王 鑫，施偉鋒

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電動汽車參與孤島微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻仿真與研究

王 鑫，施偉鋒

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

隨著微網(wǎng)系統(tǒng)的不斷研究與發(fā)展，電動汽車作為一種可控負(fù)荷，逐步參與到微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)度中?；诖?，首先，建立一個包含有柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島微網(wǎng)仿真模型，然后將電動汽車接入微網(wǎng)系統(tǒng)，并制定一種電動汽車作為分布式電源參與調(diào)頻的控制策略，最后，在仿真模型的基礎(chǔ)上加入一系列的干擾進(jìn)行驗證。仿真結(jié)果表明：V2G技術(shù)的應(yīng)用提高了微網(wǎng)系統(tǒng)對于頻率波動的調(diào)節(jié)能力。

微網(wǎng)系統(tǒng) 分布式電源 V2G 頻率波動

0 引言

微網(wǎng)是由一些分布式電源和負(fù)荷所構(gòu)成的系統(tǒng)，相比于大電網(wǎng)更容易管理與調(diào)控。微網(wǎng)被認(rèn)為是提高分布式電源利用效率的有效方式[1]?？紤]到電動汽車具有儲能特性，對一定數(shù)量接入微網(wǎng)的電動汽車進(jìn)行合理規(guī)劃和調(diào)度即電動汽車入網(wǎng)技術(shù)(vehicle-to-grid,V2G)，可以減少儲能設(shè)備投入量，提高微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[2]。

文獻(xiàn)[3]對微網(wǎng)的優(yōu)化配置進(jìn)行了研究，但是沒有考慮電動汽車的介入。文獻(xiàn)[4]提出包含風(fēng)力發(fā)電廠與電動汽車的兩區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)頻率控制動態(tài)模型。有的文獻(xiàn)搭建了V2G系統(tǒng)的模型，在此基礎(chǔ)上研究了電動汽車參與調(diào)峰服務(wù)的問題。有的文獻(xiàn)分析了電動汽車充放電控制策略總體思路。

在此背景下，本文對含有電動汽車的孤島微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并模擬分布式電源可能出現(xiàn)的幾種擾動，然后制定電動汽車參與孤島微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻的控制策略，最后使用MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行有效性驗證。

1 孤島微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的微網(wǎng)系統(tǒng)是不參與并網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行的交流孤島微網(wǎng)系統(tǒng)。從孤島微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用樹狀結(jié)構(gòu)，主要組成單元有柴油機(jī)發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元以及居民負(fù)荷單元和電動汽車負(fù)荷單元，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。柴油機(jī)發(fā)電單元用于平衡系統(tǒng)發(fā)出和消耗的電能；風(fēng)力發(fā)電單元和光伏發(fā)電單元利用清潔的能源為系統(tǒng)提供電能；居民負(fù)荷單元為居民日常工作生活所消耗的電能；電動汽車負(fù)荷單元既可以作為負(fù)荷消耗電能，又可以作為分布式電源為系統(tǒng)提供電能。

圖1 獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電動汽車參與孤島微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻概述

電動汽車之于微網(wǎng)系統(tǒng)既可以看成是負(fù)載單元，又可以看成是分布式儲能單元。因為一定數(shù)量的電動汽車接入電網(wǎng)，其蓄電池的容量總和相當(dāng)可觀。當(dāng)電動汽車充電時，蓄電池將從微網(wǎng)獲取能量；當(dāng)電動汽車無需充電時，蓄電池可以暫時將部分電能反饋給微網(wǎng)。V2G的概念也由此而產(chǎn)生。V2G具有雙向調(diào)節(jié)和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。通過合理的引導(dǎo)和控制，電動汽車可以作為頻率調(diào)節(jié)單元為微網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)。相比于傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速，電動汽車參與調(diào)頻的調(diào)速度快、調(diào)節(jié)精度高，具有較明顯的優(yōu)越性。

