項目背景

需求響應(yīng)是電力需求側(cè)管理在電力市場中的最新發(fā)展。根據(jù)美國能源部的研究報告，按照需求(終端用戶)的市場參與行為，電力需求響應(yīng)項目可以分為以實時電價、峰谷電價等為引導(dǎo)的基于價格和根據(jù)系統(tǒng)需要或電力緊張時減少電力需求以此獲得直接補償或其他時段的優(yōu)惠電價的基于激勵兩類。目前針對需求響應(yīng)的研究主要以激勵用戶參與電網(wǎng)調(diào)峰和引導(dǎo)用戶科學(xué)、合理用電為目的。傳統(tǒng)的需求響應(yīng)為不影響普通用戶的正常使用，在協(xié)議中都會對控制的響應(yīng)次數(shù)、頻率、總時間等予以限制。因此往往只能在分鐘/小時級別的調(diào)峰控制中發(fā)揮作用，而對秒級的頻率控制則無能為力。隨著電動汽車等大規(guī)模儲能可控負荷的出現(xiàn)，該類負荷參與響應(yīng)的控制次數(shù)、頻率、總時間等方面的限制將變得寬松，將可以滿足參與響應(yīng)頻率控制的需要。因此，提出可將需求響應(yīng)的定義延伸至根據(jù)系統(tǒng)需要或間歇性電源沖擊時用戶參與頻率控制以此獲得直接補償或其他時段的優(yōu)惠電價。從而，將調(diào)峰和調(diào)頻控制均納入需求響應(yīng)的范疇。

目前對可控負荷的研究均以用戶可控負荷為主，而且一般以大電網(wǎng)理想條件作為背景，同時認為有足夠的可控負荷參與電網(wǎng)的運行控制，為此，微電網(wǎng)需要在需求響應(yīng)中有可控空間更高的負荷出現(xiàn)，對這類負荷，電網(wǎng)擁有完全自主的調(diào)控權(quán)。同時對電動汽車參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)需要有更加經(jīng)濟的運行控制策略以克服蓄電池造價過高的缺點，提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟性。

現(xiàn)實可行性分析

傳統(tǒng)的需求響應(yīng)技術(shù)主要針對具體的管理對象、生活習(xí)慣和生產(chǎn)工藝的特點，以節(jié)能技術(shù)為主實現(xiàn)避開電力需求高峰的功能。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需求響應(yīng)有了新的意義，包括自動需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)、智能有序用電等，使得需求側(cè)可控負荷可以迅速參與電網(wǎng)運行控制，為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了技術(shù)可能。

面向用戶的這一新技術(shù)依然存在諸多不足之處，為此，提出將需求響應(yīng)按負荷所有權(quán)分為用戶需求響應(yīng)和電網(wǎng)需求響應(yīng)，用戶需求響應(yīng)即為傳統(tǒng)意義的需求響應(yīng)，對應(yīng)用戶參與調(diào)節(jié)的可控負荷，該負荷由用戶和電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制稱為普通可控負荷。而電網(wǎng)需求響應(yīng)則是對應(yīng)由電網(wǎng)運營公司直接運營管理的可控負荷，該負荷具有高度的可控空間，電網(wǎng)運行部門對其擁有完全自主的控制權(quán)，屬于高度可控負荷。電動汽車充電站則為電網(wǎng)需求響應(yīng)提供了現(xiàn)實可行的運營對象，電網(wǎng)企業(yè)作為電能的批發(fā)和零售單位，同時銷售通過蓄電池等儲能介質(zhì)儲存好的電能亦與其業(yè)務(wù)保持了一致性。當(dāng)由電網(wǎng)公司統(tǒng)一運營時，經(jīng)濟補償亦可以用運營業(yè)績補償來代替。同時，電動汽車充電站不僅可以為電網(wǎng)企業(yè)維持微網(wǎng)穩(wěn)定提供良好的支撐，而且有利于電動汽車充電設(shè)備產(chǎn)生諧波的集中治理，電動汽車作為用戶需求響應(yīng)的普通可控對象雖然具有一定的調(diào)節(jié)能力，但用戶的用車習(xí)慣依然具有一定的隨機性，大規(guī)模電動汽車隨機性接入、退出調(diào)節(jié)都將給電網(wǎng)帶來一定的沖擊。電動汽車充電站受電網(wǎng)內(nèi)部運行網(wǎng)絡(luò)控制，不像作為用戶需求響應(yīng)的電動汽車那樣存在針對用戶的外部網(wǎng)絡(luò)接口，其網(wǎng)絡(luò)安全性大大提高。這些優(yōu)勢都為電動汽車充電站作為電網(wǎng)需求響應(yīng)的高度可控負荷出現(xiàn)提供了現(xiàn)實可能。

