王皓靖, 王育飛, 張 宇, 方 陳, 薛 花, 王成龍

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院, 上海 200090; 2.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

電動(dòng)汽車(Electric Vehicle,EV)作為動(dòng)態(tài)負(fù)荷,其充電行為具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,對(duì)電網(wǎng)的影響不容忽視。大規(guī)模電動(dòng)汽車無(wú)序充電會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性,危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1-3],所以有必要采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠?lái)引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶進(jìn)行有序充電,以改善目標(biāo)區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷特性。

為充分發(fā)揮電動(dòng)汽車車載儲(chǔ)能電池能量雙向流動(dòng)的特性,電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)(Vehicle to Grid,V2G)技術(shù)已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)[4-6]。V2G技術(shù)通過(guò)設(shè)定電動(dòng)汽車充放電約束條件,使其滿足有序充放電策略的要求,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線削峰填谷的效果。

本文基于V2G技術(shù),提出了電動(dòng)汽車定時(shí)模式、定峰模式、負(fù)荷整形模式以及V2G與儲(chǔ)能配合4種有序充放電策略。通過(guò)MATLAB/Simulink的算例仿真對(duì)4種模式的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比,驗(yàn)證了所提策略的可行性和有效性。

1 光儲(chǔ)式V2G充電站系統(tǒng)建模

1.1 V2G特性分析

搭建V2G充放電系統(tǒng)模型如圖1所示。該模型屬于兩級(jí)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)電動(dòng)汽車充電時(shí),電網(wǎng)作為供電電源,經(jīng)整流后通過(guò)DC/DC變換器向電動(dòng)汽車充電;當(dāng)電動(dòng)汽車向電網(wǎng)反饋電能時(shí),電動(dòng)汽車車載動(dòng)力電池作為電源,經(jīng)過(guò)DC/DC升壓變換以及脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)變流器逆變?yōu)榻涣麟姾笏腿腚娋W(wǎng)[7]。在電動(dòng)汽車充放電過(guò)程中,無(wú)功功率始終為零,電動(dòng)汽車負(fù)載功率因數(shù)近似為1.0。

圖1 V2G充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同,可將V2G的實(shí)現(xiàn)方法分為集中式V2G、自治式V2G、基于微電網(wǎng)的V2G和基于更換電池組的V2G 4類[8]。集中式V2G是指通過(guò)聚集特定區(qū)域內(nèi)的電動(dòng)汽車,按照電網(wǎng)需求對(duì)電動(dòng)汽車車載電池能量進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,并由相應(yīng)的管理策略來(lái)控制單臺(tái)電動(dòng)汽車充放電的過(guò)程。由于采用統(tǒng)一的調(diào)度和集中式的管理,因而易于實(shí)現(xiàn)整體上的最優(yōu)。此外,這種方式具有可控性強(qiáng)的特征,可調(diào)度的電能也相對(duì)充裕。

1.2 光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)建模

基于上海汽車城相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)際數(shù)據(jù),搭建如圖2所示的含有電網(wǎng)供電、光伏電源、V2G充電樁、基礎(chǔ)負(fù)荷(普通充電樁、照明負(fù)荷)和儲(chǔ)能電池的光儲(chǔ)式充電站,從而為電動(dòng)汽車有序充放電策略的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)平臺(tái)。

圖2 光儲(chǔ)式充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光儲(chǔ)式充電站主電路拓?fù)渑c直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)類似。它利用光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)供電相結(jié)合的方式,可充分利用光伏發(fā)電[9-11]。太陽(yáng)光照強(qiáng)度在12:00左右最大,此時(shí)光伏電源出力最大。但光照強(qiáng)度具有間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn),儲(chǔ)能電池可以彌補(bǔ)能量缺額,其與光伏的配合使用有利于光伏能源的就地消納,同時(shí)可在一定程度上改善電網(wǎng)的負(fù)荷曲線。

圖2中,電網(wǎng)側(cè)實(shí)際負(fù)荷表示為基礎(chǔ)負(fù)荷功率減去光伏功率?；A(chǔ)負(fù)荷在24 h內(nèi)的不同時(shí)段負(fù)荷值PLoad不同,其最大值可表示為PLoad-max。實(shí)際負(fù)荷曲線在上午9:00以及夜間20:00左右存在負(fù)荷高峰。

為有效實(shí)現(xiàn)V2G技術(shù),應(yīng)首先檢測(cè)電動(dòng)汽車車載鋰電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)是否符合充放電要求。為方便考慮,認(rèn)為在規(guī)定充放電時(shí)間段內(nèi)儲(chǔ)能電池與車載動(dòng)力電池均可支配。

