電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻策略研究

雷雪婷，郝文波，曹 融，劉環(huán)宇，趙劍鋒

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030； 2.國(guó)網(wǎng)黑龍江依蘭縣電業(yè)局有限公司，哈爾濱 154800;3.大連土城子風(fēng)電有限公司, 遼寧 瓦房店 116327)

0 引 言

2020年末，國(guó)務(wù)院辦公廳日前印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》[1]，其中提到，要堅(jiān)持電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化發(fā)展方向，我國(guó)新能源汽車正進(jìn)入加速發(fā)展新階段。為減少化石能源的消耗，大量新能源入網(wǎng)，傳統(tǒng)動(dòng)力汽車轉(zhuǎn)為電動(dòng)汽車。大量電動(dòng)汽車接入電力系統(tǒng)進(jìn)行充電，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷激增，在為電網(wǎng)帶來穩(wěn)定性、可靠性威脅的同時(shí)，也為電網(wǎng)提供了大容量的移動(dòng)儲(chǔ)能。結(jié)合電力系統(tǒng)新形勢(shì)，利用合理的V2G(vehicle to grid)控制策略，使電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)頻，對(duì)電網(wǎng)來說無疑是新的發(fā)展機(jī)遇[2-3]。

1 電動(dòng)汽車輔助調(diào)頻模型

電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)控制基本模型由同步發(fā)電機(jī)模型、負(fù)荷頻率特性模型、一次調(diào)頻模型、二次調(diào)頻模型等組成[4]，電動(dòng)汽車參與調(diào)頻的模型如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車參與調(diào)頻的模型Fig.1 Model of electric vehicles participating in frequency modulation

其中同步發(fā)電機(jī)模型包括調(diào)速器原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)慣性。

電動(dòng)汽車參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)，儲(chǔ)能單元模塊的輸入信號(hào)只有頻率差信號(hào)。電動(dòng)汽車參與一次調(diào)頻時(shí)的下垂特性即為電動(dòng)汽車電池參與調(diào)頻充放電極值限制，對(duì)應(yīng)圖1中一次調(diào)頻死區(qū)環(huán)節(jié)，如公式(1)所示。

(1)

式中：PEV為電動(dòng)汽車儲(chǔ)能充放電功率；Δw為系統(tǒng)頻率偏移量；KEV為電動(dòng)汽車響應(yīng)系數(shù)；PCH，max為參與V2G的電動(dòng)汽車最大充電功率；PDIS，max為參與V2G的電動(dòng)汽車最大放電功率。

電動(dòng)汽車參與系統(tǒng)兩次調(diào)頻時(shí)，V2G儲(chǔ)能單元模塊的輸入是頻率差信號(hào)與區(qū)域偏差控制信號(hào)。根據(jù)GB/T 15945—2008，設(shè)置死區(qū)環(huán)節(jié)頻率波動(dòng)邊界為±0.5 Hz[5]。電動(dòng)汽車參與V2G相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車參與調(diào)頻模型參數(shù)Table 1 Model parameters of electric vehicle participating in frequency modulation

2 電動(dòng)汽車調(diào)頻特性分析

2.1 算例1

基于圖1電動(dòng)汽車參與調(diào)頻的模型，設(shè)立了3個(gè)場(chǎng)景:S1電動(dòng)汽車不參與調(diào)頻；S2電動(dòng)汽車只參與一次調(diào)頻；S3電動(dòng)汽車參與一次、二次調(diào)頻。目前電動(dòng)車的電池容量一般在15～200 kW·h之間。以小型電動(dòng)汽車為例，設(shè)置V2G最大充放電功率均為5 kW[6]。設(shè)置系統(tǒng)發(fā)電功率300 MW，輸入階躍擾動(dòng)，負(fù)荷功率突增15 MW(0.05 p.u.)。3個(gè)場(chǎng)景下系統(tǒng)頻率的變化量如圖2所示。其中，S2、S3參與調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車數(shù)量為10 000輛。

從圖2(a)中可以得到，3個(gè)場(chǎng)景下頻率最大下降分別為0.16 Hz、0.084 Hz、0.084 Hz。從圖2(b)中可以得到，S1場(chǎng)景下，系統(tǒng)頻率在210 s時(shí)恢復(fù)額定值；S2場(chǎng)景下，系統(tǒng)頻率在325 s時(shí)恢復(fù)額定值；S3場(chǎng)景下，系統(tǒng)頻率在240 s時(shí)恢復(fù)額定值。可見V2G明顯降低了系統(tǒng)的頻率波動(dòng)。

圖2 3個(gè)場(chǎng)景頻率變化Fig.2 Frequency changes of the three scenes

圖3為3個(gè)場(chǎng)景下系統(tǒng)的區(qū)域控制偏差。由圖3可以看出，在S2、S3下，電動(dòng)汽車輔助電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，相比S1均明顯降低了系統(tǒng)的區(qū)域控制誤差值eAC。

圖3 3個(gè)場(chǎng)景區(qū)域控制偏差Fig.3 ACE of the three scenes

2.2 算例2

在S2、S3場(chǎng)景下，設(shè)置參與V2G的電動(dòng)汽車數(shù)量分別為1 000、10 000、20 000，系統(tǒng)頻率波動(dòng)如圖4、5所示。

從圖4和圖5可以看出，S2、S3下不同數(shù)量電動(dòng)汽車參與調(diào)節(jié)時(shí)，隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增加，電網(wǎng)頻率波動(dòng)超調(diào)量降低。另外，輔助調(diào)頻的電動(dòng)汽車數(shù)量相同時(shí)，S2相比于S3系統(tǒng)頻率波動(dòng)超調(diào)量相等，但結(jié)合圖2(b)可知，S2下頻率恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間更長(zhǎng)。

圖4 S2下不同數(shù)量電動(dòng)汽車頻率變化Fig.4 S2’s frequency changes of different numbers of electric vehicles

圖5 S3下不同數(shù)量電動(dòng)汽車頻率變化Fig.5 S3’s frequency changes of different numbers of electric vehicles

S2、S3場(chǎng)景下，參與V2G的電動(dòng)汽車數(shù)量分別為1 000、10 000、20 000輛時(shí)單輛電動(dòng)汽車出力情況如圖6、7所示。參與電網(wǎng)輔助調(diào)頻的電動(dòng)汽車數(shù)量越多，單輛電動(dòng)汽車出力的峰值和穩(wěn)定值越小。

圖6 S2下不同數(shù)量電動(dòng)汽車單車出力Fig.6 S2’s individual electric vehicle output of different numbers of electric vehicles

圖7 S3下不同數(shù)量電動(dòng)汽車單車出力Fig.7 S3’s individual electric vehicle output of different numbers of electric vehicles

3 結(jié) 語

1)集群式的電動(dòng)汽車作為移動(dòng)電源為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)時(shí)，可以明顯減小頻率波動(dòng)以及區(qū)域控制誤差。

2)從電網(wǎng)控制的角度看，電動(dòng)汽車參與一次調(diào)頻視為比例環(huán)節(jié)，二次調(diào)頻視為積分環(huán)節(jié)。參與V2G的電動(dòng)汽車增加，KEV增大，頻率波動(dòng)峰值降低，但系統(tǒng)恢復(fù)到額定頻率的時(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)電動(dòng)汽車同時(shí)參與二次調(diào)頻時(shí)，積分作用增強(qiáng)，電網(wǎng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間縮短。

3)參與V2G的電動(dòng)汽車數(shù)量增加時(shí)，頻率波動(dòng)超調(diào)量降低，單輛電動(dòng)汽車出力峰值和穩(wěn)定值減小。