電動汽車作為分布式電源，其服務(wù)對象為電網(wǎng)公司，在此過程中，將根據(jù)電網(wǎng)運行情況對電池進行不斷的充放電，其消耗的電動汽車電池壽命將由電網(wǎng)公司承擔(dān)。美國特立華大學(xué)Kempton教授在2007年對提出的V2G模型將一輛ACPropulsionEbox(豐田Scion改裝車)作為分布式電源接入電網(wǎng)，經(jīng)測算每車每年可以為電網(wǎng)帶來大約4000$的效益。但該效益中并未包括電網(wǎng)對消耗電動汽車電池所負擔(dān)的代價?？紤]到目前電動汽車高昂的造價，儲能裝置作為分布式電源接入電網(wǎng)的性價比依然不樂觀。目前，仍需研究技術(shù)可靠、成本低廉的滿足V2G商業(yè)化運行的設(shè)備。而電動汽車充電站作為高度可控負荷，其服務(wù)對象為用戶，將由其對應(yīng)的商業(yè)需求為電池造價買單。作為負荷則只需在充電單一模式下運營，將負荷來等效為電源的負作用，降低了運行控制的難度。而且電池在充放電狀態(tài)之間過于頻繁的切換將嚴重影響電池的壽命。因此，將電動汽車作為可控負荷參與電網(wǎng)的頻率控制將更具經(jīng)濟實用性。

技術(shù)手段模型

傳統(tǒng)的電動汽車控制方法是通過控制正弦脈寬調(diào)制器(SPWM)來控制充電電流，進而對充電功率進行控制，SPWM實際上就是一個交直流可控的四象限變流器。但這種方式將強制電動汽車的充電電流隨電網(wǎng)運行情況而變化。這對于充電電池的壽命和充電能耗都是不利的。

如圖1所示，IB為充電電流。大量的實驗證明，在整個充電過程中，若能使實際充電電流始終等于或接近蓄電池可接受的最佳充電電流，則可大大縮短充電時間，并且蓄電池內(nèi)部的副反應(yīng)可以控制在很低的范圍內(nèi)。因此，通過控制接入電網(wǎng)的充電電池的規(guī)模比控制電池充電電流來控制電動汽車充電站的吸收功率更具有經(jīng)濟性，更符合其商業(yè)運營的特點。

對電動汽車充電站采用負荷Droop控制。Droop控制是模擬發(fā)電機組工頻特性的一種方法，其對應(yīng)負荷控制的原理圖如圖2所示。

Droop控制可根據(jù)相應(yīng)的Droop特性系數(shù)自動分配各電動汽車充電的有功吸收?？刂葡到y(tǒng)不需要過多的通信支持，電動汽車充電站參與頻率調(diào)節(jié)最大的特點就是其不需要克服電機的旋轉(zhuǎn)慣性，可以快速響應(yīng)電網(wǎng)的波動，迅速將微電網(wǎng)較大的頻率波動控制在比較低的范圍內(nèi)，然后由微網(wǎng)的調(diào)頻機完成二次調(diào)頻任務(wù)。同時為防止電動汽車在基準運行點附近頻繁的投退，應(yīng)設(shè)置一個死區(qū)，即電動汽車充電站不響應(yīng)微網(wǎng)的微小頻率波動。這樣，該控制策略能對延長蓄電池壽命起到積極的作用。

該系統(tǒng)詳細的控制流程圖如圖3所示。該系統(tǒng)采用數(shù)字離散控制，首先由數(shù)字電壓表采集到離散的母線電壓信號Vabc，然后由0階保持器對采集信號進行保持，由離散三相鎖相環(huán)提取出系統(tǒng)的頻率信號f，將系統(tǒng)頻率和參考頻率fref對比得到頻率偏差Δf，由設(shè)置的死區(qū)環(huán)節(jié)對頻率偏差進行判斷微網(wǎng)擾動是否屬于微小擾動，如果不是則將信號傳遞給Droop控制器處理，由Droop控制器的Droop特性控制電動汽車充電站電池的負荷容量。將該負荷容量作為功率參考信號Pref輸入系統(tǒng)的CPU處理器，由CPU處理器根據(jù)各電池的狀態(tài)參數(shù)(包括電池荷電狀態(tài)SOC、電池衰老系數(shù)、電池順序編號、環(huán)境溫度等)計算出一組二進制開關(guān)控制信號，通過開關(guān)信號的高低電平來控制執(zhí)行機構(gòu)對充電電池進行投切。CPU邏輯控制如圖4所示。對已經(jīng)投入運行的蓄電池，采用“恒流—限壓—浮充”三階段充電控制策略，該控制策略可以比較理想地接近蓄電池可接受的最佳充電電流曲線。同時考慮到電池的非線性特性，在不同階段的充電狀態(tài)下其吸收功率不一樣，將系統(tǒng)的輸出功率作為內(nèi)環(huán)反饋信號反饋給CPU進行功率差值控制。同時，電動汽車充電站的分布式電源特性依然不容忽視，其可以在微電網(wǎng)出現(xiàn)較大故障時，提供備用電源支撐。關(guān)于這些內(nèi)容的研究已相當(dāng)多，本文不作分析。對由于頻率回落退出充電的蓄電池，則用浮充方式以平衡電池自放電，待前面電池完成充電后繼續(xù)充電。

