CN104078978B - 一种面向智能电网的电动汽车入网一次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向智能电网的电动汽车入网一次调频控制方法，其步骤包括：检测电动汽车是否接入电网；交互接口获取电动汽车电池初始荷电状态、用户充电需求和期望离开时间；“V2G控制”模块判断电动汽车是否需要进行能量补给；如需要，在“V2G控制”模块中，控制策略由计划充电和频率下垂控制组成；制定计划充电控制方案；同时，制定频率下垂控制方案；如果电池能量小于期望荷电状态，继续进行能量补给；否则，进行第六步骤；如无需进行能量补给，在“V2G控制”模块中，实现电网频率自适应下垂控制。本发明利用电动汽车快速调节与响应特性，运用数学建模方法，在满足电动汽车用户用车需求的同时，抑制电网频率波动，提高电网频率质量。

Description

一种面向智能电网的电动汽车入网一次调频控制方法

技术领域

本发明属于智能电网技术领域，具体涉及一种面向智能电网的电动汽车分散入网参与电网一次频率调节的控制方法。

背景技术

能源危机和环境污染的双重压力促使了电动汽车产业日益发展，电动汽车将日益普及。规模化电动汽车入网将为电力工业发展带来新的发展机遇，为电网提供各种辅助服务。特别地，电动汽车参与电网频率调节被视为最有应用前景的辅助服务之一。

电力系统频率调节的目的是抑制电网频率波动，以提高电网频率质量，而电网频率波动源于电力供需不匹配。通常，传统发电机实时调节其输出功率，匹配电力负荷变化。与传统发电机组相比，电动汽车具有快速的调节特性和响应速度，具备参与电网频率调节的天然优势，而电动汽车作为交通工具，用户用车需求是首要目标。

因此，如何在满足电动汽车用户充电需求的同时抑制电网频率波动，提高电网频率质量，促进电动汽车与电网互动技术的发展，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是：利用电动汽车快速调节与响应特性，运用数学建模方法，提出电动汽车参与电网一次频率调节的控制方法，在满足电动汽车用户用车需求的同时，抑制电网频率波动，提高电网频率质量。

针对上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种面向智能电网的电动汽车入网一次调频控制方法，该方法包含以下步骤：

步骤1：检测电动汽车是否接入电网，如果接入电网则执行步骤2，否则电动汽车离开/未接入电网，不能参与电网频率调节；

步骤2：交互接口通过车载终端，获取电动汽车电池荷电状态、用户充电需求和期望离开时间；

步骤3：基于车载终端上传的用户充电需求数据，交互接口的“V2G控制”模块判断电动汽车是否需求进行能量补给；

步骤4：如果用户电池需要进行能量补给，在“V2G控制”模块中，控制策略由计划充电和频率下垂控制组成；根据用户充电需求和期望离开时间，以及车载终端上传的电池实时荷电状态，制定计划充电控制方案；同时，基于“频率检测”模块实时上传的电网频率偏移信息，制定频率下垂控制方案，抑制电网频率波动；

步骤5：如果电池荷电状态小于期望荷电状态，电动汽车继续进行能量补给，重复步骤4；否则，如果电池荷电状态达到期望荷电状态，进行步骤6；

步骤6：如果电动汽车电池无需进行能量补给，在“V2G控制”模块中，基于车载终端上传的实时电池荷电状态，提出自适应下垂系统计算方法，并结合“频率检测”模块实时上传的电网频率偏移信息，控制“充/放电机”，对电动汽车进行充/放电控制，实现电网频率自适应下垂控制；

步骤7：执行步骤1，判断电动汽车用户是否离开电网。

进一步，维持电池荷电状态的频率下垂控制结构可描述为：当电网频率偏移超过规定的死区时，自适应下垂控制器根据电网频率偏移，制定电动汽车充/放电功率。所述自适应下垂控制器的控制方法如下：