2 有序充放電控制策略

本文提出了電動(dòng)汽車定時(shí)模式、定峰模式、負(fù)荷整形模式以及V2G與儲(chǔ)能配合模式4種有序充放電策略。其中,定時(shí)模式、定峰模式以及負(fù)荷整形模式下單獨(dú)使用車載儲(chǔ)能電池調(diào)整負(fù)荷曲線;V2G與儲(chǔ)能配合模式采用車載電池與儲(chǔ)能電池共同改善負(fù)荷曲線。

控制策略以電動(dòng)汽車為主要削峰填谷的電源,同時(shí)配以儲(chǔ)能電池。針對(duì)確定的24 h負(fù)荷曲線,在滿足每輛連網(wǎng)電動(dòng)汽車的SOC以及每輛電動(dòng)汽車充放電可變功率的前提下削峰填谷,平抑負(fù)荷曲線。

2.1 定時(shí)模式策略

據(jù)統(tǒng)計(jì),電動(dòng)汽車平均每天有90%的時(shí)間處于閑置狀態(tài),這為V2G定時(shí)充電模式提供了可能。

在峰荷時(shí)段將可調(diào)度的電動(dòng)汽車進(jìn)行集中放電;在谷荷時(shí)段則集中充電,從而達(dá)到削峰填谷的目的。

圖3為定時(shí)模式流程。

圖3 定時(shí)模式流程

定時(shí)模式只需在設(shè)定好充放電時(shí)間后,判斷當(dāng)前是否處于充電時(shí)段以及車載電池是否滿足充電條件,即可向動(dòng)力電池發(fā)出指令。

2.2 定峰模式策略

以負(fù)荷量作為邊界條件,在滿足邊界條件時(shí),將V2G系統(tǒng)中的電動(dòng)汽車集群進(jìn)行集中充放電,以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷曲線削峰填谷。負(fù)荷量的選取由變壓器容量決定,當(dāng)設(shè)定參量超過(guò)變壓器額定容量的80%時(shí),電動(dòng)汽車放電;當(dāng)設(shè)定參量低于變壓器額定容量的70%時(shí),電動(dòng)汽車充電;設(shè)定參量在變壓器額定容量的70%～80%時(shí),電動(dòng)汽車不參與負(fù)荷曲線的調(diào)整。上邊界條件(定峰上限)功率和下邊界條件(定峰下限)功率分別用PHigher-limit和PLower-limit表示。圖4為定峰模式流程。

圖4 定峰模式流程

在設(shè)置好定峰上下限后,對(duì)負(fù)荷曲線所在區(qū)間進(jìn)行檢測(cè),并判斷電動(dòng)汽車車載電池是否滿足充放電條件,隨后向車載動(dòng)力電池發(fā)出充放電指令。

2.3 負(fù)荷整形模式策略

以負(fù)荷曲線的平均值作為基準(zhǔn)負(fù)荷功率PBase,V2G充電樁以可變功率充放電。通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前負(fù)荷功率與設(shè)定值的差值ΔP1判斷電動(dòng)汽車充放電狀態(tài)。圖5為負(fù)荷整形模式流程。

圖5 負(fù)荷整形模式流程

首先設(shè)定基準(zhǔn)負(fù)荷功率PBase,然后檢測(cè)并計(jì)算ΔP1。若ΔP1為零,則電動(dòng)汽車不進(jìn)行充放電操作;若ΔP1不為零,則電動(dòng)汽車進(jìn)行充放電操作。

2.4 V2G與儲(chǔ)能配合模式策略

在負(fù)荷整形模式的基礎(chǔ)上,將ΔP1超出電動(dòng)汽車充放電功率范圍的部分表示為ΔP2,通過(guò)儲(chǔ)能電池消納ΔP2以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線的進(jìn)一步削峰填谷。圖6為V2G與儲(chǔ)能配合模式流程。圖6中,PEV為V2G充電樁的充放電功率,PBA為儲(chǔ)能電池的充放電功率。

圖6 V2G與儲(chǔ)能配合模式流程

V2G與儲(chǔ)能配合模式是在負(fù)荷整形的基礎(chǔ)上引入儲(chǔ)能電池,通過(guò)對(duì)ΔP1超出電動(dòng)汽車充放電功率范圍的部分ΔP2進(jìn)行補(bǔ)償而實(shí)現(xiàn)。

3 算例分析

設(shè)PGrid為電網(wǎng)功率;PSolar為光伏電源功率;PV2G為VAG充電樁功率;PBattery為儲(chǔ)能電池功率;當(dāng)V2G充電樁以及儲(chǔ)能電池未投入使用時(shí),光儲(chǔ)式充電站的負(fù)荷由普通充電樁和照明負(fù)荷組成,其供電電源由電網(wǎng)與光伏共同構(gòu)成。此時(shí)有功功率曲線如圖7所示。由圖7可知,電網(wǎng)負(fù)荷曲線峰谷差為153.8 kW。

