呂耀文 馬越超

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系 內(nèi)蒙古包頭市 014030

1 以石化能源為基礎(chǔ)的大電網(wǎng)存在的問(wèn)題

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，全球工業(yè)生產(chǎn)力突飛猛進(jìn)，同時(shí)能源供給矛盾也日益突顯。其主要問(wèn)題表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）能源結(jié)構(gòu)。目前世界能源結(jié)構(gòu)仍舊以化石能源為主，石油、煤炭、天然氣等化石能源占比較高，清潔可再生能源占比較低，隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，產(chǎn)生大量溫室氣體，對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重影響。（2）供電質(zhì)量。伴隨電能需求的迅猛增長(zhǎng)和電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)電力系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和控制能力方面也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，一旦局部故障發(fā)展成為大規(guī)模停電事故，其對(duì)社會(huì)秩序和經(jīng)濟(jì)所造成的損害也會(huì)更加嚴(yán)重。（3）電能存儲(chǔ)。電力系統(tǒng)包括：發(fā)電、變電、輸電、配電、用電五個(gè)過(guò)程，而且這幾個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，即要時(shí)刻保證用多少電就發(fā)多少電，多余的電能必須通過(guò)化學(xué)能、動(dòng)能、勢(shì)能等方式儲(chǔ)存起來(lái)，如采用電池儲(chǔ)能方式，則需要根據(jù)最大富余容量配置電池，使用效率低，維護(hù)陳本高。

2 新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)可成為大電網(wǎng)系統(tǒng)的補(bǔ)充

因此，針對(duì)傳統(tǒng)大電網(wǎng)所面臨的問(wèn)題，以新能源為基礎(chǔ)的分布式發(fā)電和儲(chǔ)能技術(shù)將成為今后研究的重點(diǎn)。面對(duì)嚴(yán)峻的能源危機(jī)和生態(tài)問(wèn)題，我國(guó)提出了“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)，以我國(guó)國(guó)情為基礎(chǔ)，開始提升可再生新能源的占比，尤其是風(fēng)能和光能，在我國(guó)分布廣、儲(chǔ)量大，是不可多得的清潔能源，不僅能緩解化石能源對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，還能解決國(guó)家的能源安全問(wèn)題。而在改變能源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，為了進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的可靠性，我國(guó)目前正著重研究以新能源為基礎(chǔ)的分布式發(fā)電技術(shù)。并且為了使分布式電源可以更好的接入電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分布式電源進(jìn)行統(tǒng)一控制、保護(hù)和管理，由此微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。微電網(wǎng)系統(tǒng)可以看作是一個(gè)由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、可控負(fù)荷、保護(hù)裝置及電力電子設(shè)備等一起組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，它既可以作為一個(gè)可控單元并入主電力網(wǎng)，又可以獨(dú)立離網(wǎng)運(yùn)行，是大電網(wǎng)系統(tǒng)最理想的補(bǔ)充和延伸。

3 以電動(dòng)汽車為基礎(chǔ)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)

目前以風(fēng)光互補(bǔ)為主的微電網(wǎng)，由于電源本身的間歇性和隨機(jī)性，存在較為嚴(yán)重的用電不平衡問(wèn)題，在接入主網(wǎng)時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的潮流分布、頻率特性等產(chǎn)生較大影響，而在微電網(wǎng)中接入分布式儲(chǔ)能設(shè)備能有效提升微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，抑制可再生能源出力產(chǎn)生的波動(dòng)以及負(fù)荷變化所引起的波動(dòng)。而電動(dòng)汽車作為系統(tǒng)中的重要負(fù)荷，則正好具有儲(chǔ)電功能，可擴(kuò)展微電網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的容量。它既可以以負(fù)載形式接入電網(wǎng)中吸收電能，又可以做為分布式儲(chǔ)能設(shè)備的一部分，通過(guò)雙向功率變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)汽車的雙向電能交換，從而提高能源利用率。針對(duì)于此，人們提出了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)對(duì)接技術(shù)（V2G）的概念，電動(dòng)汽車通過(guò)交換站接入電網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)合理的調(diào)度和充放電控制策略，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電力系統(tǒng)之間電能的雙向流動(dòng)。微電網(wǎng)系統(tǒng)管理中心在滿足電動(dòng)汽車車主的日常需求的情況下，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)配，在此過(guò)程中雙方都可受益。一方面，當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷用電功率較低時(shí)，電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，將電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能設(shè)備，從而將微電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的多余電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，從而降低了系統(tǒng)造價(jià)和維護(hù)成本；另一方面，當(dāng)電力系統(tǒng)的負(fù)荷功率接近峰值時(shí)，電動(dòng)汽車又可以向微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行反向放電，這不僅降低了微電網(wǎng)的供電負(fù)擔(dān)，改善微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高電能的利用率，同時(shí)也能讓電動(dòng)汽車車主在經(jīng)濟(jì)上獲得一定補(bǔ)貼。