当时：

当时；

当时：

当时：

在上述公式中：为第k时刻电动汽车电池的荷电状态；为电动汽车允许最小荷电状态；为电动汽车允许最大荷电状态；为用户期望荷电状态；为最大充/放电下垂系数；为电动汽车最大充/放电功率；为第k时刻充电下垂系数；第k时刻放电下垂系数。

进一步，所述电动汽车实现计划充电的频率下垂控制结构可描述为：计划充电的频率下垂控制由“计划充电控制”和“频率下垂控制”两部分组成。“计划充电控制”根据电池实时荷电状态、期望荷电状态和电动汽车离开时间，实时计算电动汽车的计划充电功率，对电动汽车进行能量补给。同时，当电网频率超过规定死区时，通过“频率下垂控制”，抑制电网频率波动。所述电动汽车实现计划充电的频率下垂控制计算方法为：

在上式中：为电动汽车电池额定容量；为第k时刻时间；为用户期望离开时间；为第k时刻电网频率偏移；K为频率下垂控制系数；为第k时刻电动汽车V2G功率；为第k时刻电动汽车进行能量补给的实时计划充电功率；为第k时刻抑制电网频率的V2G功率。

附图说明

图1为电动汽车参与电网一次频率调节的系统框架；

图2为电动汽车参与电网一次频率调节的控制流程图；

图3为维持电池荷电状态的自适应频率下垂控制结构图；

图4为电动汽车实现计划充电的频率下垂控制结构图。

具体实施方式

本发明通过电动汽车用户多时空分布和用户出行行为分析，建立电动汽车入网特征模型和用户充电需求模型，搭建电动汽车参与电网一次频率调节的系统框架。该框架结构包含电动汽车与电网交互接口、电动汽车和用户。交互接口由充/放电机、频率检测和V2G(Vehicle-to-Grid，简称V2G)控制组成。“频率检测”模块负责测量电网频率偏移信息，供“V2G控制”模块作控制决策。“V2G控制”模块根据电网频率信息、电池荷电状态和用户充电需求，制定充/放电决策，并发布控制命令，控制充/放电机，对电动汽车进行充/放电控制。电池管理系统负责管理电池信息，通过车载终端将用户充电需求和电池荷电状态上传给交互接口，以便制定充/放电决策。

在上述方案中，“V2G控制”模块制定充/放电决策的原理是：当电动汽车需要进行能量补给时，电动汽车的充/放电功率由计划充电功率与频率下垂控制组成，计划充电功率用于补给电动汽车能量，频率下垂控制根据电网频率偏移信息，抑制电网频率偏移；当电动汽车电池能量满足用户用车需求时，自适应频率下垂控制根据电池荷电状态和电网频率偏移信息，调整电动汽车充/放电功率，维持电池能量，同时抑制电网频率波动。

结合附图1和附图2，本发明具体实施方式如下：

基于传统燃油汽车分析方法，建立电动汽车分散入网特征模型和用户充电需求模型，并搭建电动汽车参与电网一次频率调节的系统框架，然后执行以下步骤：

步骤1：检测电动汽车是否接入电网，如果接入电网则执行步骤2，否者电动汽车离开/未接入电网，不能参与电网频率调节；

步骤2：交互接口通过车载终端，读取电动汽车电池初始荷电状态、用户充电需求和期望离开时间；

步骤3：基于车载终端上传的用户充电需求数据，交互接口的“V2G控制”模块判断电动汽车是否需求进行能量补给；

步骤4：如果用户电池需要进行能量补给，在“V2G控制”模块中，控制策略由计划充电和频率下垂控制组成。根据用户充电需求和期望离开时间，以及车载终端上传的电池实时荷电状态，制定计划充电控制方案。同时，基于“频率检测”模块实时上传的电网频率偏移信息，制定频率下垂控制方案，抑制电网频率波动；

