基于電動(dòng)汽車與溫控負(fù)荷的電力系統(tǒng)協(xié)同頻率控制策略

郭炳慶，楊婧捷，屈 博，戚 艷，劉幸蔚，王迎秋

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)天津電科院，天津 300010）

基于電動(dòng)汽車與溫控負(fù)荷的電力系統(tǒng)協(xié)同頻率控制策略

郭炳慶1，楊婧捷1，屈 博1，戚 艷2，劉幸蔚1，王迎秋2

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)天津電科院，天津 300010）

本文以電動(dòng)汽車、溫控負(fù)荷為控制對(duì)象，提出了一種電力系統(tǒng)調(diào)頻控制策略。首先研究了電動(dòng)汽車的負(fù)荷響應(yīng)特性，給出了一種基于實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)排序的電動(dòng)汽車頻率控制策略。其次研究了溫控負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性，給出了一種基于溫度排序的溫控負(fù)荷頻率控制策略。基于兩種負(fù)荷的負(fù)荷特性，提出一種基于電動(dòng)汽車與溫控負(fù)荷的協(xié)同頻率控制策略。通過(guò)調(diào)整兩種負(fù)荷的負(fù)荷量，支撐系統(tǒng)有功平衡，達(dá)到頻率控制的目的。最后利用典型的單機(jī)電力系統(tǒng)模型驗(yàn)證了系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)控制策略的有效性。

電動(dòng)汽車；溫控負(fù)荷；頻率控制；協(xié)同控制策略

電力系統(tǒng)頻率是電能質(zhì)量的三大指標(biāo)之一，是反映電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，既反映了發(fā)電側(cè)和負(fù)荷側(cè)之間的平衡關(guān)系，也是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要控制參數(shù)。當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率有盈余時(shí)，頻率就會(huì)上升超過(guò)額定值；當(dāng)電力系統(tǒng)的有功功率有缺額時(shí)，頻率就會(huì)下降低于額定值[1-3]。

柔性負(fù)荷是功率可根據(jù)電力系統(tǒng)有功功率需求進(jìn)行調(diào)節(jié)的系統(tǒng)負(fù)荷的統(tǒng)稱，當(dāng)前電力系統(tǒng)中典型的柔性負(fù)荷包括電動(dòng)汽車EVs（electrical vehicles）與溫控負(fù)荷TCAs（thermostatically controlled appliances）[4-5]。在電動(dòng)汽車需求響應(yīng)控制方面，文獻(xiàn)[6-8]提出了電動(dòng)汽車頻率下垂控制策略，頻率下垂控制策略是電動(dòng)汽車依據(jù)電力系統(tǒng)頻率信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整充放電功率，響應(yīng)系統(tǒng)功率需求。文獻(xiàn)[6]考慮了用戶參與反供電的意愿，為車主提供參與反供電和不參與反供電兩種控制方式；文獻(xiàn)[7]考慮了過(guò)度充電和過(guò)度放電對(duì)車載電池的損耗，引入基于實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)SOC（state of charge）的變下垂系數(shù)，當(dāng)電池SOC接近可接受最大值或可接受最小值時(shí)停止充電和放電；在溫控負(fù)荷頻率控制方面，文獻(xiàn)[9]采用居民家居溫控負(fù)荷設(shè)備（以電熱泵為例）作為負(fù)荷響應(yīng)資源，以SQ（state queuing）算法為基礎(chǔ)，提出了一種有效抑制由可再生能源波動(dòng)引起的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的算法。文獻(xiàn)[10]以冰箱、空調(diào)、空氣能熱水器這3種負(fù)荷特性為基礎(chǔ)，提出了居民可控負(fù)荷主動(dòng)、安全響應(yīng)微電網(wǎng)電壓的基本思路，以協(xié)助微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電壓穩(wěn)定性。

由于電動(dòng)汽車、溫控負(fù)荷需求響應(yīng)控制在負(fù)荷容量、響應(yīng)速度以及對(duì)用戶舒適度影響方面的差異，本文基于兩種負(fù)荷的負(fù)荷特性，提出一種基于電動(dòng)汽車、溫控負(fù)荷的電力系統(tǒng)協(xié)同頻率控制策略。在系統(tǒng)發(fā)生有功功率擾動(dòng)的情況下，有序地利用兩類柔性負(fù)荷支撐系統(tǒng)有功功率平衡，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