4 微電網(wǎng)中電動(dòng)汽車有序充放電優(yōu)化控制策略

微電網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上可以分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)，本文以直流微電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將電動(dòng)汽車接入110V 微電網(wǎng)后結(jié)構(gòu)如圖所示，供電單元由光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和大電網(wǎng)組成，750V 直流母線采用了主從控制，而110V 母線采用了基于母線電壓的分層控制。電動(dòng)汽車在未啟動(dòng)或者車主下班回家后，通過(guò)V2G 技術(shù)與微電網(wǎng)相連接，若電動(dòng)汽車采取無(wú)序充放電策略時(shí)，由于電動(dòng)汽車本身的充電高峰與微電網(wǎng)日負(fù)荷曲線負(fù)荷高峰時(shí)段基本重疊，通過(guò)蒙特卡羅法構(gòu)造的概率模型發(fā)現(xiàn)，這將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的峰谷差明顯加劇。而通過(guò)充放電控制策略對(duì)電動(dòng)汽車充放電行為進(jìn)行一定約束，可以有效降低系統(tǒng)的峰谷差，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。在電動(dòng)汽車的有序充放電系統(tǒng)中，車主可以先制定好私人的出行計(jì)劃，然后將計(jì)劃傳送到汽車策略控制中心，最后由控制中心通過(guò)優(yōu)化策略分析，安排電動(dòng)汽車的充放電時(shí)間。從而在保證車主正常出行的前提下，讓電動(dòng)車參與到整個(gè)微電網(wǎng)電能的優(yōu)化配置中來(lái)，在用電高峰期電動(dòng)汽車可及時(shí)向微電網(wǎng)進(jìn)行電能反饋，在用電低峰期時(shí)從微電網(wǎng)補(bǔ)充電能做儲(chǔ)能吸收，并在交互的過(guò)程中獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益。

圖1

4.1 電動(dòng)汽車電池的荷電狀態(tài)SOC 可用如下公式表示：

S為日行駛公里數(shù)；W100為百公里耗電量；C為電池總?cè)萘俊?/p>

電動(dòng)汽車有序充放電策略選擇在實(shí)時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼機(jī)制激勵(lì)車主將電動(dòng)汽車納入分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。在對(duì)微電網(wǎng)日負(fù)荷曲線分析的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)用電量分為三類時(shí)段：用電高峰、用電低峰、普通時(shí)段。用電高峰期實(shí)時(shí)購(gòu)（賣）電單價(jià)最高，用電低峰期實(shí)時(shí)購(gòu)（賣）電單價(jià)最低，普通時(shí)段購(gòu)（賣）電單價(jià)居中。同時(shí)，選取電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)SOC 最大值為0.75，最小值取0.25，兩個(gè)閾值結(jié)合微電網(wǎng)工作時(shí)段，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的有序充放電控制，使電車用戶實(shí)現(xiàn)正向盈余。其具體策略如下表1 所示。

表1

4.2 微電網(wǎng)運(yùn)行成本分析

基于上述分時(shí)電價(jià)下電動(dòng)汽車接入微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略可知，電動(dòng)汽車在微電網(wǎng)中的協(xié)調(diào)優(yōu)化應(yīng)首先考慮到電網(wǎng)運(yùn)行的各種成本，應(yīng)以微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性為前提，建立直流微網(wǎng)和電動(dòng)汽車在1 天中運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最小的目標(biāo)函數(shù)。其運(yùn)行成本主要包括以下五個(gè)方面：新能源發(fā)電成本、微電網(wǎng)運(yùn)行成本、分布式儲(chǔ)能器件運(yùn)行成本、電動(dòng)汽車充放電費(fèi)用、微電網(wǎng)與主網(wǎng)交易成本。