步骤5：如果电池荷电状态小于期望荷电状态，电动汽车继续进行能量补给，重复步骤4；否者，如果电池荷电状态达到期望荷电状态，进行步骤6；

步骤6：如果电动汽车电池无需进行能量补给，在“V2G控制”模块中，基于车载终端上传的实时电池荷电状态，提出自适应下垂系统计算方法，并结合“频率检测”模块实时上传的电网频率偏移信息，控制“充/放电机”，对电动汽车进行充/放电控制，实现电网频率自适应下垂控制；

步骤7：执行步骤1，判断电动汽车用户是否离开电网。

在“V2G控制”模块中，当用户不需要进行能量补给时（即电池能量能满足用户用车需求），电动汽车在维持电池荷电状态的同时抑制电网频率波动。根据电网频率偏移，电动汽车充/放电控制结构如图3所示，图中，自适应下垂控制器包含自适应充电下垂和放电下垂，其控制规则可描述如下：

当时

当时

当时

当时

在上述式中：为第k时刻电动汽车电池的荷电状态；为电动汽车允许最小荷电状态；为电动汽车允许最大荷电状态；为用户期望荷电状态；为最大充/放电下垂；为电动汽车最大充/放电功率；为第k时刻充电下垂；第k时刻放电下垂。

在“V2G控制”模块中，当电动汽车需要进行能量补给时，电动汽车在参与电网一次频率调节的同时进行能量补给。结合电网频率偏移，电动汽车充/放电控制结构如图4所示，图中，电动汽车实现计划充电的频率下垂控制计算方法为：

在上式中：为电动汽车电池额定容量；为第k时刻时间；为用户期望离开时间；为第k时刻电网频率偏移；K为频率下垂控制系数；为第k时刻电动汽车V2G功率；为第k时刻电动汽车进行能量补给的实时计划充电功率；为第k时刻抑制电网频率的V2G功率。

综上所述，本发明首先基于传统燃油汽车分析方法，建立电动汽车入网分布模型和用户充电需求模型；基于传统发电机组的一次调频控制逻辑，建立了电动汽车参与电网一次频率调节的系统框架；运用数学建模方法，构建了电动汽车充/放电功率与电池荷电状态的联系，并提出电动汽车参与电网一次频率调节的控制结构与控制方法，根据电网频率偏移和电池荷电状态，对电动汽车充/放电功率进行调整。本发明通过控制电动汽车充/放电功率，抑制电网频率波动，提高电网的经济型和可控性，同时完成电动汽车用户的充电需求，满足用户用车需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面向智能电网的电动汽车入网一次调频控制方法，其特征是维持电池荷电状态的频率自适应下垂控制逻辑；当电网频率偏移超过规定死区时，自适应下垂控制器根据电网频率偏移信息，自动校正电动汽车充/放电功率，发布控制命令，通过充/放电机，对电动汽车进行充/放电控制；该方法包含以下步骤：

步骤1：检测电动汽车是否接入电网，如果接入电网则执行步骤2，否则电动汽车离开/未接入电网，不能参与电网频率调节；

步骤2：交互接口通过车载终端，获取电动汽车电池初始荷电状态、用户充电需求和期望离开时间；

步骤3：基于车载终端上传的用户充电需求数据，交互接口的“V2G控制”模块判断电动汽车是否需求进行能量补给；

步骤4：如果用户电池需要进行能量补给，在“V2G控制”模块中，控制策略由计划充电和频率下垂控制组成；根据用户充电需求和期望离开时间，以及车载终端上传的电池实时荷电状态，制定计划充电控制方案；同时，基于“频率检测”模块实时上传的电网频率偏移信息，制定频率下垂控制方案，抑制电网频率波动；

步骤5：如果电池荷电状态小于期望荷电状态，电动汽车继续进行能量补给，重复步骤4；否则，如果电池荷电状态达到期望荷电状态，进行步骤6；

步骤6：如果电动汽车电池无需进行能量补给，在“V2G控制”模块中，基于车载终端上传的实时电池荷电状态，提出自适应下垂系统计算方法，并结合“频率检测”模块实时上传的电网频率偏移信息，控制“充/放电机”，对电动汽车进行充/放电控制，实现电网频率自适应下垂控制；