圖3 電動汽車充電站電池規(guī)模Droop離散控制圖

圖4 CPU處理器邏輯控制圖

仿真驗證

在Matlab/Simulink平臺搭建的簡化微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。為簡化分析，文中只采用了風(fēng)力發(fā)電機作為間歇性波動功率的輸出電源。對小型水電機組、燃氣輪機機組等可控電源等效用同步發(fā)電機代替。在微網(wǎng)孤島運行時，開關(guān)K4斷開。風(fēng)力發(fā)電機組容量為300kW，小水電、燃氣輪機機組容量為600kW，間歇性電源的穿透率為33.3%，符合未來微網(wǎng)間歇性可再生電源高穿透率的趨勢。微網(wǎng)中負荷總?cè)萘繛?00kW，電動汽車充電站的初始運行功率為50kW，單臺電池在恒電流充電初期功率為1kW。用一個階躍信號模擬沖擊最大的陣風(fēng)輸入。在1s時風(fēng)速由10m/s階躍為11m/s。仿真結(jié)果如圖6~圖8所示。

如仿真結(jié)果所示，在1s時風(fēng)力發(fā)電機組有功輸出迅速增加時，電動汽車充電站能快速響應(yīng)系統(tǒng)的變化。在不采用電動汽車充電站參與調(diào)解的情況下，對電動汽車充電站的初始功率，用一個50kW的恒定負荷代替。在0.1s時風(fēng)速由10m/s階躍為10.3m/s。系統(tǒng)在僅依靠可控同步發(fā)電機組的調(diào)節(jié)時頻率變化如圖9所示。

電動汽車充電站不參與調(diào)節(jié)時，在間歇性電源沖擊更小的情況小，其調(diào)整時間和最大超調(diào)量卻明顯大于電動汽車參與調(diào)節(jié)時在更大沖擊時的情況。仿真結(jié)果驗證了電網(wǎng)需求側(cè)高度可控負荷出色的調(diào)頻性能。

如圖11所示，L1為微網(wǎng)正常并網(wǎng)時的曲線，在a點運行。L2為微網(wǎng)轉(zhuǎn)向孤島運行時的曲線。L3為電動汽車充電站參與響應(yīng)下的曲線。由圖可得，在電動汽車充電站參與響應(yīng)后加速面積減小，減速面積增大。通過迅速減小功率差的作用使系統(tǒng)具有更大的暫態(tài)擾動極限。在K4斷開后，采用電動汽車充電站參與響應(yīng)和不參與響應(yīng)的同步發(fā)電機功角時間曲線仿真結(jié)果分別如圖12、圖13所示(當(dāng)δ/rad>3.15后認為系統(tǒng)已經(jīng)失去同步，仿真立即結(jié)束)。

仿真結(jié)果顯示，在電動汽車充電站參與系統(tǒng)響應(yīng)時，系統(tǒng)能保持暫態(tài)穩(wěn)定，而不參與時系統(tǒng)在擾動下失去穩(wěn)定。驗證了該控制策略在面對大擾動下表現(xiàn)出的良好的穩(wěn)定性。

總結(jié)

電動汽車充電站在時間上的負荷特性以及其在運營上與電網(wǎng)的巨大關(guān)聯(lián)，其參與電網(wǎng)需求響應(yīng)的約束將變得寬松，使需求響應(yīng)得以能對秒級以下的頻率控制發(fā)揮作用，從而將頻率控制納入需求響應(yīng)的范疇。對此，提出了對需求響應(yīng)定義的新延伸，并在分類上提出了電網(wǎng)需求響應(yīng)的概念。

針對傳統(tǒng)用戶需求響應(yīng)在應(yīng)對微網(wǎng)波動時的不足，利用電動汽車充電站在時間上的靈活性和高度可控性，提出了基于Droop控制的電動汽車充電站電池接入規(guī)?？刂撇呗?。通過仿真顯示，該方法可以通過控制電動汽車消耗有功的方式平抑微網(wǎng)的分布式電源波動以及微網(wǎng)運行狀態(tài)切換過程中的大擾動?？梢杂行Э刂莆⒕W(wǎng)頻率維持在安全范圍內(nèi)，提高微網(wǎng)的抗擾動能力使微網(wǎng)表現(xiàn)出更加出色的穩(wěn)定性。

限于篇幅有限，文中只研究了電網(wǎng)需求響應(yīng)的技術(shù)手段。與此配套的經(jīng)濟引導(dǎo)手段和行政手段還有待共同完善。