1 電動(dòng)汽車頻率控制策略

在電動(dòng)汽車處于停靠狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電力系統(tǒng)頻率信號(hào)對(duì)電動(dòng)汽車充放電過(guò)程進(jìn)行控制，控制模式包括正常模式、單向有序電能供給模式V1G（vehicles plug-in with logic/control regulated charge）模式和雙向有序電能供給模式V2G（vehicles plug-in with logic/control regulated charge/discharge）模式。

（1）正常模式：在電力系統(tǒng)功率平衡狀態(tài)下，電動(dòng)汽車作為一般負(fù)荷進(jìn)行正常充電。從接入時(shí)刻開始充電，當(dāng)電量滿足車主充電需求后停止充電進(jìn)入閑置狀態(tài)；

（2）V1G模式：在電力系統(tǒng)功率不平衡狀態(tài)下，電動(dòng)汽車通過(guò)調(diào)節(jié)充電功率響應(yīng)系統(tǒng)需求。在V1G模式下可能出現(xiàn)兩種極限狀態(tài)，一種是系統(tǒng)有功功率過(guò)剩，所有電動(dòng)汽車全部進(jìn)入充電狀態(tài)；另一種是系統(tǒng)有功功率缺額，所有電動(dòng)汽車均進(jìn)入閑置狀態(tài)。以上兩種情況均說(shuō)明電動(dòng)汽車V1G模式下的調(diào)節(jié)能力已達(dá)到充分利用。

（3）V2G模式：在系統(tǒng)有功功率不足且切除全部電動(dòng)汽車仍不能實(shí)現(xiàn)功率平衡的情況下，電動(dòng)汽車通過(guò)反供電為電力系統(tǒng)提供下調(diào)頻服務(wù)。當(dāng)全部電動(dòng)汽車均進(jìn)入反供電狀態(tài)后，電動(dòng)汽車負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力已達(dá)到充分利用。

根據(jù)系統(tǒng)頻率需求，電動(dòng)汽車負(fù)荷群體在3種模式之間動(dòng)態(tài)切換。

為了避免由于參與電力系統(tǒng)調(diào)頻而出現(xiàn)的車載電池過(guò)度充電或過(guò)度放電現(xiàn)象，設(shè)置SOC上下限SOCmax和SOCmin。當(dāng)電池SOC達(dá)到SOCmax時(shí)停止充電，因此可以通過(guò)控制SOCmax的高低調(diào)整電動(dòng)汽車集群充放電功率的大小。在正常模式、V1G模式和V2G模式下的SOCmax分別記為和

當(dāng)Δf＞0，電動(dòng)汽車進(jìn)入V1G控制模式，如圖1（b）所示，將SOC值大于的電動(dòng)汽車設(shè)置為閑置狀態(tài)，SOC值小于的電動(dòng)汽車設(shè)置為充電狀態(tài)。通過(guò)增加充電電動(dòng)汽車數(shù)量提高電動(dòng)汽車負(fù)荷功率。計(jì)算公式為

式中：kEV為電動(dòng)汽車負(fù)荷用戶參與度；Δf為系統(tǒng)頻率偏差；f為系統(tǒng)實(shí)際頻率；f0為系統(tǒng)額定頻率。

當(dāng)Δf＜0，電動(dòng)汽車首先進(jìn)入V1G模式，如圖1（c）所示，設(shè)置SOC值大于的電動(dòng)汽車設(shè)置為閑置狀態(tài)，SOC值小于的電動(dòng)汽車設(shè)置為充電狀態(tài)。通過(guò)減少充電電動(dòng)汽車數(shù)量降低電動(dòng)汽車負(fù)荷功率。的計(jì)算方式如式（1）所示。

圖1 電動(dòng)汽車頻率控制策略Fig.1 Frequency control strategy for EVs

2 溫控負(fù)荷頻率響應(yīng)控制策略

溫控負(fù)荷能通過(guò)改變開關(guān)狀態(tài)調(diào)節(jié)功率，以制熱型溫控負(fù)荷為例，其溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖2所示。