圖7 光儲(chǔ)式充電站基本功率

表1所示為系統(tǒng)部分參數(shù)。

表1 系統(tǒng)部分參數(shù) kW

3.1 無(wú)序充放電仿真結(jié)果與分析

無(wú)序充放電場(chǎng)景下,假設(shè)電動(dòng)汽車的充電時(shí)間安排在7:00～12:00,電動(dòng)汽車以30 kW的功率進(jìn)行充電;電動(dòng)汽車的放電時(shí)間安排在12:00～17:00,電動(dòng)汽車以30 kW的功率放電。進(jìn)行無(wú)序充放電得到24 h負(fù)荷曲線如圖8所示。

圖8 無(wú)序充放電系統(tǒng)功率

由圖8可知,電動(dòng)汽車的無(wú)序充放電模式可在一定程度上擴(kuò)大負(fù)荷曲線峰谷差值,此時(shí)負(fù)荷曲線峰谷差值相較V2G充電樁未投入使用的情況增大為179.3 kW。

3.2 定時(shí)模式仿真結(jié)果與分析

定時(shí)有序充放電模式下,電動(dòng)汽車在1:00～6:00進(jìn)行充電,18:00～23:00進(jìn)行放電。V2G充電樁以可變功率充放電,其額定充放電功率為30 kW。圖9為定時(shí)模式下的功率曲線。

圖9 定時(shí)模式系統(tǒng)功率

由圖9可知,定時(shí)模式策略使得峰谷差減小為123.8 kW。但由于V2G充電樁的額定功率為30 kW,因此當(dāng)瞬時(shí)負(fù)荷超過(guò)平均值±30 kW時(shí),將無(wú)法進(jìn)一步改善負(fù)荷曲線。

3.3 定峰模式仿真結(jié)果與分析

定峰模式規(guī)定了V2G充電樁具體工作計(jì)劃,根據(jù)日負(fù)荷曲線選擇定峰上限(267.9kW)與定峰下限(232.1kW),從而將負(fù)荷曲線的波動(dòng)平抑在定峰區(qū)間內(nèi)。此時(shí)功率曲線如圖10所示。

圖10 定峰模式系統(tǒng)功率

由圖10可知,定峰模式的控制更加靈活,電動(dòng)汽車的充放電隨著負(fù)荷曲線在定峰邊界而變化,其削峰填谷的效果更好,峰谷差降低為93.8 kW。

3.4 負(fù)荷整形模式仿真結(jié)果與分析

負(fù)荷整形策略是在定峰模式的基礎(chǔ)上將定峰區(qū)間寬度壓縮為零,選取基準(zhǔn)負(fù)荷功率PBase為248.4 kW。圖11為負(fù)荷整形模式下的功率曲線。

圖11 負(fù)荷整形模式系統(tǒng)功率

由圖11可知,負(fù)荷整形模式在很大程度上使得負(fù)荷曲線近似平整,峰谷差降低到93.8 kW。但受限于V2G充電樁功率,無(wú)法進(jìn)一步降低峰谷差。

3.5 V2G與儲(chǔ)能配合模式仿真結(jié)果與分析

V2G與儲(chǔ)能配合模式的實(shí)質(zhì)是在負(fù)荷整形模式的基礎(chǔ)上引入儲(chǔ)能電池,將V2G充電樁無(wú)法消納的部分功率進(jìn)行平抑或補(bǔ)償。儲(chǔ)能電池的容量便于調(diào)整掌控,其電能也易于調(diào)度。

V2G與儲(chǔ)能配合模式下的功率變化曲線如圖12所示。

圖12 V2G與儲(chǔ)能配合模式系統(tǒng)功率

由圖12可知,由于儲(chǔ)能電池可補(bǔ)償ΔP1超出電動(dòng)汽車車載電池的功率部分ΔP2,所以在系統(tǒng)設(shè)定功率內(nèi),將負(fù)荷曲線近似優(yōu)化為直線,峰谷差約為零。

表2為不同充放電策略下負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比。由表2可知,本文設(shè)計(jì)的4種電動(dòng)汽車有序充放電控制策略可有效改善負(fù)荷曲線,其中V2G與儲(chǔ)能配合模式對(duì)負(fù)荷曲線整形效果最佳。

表2 不同充放電策略下負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)比 kW

4 結(jié) 語(yǔ)

相比于電動(dòng)汽車無(wú)序充放電的場(chǎng)景,本文提出的基于V2G技術(shù)的4種電動(dòng)汽車有序充放電控制策略均能有效降低電網(wǎng)負(fù)荷曲線的峰谷差,在相同負(fù)荷功率設(shè)定范圍內(nèi),V2G與儲(chǔ)能混合模式對(duì)負(fù)荷曲線的削峰填谷效果最佳。由于本文負(fù)荷模型容量較小,所選取的電動(dòng)汽車充電樁數(shù)量有限,因此下一步將針對(duì)大規(guī)模V2G對(duì)區(qū)域負(fù)荷曲線產(chǎn)生的影響展開(kāi)研究。