無(wú)法為負(fù)載提供所需的功率。負(fù)載變化使頻率變化時(shí)，頻率調(diào)節(jié)不能將頻率保持在正常工作頻帶之間。在事件結(jié)束時(shí)，負(fù)載穩(wěn)定但頻率難以維持到正常值，此時(shí)需要電動(dòng)汽車為負(fù)載變化提供快速響應(yīng)，進(jìn)行頻率二次調(diào)節(jié)，與微電網(wǎng)中各分布式電源互動(dòng)。由于微電網(wǎng)可能發(fā)生高水平的負(fù)荷波動(dòng)，而電網(wǎng)中現(xiàn)有的常規(guī)能源無(wú)法抵消隨后的頻率偏差，在電網(wǎng)有需要時(shí)，可將電動(dòng)汽車作為臨時(shí)的電源參與到微電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)，共同維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 分布式電源與電動(dòng)汽車控制建模

2.1 柴油發(fā)電機(jī)組頻率控制模型

柴油發(fā)電機(jī)是一種小型發(fā)電設(shè)備，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)，通過在短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)閥門位置來(lái)調(diào)節(jié)燃油量，進(jìn)而滿足電力需求。在含電動(dòng)汽車的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機(jī)作為主要電源為負(fù)載供電。本系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組可在微電網(wǎng)故障時(shí)作為應(yīng)急電源[7]，用于電網(wǎng)支持和電網(wǎng)輸出。圖2為柴油發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)模型。

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

2.2 風(fēng)力發(fā)電簡(jiǎn)化控制模型

圖3為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)簡(jiǎn)化控制模型。

風(fēng)電場(chǎng)的簡(jiǎn)化模型控制是根據(jù)與風(fēng)的線性關(guān)系產(chǎn)生電力，由于風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率Pw主要是由風(fēng)速的變化決定的，為了確保風(fēng)扇的穩(wěn)定運(yùn)行，它不得超過可接受的范圍，對(duì)于不同的風(fēng)速條件，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和保護(hù)，其分段函數(shù)如下:

(1)

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

當(dāng)風(fēng)速vw低于機(jī)組切入風(fēng)速vin，風(fēng)電機(jī)組不工作；當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速vin和額定風(fēng)速vrate之間時(shí)，輸出功率值由控制需求決定，槳距角為0時(shí)達(dá)到最大，代表空氣密度；當(dāng)風(fēng)力達(dá)到額定值時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生額定功率；當(dāng)風(fēng)速超過最大風(fēng)值vout時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)從電網(wǎng)跳閘，直到風(fēng)速回到其標(biāo)稱值。

2.3 電動(dòng)汽車頻率控制模型

考慮在微電網(wǎng)中引入V2G技術(shù)，更確切的來(lái)說應(yīng)該是V2M模式，即電動(dòng)汽車通過電力電子裝置與微電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，其具有兩個(gè)功能：控制與其連接的電池的充電，并在白天有需要時(shí)使用可用功率來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)，降低儲(chǔ)能成本。利用電動(dòng)汽車(EV)動(dòng)力電池來(lái)平抑可再生能源發(fā)電的功率波動(dòng)，提升可再生能源消納、改善用戶經(jīng)濟(jì)效益和減少網(wǎng)損。文獻(xiàn)[9]列舉了電動(dòng)汽車電池的充放電特性。根據(jù)普通家庭日常情況，電動(dòng)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(shí)候給電動(dòng)汽車充電。仿真設(shè)置這種情況的電動(dòng)汽車為35輛。

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

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

(4)長(zhǎng)期住在家里的人，其電動(dòng)汽車充電頻率不是特別頻繁，可以用來(lái)平衡微電網(wǎng)負(fù)載、削減峰值負(fù)載，甚至產(chǎn)生社會(huì)收益，其電動(dòng)汽車數(shù)量為20輛。