圖2中，T+為溫度上邊界，T-為溫度下邊界，Tset為溫度設(shè)定值，ΔT為溫度死區(qū)值。Tset，T+與T-的計(jì)算公式為

圖2 制熱型溫控負(fù)荷動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.2 Thermal behavior of a heating TCAs

負(fù)荷開啟狀態(tài)下，室內(nèi)溫度以指數(shù)形式上升；當(dāng)達(dá)到溫度上邊界后負(fù)荷關(guān)停，溫度以指數(shù)形式下降；當(dāng)達(dá)到溫度下邊界后負(fù)荷重新開啟，重復(fù)以上循環(huán)。

在無(wú)控狀態(tài)下，溫控負(fù)荷以恒定的溫度上、下邊界為基準(zhǔn)，控制負(fù)荷啟停。當(dāng)溫度由低到高穿越上邊界時(shí)，溫控負(fù)荷由開啟狀態(tài)切換為關(guān)停狀態(tài)；反之，溫控負(fù)荷由關(guān)停狀態(tài)切換為開啟狀態(tài)。

在需求側(cè)響應(yīng)控制中，溫控負(fù)荷通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)定溫度（溫度上、下邊界）來(lái)控制開關(guān)狀態(tài)，調(diào)整負(fù)荷功率，為電力系統(tǒng)提供輔助頻率服務(wù)。控制原則是溫控負(fù)荷功率隨系統(tǒng)頻率的升高而增加，隨頻率的下降而減小。的動(dòng)態(tài)計(jì)算公式為

從溫控負(fù)荷群體的角度來(lái)看，頻率控制策略如圖3所示。

圖3 溫控負(fù)荷頻率控制策略Fig.3 Frequency control strategy for TCAs

3 電動(dòng)汽車與溫控負(fù)荷協(xié)同頻率控制策略

在負(fù)荷需求響應(yīng)控制過(guò)程中，需考慮對(duì)電能需求的影響。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，參與需求響應(yīng)影響短期的充電過(guò)程；對(duì)于溫控負(fù)荷而言，參與需求響應(yīng)影響短期的環(huán)境溫度。然而，由于電動(dòng)汽車充電是一個(gè)較長(zhǎng)期的過(guò)程（小時(shí)級(jí)），對(duì)充電過(guò)程分鐘級(jí)或秒級(jí)的控制不會(huì)影響整個(gè)充電過(guò)程。因此，在溫控負(fù)荷與電動(dòng)汽車協(xié)同頻率控制策略中，將電動(dòng)汽車作為優(yōu)先需求響應(yīng)資源，將溫控負(fù)荷作為后備需求響應(yīng)資源，其核心步驟如下。

（1）狀態(tài)排序：將電動(dòng)汽車負(fù)荷按照SOC由高到低進(jìn)行排序，將溫控負(fù)荷按照環(huán)境溫度由高到低進(jìn)行排序。

（2）電動(dòng)汽車頻率控制：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)頻率偏差，首先調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車負(fù)荷充放電功率。若全部電動(dòng)汽車均已進(jìn)入充電狀態(tài)且系統(tǒng)頻率繼續(xù)上升，或全部電動(dòng)汽車進(jìn)入反供電狀態(tài)且系統(tǒng)頻率繼續(xù)下降，說(shuō)明電動(dòng)汽車需求響應(yīng)資源已用盡，準(zhǔn)備啟用溫控負(fù)荷需求響應(yīng)。

（3）溫控負(fù)荷頻率控制：在電動(dòng)汽車響應(yīng)資源不足以維持系統(tǒng)功率平衡的情況下，溫控負(fù)荷作為后備資源為電力系統(tǒng)提供輔助調(diào)頻服務(wù)。

圖4 溫控負(fù)荷與電動(dòng)汽車協(xié)同頻率控制策略Fig.4 Coordination frequency control strategy for EVs and TCAs