電動汽車參與微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻是通過控制變流器模擬發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻，根據(jù)微網(wǎng)的頻率偏差響應(yīng)負(fù)荷的變化實現(xiàn)的。當(dāng)微網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源輸出功率突然降低或輸出為零導(dǎo)致系統(tǒng)頻率降低時，電動汽車可作為一種分布式電源為微網(wǎng)提供減少的電能從而減小頻率波動。

3 系統(tǒng)建模

3.1柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)用于平衡分布式電源發(fā)出和負(fù)載消耗的電能。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，同步發(fā)電機(jī)組利用本身的頻率/有功下垂特性自啟動調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行頻率的一次調(diào)節(jié)，以保證正常運(yùn)行時微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的控制框圖如圖2所示，首先，利用傳感器測量同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和端電壓，將轉(zhuǎn)速信號傳入到原動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)以控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，再將端電壓信號輸入到勵磁調(diào)壓模塊，控制同步電機(jī)的勵磁電壓，最終實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速和端電壓的雙閉環(huán)反饋控制。本文不考慮分布式電源總出力小于總負(fù)荷需求的情況。

圖2 柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組控制框圖

3.2新能源發(fā)電系統(tǒng)

新能源發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。

風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)能帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由增速機(jī)提升轉(zhuǎn)速，從而牽引發(fā)電機(jī)發(fā)電，以達(dá)到將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的目的。當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時，風(fēng)車葉片不轉(zhuǎn)動；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時，風(fēng)車葉片開始轉(zhuǎn)動，牽引發(fā)電機(jī)發(fā)電，風(fēng)速越大，發(fā)出功率越大；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時，風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率保持恒定；當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時，為了保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)的輸出功率為零。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實時輸出功率和風(fēng)速之間呈近似線性關(guān)系，其系統(tǒng)模型如圖3所示。此模型首先輸入一天風(fēng)速曲線，然后通過風(fēng)速控制器對風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，最后經(jīng)過相應(yīng)變換將風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換成三相電并入到微網(wǎng)。

圖3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電的原理是應(yīng)用光生伏特效應(yīng)將可再生的清潔太陽能轉(zhuǎn)換為電能。為了方便研究，簡化光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型，不考慮溫度的因素，近似認(rèn)為太陽能光伏板的輸出功率和光照強(qiáng)度，照射面積和效率呈線性關(guān)系，其系統(tǒng)模型如圖4所示。此模型是首先輸入一天光照曲線，然后通過光伏發(fā)電板將光照轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電能，最后通過相應(yīng)變換將電能轉(zhuǎn)換成三相電并入到微網(wǎng)。

圖4光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

3.3居民負(fù)荷系統(tǒng)

居民負(fù)荷包括住宅負(fù)荷以及感性負(fù)荷（例如：通風(fēng)系統(tǒng)）。感性負(fù)荷的特性可由異步電機(jī)表征，其模型如圖5所示。

圖5居民負(fù)荷系統(tǒng)模型

3.4 V2G系統(tǒng)

V2G系統(tǒng)具有控制電動汽車充電和調(diào)節(jié)微網(wǎng)頻率的功能。為了延長蓄電池的壽命規(guī)定最大充電量不能超過總?cè)萘康?5%。電動汽車接入微網(wǎng)，當(dāng)剩余電量低于85%時，進(jìn)行充電；當(dāng)剩余電量高于85%時，可隨時為微網(wǎng)提供電能。通過實時測量柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以反映系統(tǒng)頻率的大小。當(dāng)發(fā)電子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差大于±0.05%時，接入微網(wǎng)并且剩余電量滿足條件的電動汽車放電提供調(diào)頻服務(wù)。V2G功能的實現(xiàn)可由圖6所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表示。

圖6 V2G系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4 仿真與分析

本系統(tǒng)仿真持續(xù)24小時，設(shè)定柴油機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)的額定為15 MW，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的額定功率為4.5 MW，光伏發(fā)電系統(tǒng)的額定功率為8 MW，居民住宅負(fù)荷的最大功率為10 MW，工業(yè)感性負(fù)荷的視在功率為0.16 MVA。孤島微網(wǎng)系統(tǒng)仿真圖如圖7所示。