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

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

電動(dòng)汽車初始荷電狀態(tài)和插入狀態(tài)可以表示出當(dāng)前電動(dòng)汽車的工作狀態(tài)，電動(dòng)汽車初始荷電狀態(tài)設(shè)為SOC1,則其接入電網(wǎng)中的實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)SOC。

(2)

Q1=SOC1×QN

(3)

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

3 仿真分析

結(jié)合電動(dòng)汽車的充放電特性，將其作為分布式儲(chǔ)能單元，針對(duì)正常家庭消費(fèi)的典型模式，其中微電網(wǎng)的大小近似代表有一千個(gè)家庭的社區(qū)?；拘吞?hào)中有100輛電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車和家庭之間的比例為1∶10，在可預(yù)見的未來(lái)，這是一種可能的情況。仿真模型所設(shè)定的光伏裝機(jī)容量為8 MW,光伏電站模塊面積設(shè)為8萬(wàn)平方米，電池板的效率為10%，太陽(yáng)強(qiáng)度基本遵循正態(tài)分布，其中在中午達(dá)到最高強(qiáng)度。風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)總?cè)萘繛?.5 MW，模擬模型中的最大風(fēng)速為15 m/s,額定風(fēng)速設(shè)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(dòng)汽車的微電網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)上節(jié)所提的微電網(wǎng)中各部分控制模型和電動(dòng)汽車控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。微電網(wǎng)中各部分容量參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置 MW

圖5(a)是微電網(wǎng)中光伏有功功率曲線，由仿真結(jié)果可以看出光伏板在早上6點(diǎn)鐘基本開始工作，到中午1點(diǎn)鐘，光照輻射達(dá)到最強(qiáng)，功率最大。考慮到云層遮擋的影響，功率出現(xiàn)稍微的波動(dòng)，屬于正常情況，但持續(xù)時(shí)間較短，對(duì)系統(tǒng)影響不大。圖5(b)是風(fēng)力發(fā)電有功功率出力曲線，從波形圖可以看出一天內(nèi)由于風(fēng)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(diǎn)鐘，風(fēng)速超過風(fēng)機(jī)所能承受的額定風(fēng)速，為保護(hù)葉片，風(fēng)電場(chǎng)從微電網(wǎng)中跳閘，功率變?yōu)? ，為保障微電網(wǎng)整體安全穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)需由柴油發(fā)電機(jī)補(bǔ)充功率。圖5(c)是柴油發(fā)電機(jī)的有功功率隨時(shí)間變化的曲線,從圖5(c)微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電總功率曲線可以看出柴油發(fā)電機(jī)基本承擔(dān)了微電網(wǎng)中由于分布式電源的不穩(wěn)定型與間歇性所帶來(lái)的功率波動(dòng)，使整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6是電動(dòng)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(dòng)汽車用戶的5種情景相對(duì)應(yīng)，仿真結(jié)果中電動(dòng)汽車出現(xiàn)負(fù)的充電功率狀態(tài)表示電動(dòng)汽車在路上并沒有接入微電網(wǎng)中。

圖7(a)和圖7(b)分別表示微電網(wǎng)總的負(fù)荷消耗曲線和微

電網(wǎng)中電源發(fā)電總有功功率曲線,從仿真結(jié)果來(lái)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(wǎng)足夠穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過建立一種基于電動(dòng)汽車充放電特性的交直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，研究了微電網(wǎng)中各個(gè)模塊的頻率控制模型，制定了相應(yīng)的控制策略。最后通過MATLAB/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

(1)不同情景下，微電網(wǎng)內(nèi)各個(gè)模塊能夠根據(jù)控制要求作出相應(yīng)的響應(yīng)，柴油發(fā)電機(jī)能夠在系統(tǒng)發(fā)生功率波動(dòng)時(shí)及時(shí)調(diào)整功率出力，維持系功率平衡，改善微網(wǎng)內(nèi)供電可靠性。

(2)電動(dòng)汽車荷電狀態(tài)高于95%時(shí)，可以參與微電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)，平衡微電網(wǎng)負(fù)載、削減峰值負(fù)載，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。