步骤7：执行步骤1，判断电动汽车用户是否离开电网；

所述自适应下垂控制器的控制方法如下：

当 ${\mathrm{SOC}}_{i,k}\≤{\mathrm{SOC}}_i^{\min }$ 时：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{i,k}^c=K_{max}\\ K_{i,k}^d=0\end{array}\right.$

当 ${\mathrm{SOC}}_{i,k}\≥{\mathrm{SOC}}_i^{\max }$ 时：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{i,k}^c=0\\ K_{i,k}^d=K_{max}\end{array}\right.$

当 ${\mathrm{SOC}}_i^{\min }<{\mathrm{SOC}}_{i,k}\&le;{\mathrm{SOC}}_i^e$ 时：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{i,k}^c=\frac{1}{2}{K}_{\max }\left(1+\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{SOC}}_{i,k}-{\mathrm{SOC}}_i^{\min }}{{\mathrm{SOC}}_i^e-{\mathrm{SOC}}_i^{\min }}\right)}^2}\right)\\ K_{i,k}^d=\frac{1}{2}{K}_{\max }\left(1-\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{SOC}}_{i,k}-{\mathrm{SOC}}_i^{\min }}{{\mathrm{SOC}}_i^e-{\mathrm{SOC}}_i^{\min }}\right)}^2}\right)\end{array}\right.$

当 ${\mathrm{SOC}}_i^e<{\mathrm{SOC}}_{i,k}<{\mathrm{SOC}}_i^{\max }$ 时：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{i,k}^c=\frac{1}{2}{K}_{\max }\left(1-\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{SOC}}_{i,k}-{\mathrm{SOC}}_i^{\max }}{{\mathrm{SOC}}_i^e-{\mathrm{SOC}}_i^{\max }}\right)}^2}\right)\\ K_{i,k}^d=\frac{1}{2}{K}_{\max }\left(1+\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{SOC}}_{i,k}-{\mathrm{SOC}}_i^{\max }}{{\mathrm{SOC}}_i^e-{\mathrm{SOC}}_i^{\max }}\right)}^2}\right)\end{array}\right.$

在上述公式中：SOC_i,k为第k时刻电动汽车电池的荷电状态；为电动汽车允许最小荷电状态；为电动汽车允许最大荷电状态；为用户期望荷电状态；K_max为最大充/放电下垂系数；P_max为电动汽车最大充/放电功率；为第k时刻充电下垂系数；第k时刻放电下垂系数。

2.根据权利要求1所述一种面向智能电网的电动汽车入网一次调频控制方法，其特征是所述电动汽车实现计划充电的频率下垂控制；计划充电的频率下垂控制由“计划充电控制”和“频率下垂控制”两部分组成；“计划充电控制”根据电池实时荷电状态、期望荷电状态和电动汽车离开时间，实时计算电动汽车的计划充电功率，完成充电需求；同时，当电网频率超过规定死区时，通过“频率下垂控制”，抑制电网频率波动。

3.根据权利要求1所述的一种面向智能电网的电动汽车入网一次调频控制方法，其特征是所述电动汽车实现计划充电的频率下垂控制计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{i,k}=P_{i,k}^f+P_{i,k}^c\\ P_{i,k}^f=K\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;f}}_k\\ P_{i,k}^c=({\mathrm{SOC}}_i^e-{\mathrm{SOC}}_{i,k})\&CenterDot;E_i^r/(t_i^{out}-t_k)\end{array}\right.$

在上式中：为电动汽车电池额定容量；t_k为第k时刻时间；为用户期望离开时间；Δf_k为第k时刻电网频率偏移；K为频率下垂控制系数；P_i,k为第k时刻电动汽车V2G功率；为第k时刻电动汽车进行能量补给的实时计划充电功率；为第k时刻抑制电网频率的V2G功率；为用户期望荷电状态；SOC_i,k为第k时刻电动汽车电池的荷电状态。