電動(dòng)汽車與溫控負(fù)荷協(xié)同頻率控制策略流程如圖4所示。針對(duì)系統(tǒng)頻率偏差（Δf），首先運(yùn)用第1節(jié)所述電動(dòng)汽車頻率控制策略對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行集中式頻率響應(yīng)控制。其次，判斷電動(dòng)汽車需求響應(yīng)資源是否已用盡，若已用盡，則根據(jù)第2節(jié)所述溫控負(fù)荷頻率控制策略對(duì)溫控負(fù)荷進(jìn)行集中式頻率響應(yīng)控制。若電動(dòng)汽車需求響應(yīng)資源未用盡，則根據(jù)Δf判斷頻率控制是否結(jié)束，若未結(jié)束則進(jìn)入下一次循環(huán)。

4 算例分析

本節(jié)算例利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)，利用前文所述的電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)模型研究單次擾動(dòng)下溫控負(fù)荷與電動(dòng)汽車協(xié)同頻率控制策略的控制效果，系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型如圖5所示。設(shè)置電動(dòng)汽車負(fù)荷為5萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，溫控負(fù)荷為50萬(wàn)臺(tái)家用空調(diào)（單臺(tái)功率為2 kW），設(shè)置tEV、tTCA為35 ms；其他參數(shù)如表1所示。

圖5 簡(jiǎn)化的系統(tǒng)頻率響應(yīng)模型Fig.5 Simplified frequency response model

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

本算例分兩個(gè)場(chǎng)景，驗(yàn)證在電力系統(tǒng)發(fā)電量突然降低環(huán)境下溫控負(fù)荷與電動(dòng)汽車協(xié)同頻率控制策略的頻率控制效果。

場(chǎng)景一：電力系統(tǒng)失發(fā)電量500 MW（電動(dòng)汽車可用容量充足）

電力系統(tǒng)失發(fā)電量情況如圖6所示，當(dāng)t=3 s時(shí)電力系統(tǒng)發(fā)電量瞬間降低500 MW。如圖7所示，電動(dòng)汽車負(fù)荷首先進(jìn)入V1G模式，調(diào)整充電功率。當(dāng)t=3.8 s時(shí)電動(dòng)汽車負(fù)荷降低為0，進(jìn)入V2G模式，調(diào)整反供電功率。在上述過(guò)程中，沒有出現(xiàn)電動(dòng)汽車負(fù)荷功率碰到下邊界，電動(dòng)汽車需求響應(yīng)資源未用盡，因此沒有啟動(dòng)溫控負(fù)荷需求響應(yīng)控制。

上述控制過(guò)程的頻率控制效果如圖8所示，在沒有負(fù)荷需求響應(yīng)控制情況下系統(tǒng)出現(xiàn)較大頻率下降，在有負(fù)荷需求響應(yīng)控制情況下系統(tǒng)頻率下降較少，頻率控制效果明顯。

圖6 電力系統(tǒng)失發(fā)電量（500 MW）Fig.6 Loss of generation in the power system（500 MW）

圖7 電動(dòng)汽車負(fù)荷功率（系統(tǒng)失發(fā)電量500 MW）Fig.7 Power of load in EVs（loss generation of 500 MW）

圖8 頻率控制效果（系統(tǒng)失發(fā)電量500 MW）Fig.8 Effect of frequency control（loss generation of 500 MW）

場(chǎng)景二：電力系統(tǒng)失發(fā)電量1 000 MW（電動(dòng)汽車可用容量不足）

電力系統(tǒng)失發(fā)電量情況如圖9所示，當(dāng)t=3 s時(shí)電力系統(tǒng)發(fā)電量瞬間降低1 000 MW。如圖10所示，電動(dòng)汽車負(fù)荷首先進(jìn)入V1G模式，調(diào)整充電功率。當(dāng)t=3.7 s時(shí)電動(dòng)汽車負(fù)荷降低為0，進(jìn)入V2G模式，調(diào)整反供電功率。當(dāng)t=3.9 s時(shí)電動(dòng)汽車負(fù)荷功率碰到下邊界，電動(dòng)汽車需求響應(yīng)資源用盡，啟動(dòng)溫控負(fù)荷需求響應(yīng)控制。溫控負(fù)荷通過(guò)降低負(fù)荷功率防止系統(tǒng)頻率進(jìn)步一下降，如圖11所示。