圖7孤島微網(wǎng)系統(tǒng)V2G仿真圖

為了便于分析，假設(shè)不處于行駛路程中的電動汽車均接入微網(wǎng)系統(tǒng)。依據(jù)實際情況，配置五種不同出行特性的電動汽車，分別是：第一類，上班路程較短，為早上6點(diǎn)至8點(diǎn)左右，下班時間在下午4點(diǎn)至6點(diǎn)之間，假設(shè)此類電動汽車數(shù)量為30輛；第二類，上班路程更短，行駛時間基本在2小時以內(nèi)，白天無需進(jìn)行充電，假設(shè)此類電動汽車數(shù)量為15輛；第三類，上班路程較長，行駛時間為早上5點(diǎn)至8點(diǎn)、下午4點(diǎn)至7點(diǎn)，假設(shè)此類電動汽車數(shù)量為25輛；第四類，充電汽車無行駛時間，設(shè)此類電動汽車數(shù)量為10輛；第五類，行駛時間為晚8點(diǎn)至次日4點(diǎn)，設(shè)此類電動汽車數(shù)量為20輛。目前大多數(shù)充電樁的額定功率為40 kW，設(shè)定電動汽車的額定容量為85 kWh，充電效率為90%，每行駛一小時消耗的電量為10%。

分別設(shè)置三個導(dǎo)致分布式電源輸出功率和負(fù)荷突然變化的情景：表征工業(yè)感性負(fù)荷的異步電機(jī)啟動瞬間、光伏太陽能電池板被遮擋、風(fēng)速大于額定風(fēng)速導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)。

V2G系統(tǒng)中，五類電動汽車的充電負(fù)荷曲線如圖8-12所示，Soc值為零表示電動汽車處于行駛階段。由圖可見，大部分時間電動汽車處于閑置狀態(tài)，可以提供V2G服務(wù)。

由于頻率大小正比于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小，所以頻率的波動可由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速波動反映。不同干擾下計及V2G和不計V2G時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動對比情況如圖13～圖15所示。圖13顯示，在凌晨3點(diǎn)左右，異步電機(jī)啟動瞬間產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致負(fù)荷瞬間增大。計及V2G時的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動范圍約為不計V2G時的一半。

圖8第一類電動汽車充電負(fù)荷

圖9第二類電動汽車充電負(fù)荷

圖10第三類電動汽車充電負(fù)荷

圖11第四類電動汽車充電負(fù)荷

圖12第五類電動汽車充電負(fù)荷

圖14顯示，在中午12點(diǎn)光照充足時，陽光被云彩遮擋導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率瞬間減小至零，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之而產(chǎn)生波動。在不計V2G的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動范圍接近±0.3%；而在計及V2G的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動范圍不到±0.15%，并且轉(zhuǎn)速恢復(fù)到平穩(wěn)值的時間要少于不計V2G的情況。

圖13異步電機(jī)啟動瞬間頻率波動

圖14光照被遮擋瞬間平率波動

圖15風(fēng)機(jī)停機(jī)瞬間頻率波動

圖15顯示，夜間22點(diǎn)左右，風(fēng)速達(dá)到一天內(nèi)的最大值，超出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切出風(fēng)速，此時風(fēng)機(jī)的輸出功率為零，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速產(chǎn)生振蕩。在計及V2G的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動最大幅值和時間都低于不計V2G時的情況。上述仿真結(jié)果表明，在計及V2G的情況下，微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動大小和波動時間明顯小于不計V2G的情況。

5 結(jié)論

本文通過MATLAB/Smulink軟件對具有V2G功能的孤島微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，并且模擬了實際生活中可能出現(xiàn)的幾種擾動。對比計及V2G和不計V2G情況下系統(tǒng)的調(diào)頻特性，可得出結(jié)論：V2G技術(shù)的應(yīng)用可以使電動汽車參與微網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)頻，并且對微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有現(xiàn)實的意義。

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FM Simulation and Research of Electric Vehicle Participating in Isolated Island Microgrid System

Wang Xin，Shi Weifeng

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TP393

A

1003-4862（2018）05-0021-04

2018-02-15

王鑫（1992-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。