4.2.1 新能源發(fā)電成本Cn（t）

微電網(wǎng)中各類分布式發(fā)電成本主要來(lái)源于以下兩個(gè)方面：風(fēng)力發(fā)電成本和光伏發(fā)電成本，由于風(fēng)電和光伏都屬于自然界的可再生能源，不消耗其它資源，因此可認(rèn)為成本為零，即：

4.2.2 微電網(wǎng)運(yùn)行成本Cw（t）

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，規(guī)模不一，包含發(fā)電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，其中電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的運(yùn)行成本較為固定，發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本與運(yùn)行成本系數(shù)成正比，即：

CD（t）為電力系統(tǒng)維護(hù)成本；CK（t）為控制系統(tǒng)維護(hù)成本；i為發(fā)電類型，ki為對(duì)應(yīng)成本系數(shù)，Pi（t）為發(fā)電系統(tǒng)在t時(shí)刻的發(fā)電功率。

4.2.3 分布式儲(chǔ)能器件運(yùn)行成本Cb（t）

在減小系統(tǒng)波動(dòng)的過(guò)程中，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，目前常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式有蓄電池、超級(jí)電容、氫能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等，由于蓄電池技術(shù)成熟、價(jià)格低廉，是目前微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)所采用的主流儲(chǔ)能方式。然而，受制于蓄電池的生產(chǎn)技術(shù)和工作原理，頻繁的充放電會(huì)造成蓄電池存儲(chǔ)容量的下降，影響儲(chǔ)能系統(tǒng)作用分發(fā)揮。因此，儲(chǔ)能設(shè)備的成本主要為蓄電池的折舊成本，主要與蓄電池的充放次數(shù)和充放電深度有關(guān)，在平時(shí)使用過(guò)程中應(yīng)盡量減少過(guò)充和過(guò)放，其成本表達(dá)式為：

Pb為蓄電池的額定輸出功率；Tmax為蓄電池年最大運(yùn)行時(shí)間；Cbat為蓄電池的成本；R為年利息率；n為電池壽命；Pbat（t）為蓄電池在t 時(shí)刻的瞬時(shí)功率。

4.2.4 電動(dòng)汽車充放電費(fèi)用Cc（t）

電動(dòng)汽車以雙重屬性特征參與到微電網(wǎng)的運(yùn)行中，即負(fù)荷屬性或電源屬性，作為分布式儲(chǔ)能設(shè)備的補(bǔ)充，電動(dòng)汽車的參與無(wú)形中降低了系統(tǒng)的建設(shè)成本，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)電動(dòng)車車主也可以獲得一定的補(bǔ)貼。

A1（t）是可調(diào)度部分電動(dòng)汽車參與微電網(wǎng)調(diào)節(jié)時(shí)，電動(dòng)汽車售電價(jià)格；A2（t）為電動(dòng)汽車充電的平均價(jià)格；Xn為參與售電的電動(dòng)汽車數(shù)量；Pc（t）是t時(shí)刻第n輛汽車的充放電功率。

4.2.5 微電網(wǎng)與外電力網(wǎng)交易成本Ce（t）

考慮到負(fù)載的用電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，本微電網(wǎng)系統(tǒng)可分別工作于并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下，如前所述，在孤島模式下電能主要來(lái)源于風(fēng)力和光伏，而接入外部大電網(wǎng)后，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)電力盈余或缺額時(shí)可與外部電力網(wǎng)進(jìn)行能源交互，實(shí)現(xiàn)出售或購(gòu)買部分電量。其交易成本可表示為：

其中，CIN（t）為t 時(shí)間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格，PIN（t）為t 時(shí)間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的購(gòu)買電量；COUT（t）為t時(shí)間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的售電價(jià)格，PIN（t）為t 時(shí)間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的出售電量。

綜合以上各成本因素，以微電網(wǎng)和電動(dòng)汽車的綜合維護(hù)費(fèi)用最低為目標(biāo)而建立的函數(shù)關(guān)系如下所示：