上述控制過(guò)程的頻率控制效果如圖12所示，在沒有負(fù)荷需求響應(yīng)控制情況下系統(tǒng)出現(xiàn)較大頻率下降，在有負(fù)荷需求響應(yīng)控制情況下系統(tǒng)頻率下降較少，頻率控制效果明顯。

圖9 電力系統(tǒng)失發(fā)電量（1 000 MW）Fig.9 Loss of generation in the power system（1 000 MW）

圖10 電動(dòng)汽車負(fù)荷功率（系統(tǒng)失發(fā)電量1 000 MW）Fig.10 Power of load in EVs（loss generation of 1 000 MW）

圖11 溫控負(fù)荷功率（系統(tǒng)失發(fā)電量1 000 MW）Fig.11 Power of load in TCAs（loss generation of 1 000 MW）

圖12 頻率控制效果（系統(tǒng)失發(fā)電量1 000 MW）Fig.12 Effect of frequency control（loss generation of 1 000 MW）

5 結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)電動(dòng)汽車、溫控負(fù)荷兩種類型柔性負(fù)荷的協(xié)同頻率控制策略。由于溫控負(fù)荷參與系統(tǒng)需求側(cè)響應(yīng)對(duì)用能舒適度的影響較大，因此在系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)將電動(dòng)汽車作為優(yōu)先響應(yīng)資源，將溫控負(fù)荷作為后備響應(yīng)資源。運(yùn)用典型算例驗(yàn)證了在系統(tǒng)發(fā)生單次大擾動(dòng)情況下本文所提控制策略的有效性，并得出如下結(jié)論：

（1）在系統(tǒng)擾動(dòng)發(fā)生后，電動(dòng)汽車具有較快的頻率響應(yīng)特性，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供快速的功率響應(yīng)。當(dāng)發(fā)生較小擾動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車負(fù)荷提供的響應(yīng)功率能夠支撐系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定；

（2）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大擾動(dòng)后，在電動(dòng)汽車負(fù)荷響應(yīng)能力不足情況下，溫控負(fù)荷能夠作為需求側(cè)響應(yīng)資源為電力系統(tǒng)提供后備響應(yīng)。在電動(dòng)汽車達(dá)到最大響應(yīng)能力后啟動(dòng)溫控負(fù)荷頻率控制，能夠減小擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響，支撐系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

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Coordination Frequency Control Strategy for EVs and Thermostatically Controlled Appliances in the Power System

GUO Bingqing1，YANG Jingjie1，QU Bo1，QI Yan2，LIU Xingwei1，WANG Yingqiu2
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Research Institute，Tianjin 300010，China）

This paper proposes a coordination frequency control strategy for electrical vehicles（EVs）and thermostatically controlled appliances（TCAs）in the power system.First，the response characteristic of EVs is studied and an EV frequency control strategy is given based on state-of-charge ranking.Then，according to the characteristics of TCA，a frequency control strategy based on temperature ranking is also given.According to the load characteristics of EVs and TCAs，a coordination frequency control strategy is proposed.The coordination strategy utilizes load demand response to balance the system power and improve the frequency stability.The effectiveness of the control strategy in a case of large system disturbance is verified by a typical single-machine power system model.

electrical vehicles（EVs）；thermostatically controlled appliances（TCAs）；frequency control；coordination control strategy

TM73

A

1003-8930（2016）12-0013-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.12.003

郭炳慶（1962—），男，博士，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)槟苄Ч芾怼㈦娋W(wǎng)能效分析、電能替代。Email：bq_guo@epri.sgcc.com.cn

楊婧捷（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槟芰抗芾硐到y(tǒng)、混合能源系統(tǒng)能源聯(lián)合優(yōu)化。Email：yangjj10@foxmail.com

屈 博（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槟苄y(cè)評(píng)、需求側(cè)管理、混合能源聯(lián)合優(yōu)化。Email：qubo@epri.sgcc.com.cn

2016-03-25；

2016-06-07

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2015AA050403）；國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技資助項(xiàng)目（SGTJDK00DWJS1500100）