CN105826934A - 一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法，包括：设置用户需求参数；识别电动汽车充放电控制参数；计算初始充电功率；识别电力系统实时频率f，通过与目标值进行比较，获得系统实时频率偏差Δf；构建充放电可行域，确定电动汽车充放电曲线位置；获取充放电功率P。该方法以电力系统的频率信号为输入信号，协同传统调频方式参与电力系统的频率调节；最大限度利用电动汽车参与系统需求侧响应，从而有效提升区域功率供需动态平衡能力。

Description

一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法

技术领域

本发明属于电力系统需求响应精细化控制技术领域，尤其涉及一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法。

背景技术

可再生能源发电的规模不断扩大，为电力系统提供了大量的清洁能源，缓解了环境压力，促进了经济社会的可持续发展。然而，从电力系统的供需平衡的角度，可再生能源具有间歇性的特点，大规模可再生能源的并网给电力系统稳定性带来了巨大的挑战。可再生能源的不稳定性既会增加系统的备用容量，增大了系统的运行成本，同时也会对电能质量产生很大的负面影响，如电网供电供需平衡更加困难，即频率更加难以维持稳定。

传统的调峰调频手段配合储能系统，是目前常用的调节方法。储能装置在风电场和光伏发电系统都得到了广泛的应用，是新能源发电必须配备的辅助调节手段，也起到了一定的效果。然而，传统的调节手段不能有效地应对可再生能源并网带来的系统运行不稳定问题，而储能装置成本高、容量小的问题又在现阶段难以解决。因此，为确保可再生能源并网后系统的安全稳定运行，就必须有更加灵活有效的频率控制手段。

大规模电动汽车的并网既是挑战也是机遇。一方面，电动汽车充电具有随机性，这种无序充电行为可能会产生新的负荷高峰，甚至与已有负荷高峰重合，设想数以百万计的电动汽车在结束一天的行程后，恰好在晚负荷高峰期几乎同时开始充电，将会对系统形成明显的冲击；另一方面，随着电力电子和控制技术的发展，电动汽车在vehicle-to-grid(中文全称)(V2G)环境下可看成是一种移动分布式储能系统，在需要时通过电力电子接口实现向系统的快速充放电，辅助系统优化运行，是一种维护系统稳定运行的潜在可控资源，特别适合参与大规模间歇性新能源并网环境下电力系统的快时间尺度动态调频。

分散式控制策略是指电动汽车单体依据电网发布的频率、电价等信号进行充放电自管理，为电网提供辅助调频服务。分散式控制策略的优势在于免去了复杂的优化过程，响应速度快且投资成本低，适合于快速的电力系统动态调频。

在已有的国内外研究成果当中，电动汽车频率控制策略分为集中式控制策略和分散式控制策略。集中式控制策略是通过引入中间管理机构(如能效电厂等)将地理上分散的电动汽车组建为集群，并按照电网的需求进行统一优化调度管理，以实现整体控制效果最优，其缺点在于不能充分考虑用户差异化需求，同时需要依托于复杂的通信系统，响应速度较慢，投资成本较高。

发明内容

为了弥补上述缺陷，本发明提出一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法，有效利用需求侧电动汽车负荷的储能潜力为区域电力系统提供动态供需平衡与调频服务，从而提升区域功率供需动态平衡能力。

本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法，所述方法包括：

(1)设置用户需求参数；

(2)识别电动汽车充放电控制参数；

(3)计算初始充电功率；

(4)识别电力系统实时频率f，通过与目标值进行比较，获得系统实时频率偏差Δf；

(5)构建充放电可行域，确定电动汽车充放电曲线位置；

(6)获取充放电功率P。

优选的，所述步骤(1)中，设置用户需求参数，包括设置电动汽车充电初始时间t_s、电动汽车预计出行时间t_e，和电动汽车充电目标值SoC_target；以及，

设置以防止过度放电为目标的最小荷电状态SoC_min，设置以防止过度充电为目标的最大荷电状态SoC_max。

优选的，所述步骤(2)中，电动汽车充放电控制参数，包括车载电池实时荷电状态SoC(t)；车载电池可接受最大充电功率P_max和车载电池容量E。

优选的，所述步骤(3)中，计算初始充电功率P₀的表达式如下式所示：

$P_0=\frac{{\mathrm{SoC}}_{t\arg et}-{\mathrm{SoC}}_{\min }}{t_e-t_s}\×E.$

优选的，所述步骤(5)中，构建充放电可行域的方法包括：

从步骤(2)和(3)中获得参数t_s，t_e，SoC_min，SoC_max，P_max构建电动汽车充放电可行域；该可行域利用直角坐标系进行描述；其中，横轴为时间，纵轴为车载电池SoC值；该直角坐标系下，通过充放电曲线描述电动汽车SoC值随时间变化情况，判断是否已到达预设充电时间，若未到达，则返回步骤(4)；若到达，则充电结束。

进一步地，所述充放电可行域由上边界、下边界、左边界、右边界和强制充电边界五个边界围成；其中，

上边界描述如式(1)所示：

SoC＝SoC_max(1)

下边界描述如式(2)所示：

SoC＝SoC_min(2)

左边界描述如式(3)所示：

t＝t_s(3)

右边界描述如式(4)所示：

t＝t_e(4)

强制充电边界描述如式(5)所示：

$SoC\left(t\right)={\mathrm{SoC}}_{t\arg et}-\frac{(t_e-t)\×P_{max}}{E}---\left(5\right);$

根据式(1)-式(5)确定充放电曲线位置包括：若当前t时刻满足SoC(t)＝SoC_max，则充放电曲线位于上边界；若当前t时刻满足SoC(t)＝SoC_min，则充放电曲线位于下边界；若当前t时刻满足则充放电曲线位于强制充电边界；若以上均不满足，则充放电曲线位于充放电可行域内。

进一步地，所述步骤(6)充放电功率P的获取过程包括：

首先，设置控制死区[-Δf_db,Δf_db]以及k₊和k_-数值；其中，k₊为系统频率增加时用户增加充电功率的参与度，k_-为系统频率降低时用户减少充电功率或增大反供电功率的参与度；-Δf_db和Δf_db分别为系统实时频率偏差的下限值和上限值；

若系统实时频率偏差Δf∈[-Δf_db,Δf_db]，则P＝P₀；若Δf>Δf_db，则P＝P₀+k₊×Δf；若P>P_max，则P＝P_max；若Δf<Δf_db，则P＝P₀+k_-×Δf；若P<P_min，则P＝P_min；其中，P₀、P_max和P_min分别为车载电池的初始充电功率、可接受最大充和最小充电功率P_min；

其次，根据上边界、下边界、强制充电边界约束对P进行修正；若充放电曲线位于上边界且P>0，则将P置0；若充放电曲线位于下边界且P<0，则将P置0；若充放电曲线位于强制充电边界，则设定P＝P_max。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提出一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法，该方法能够在电动汽车停靠时间段内，最大限度利用电动汽车参与系统需求侧响应。

在电动汽车将逐步取代传统的燃油汽车成为未来的发展趋势的情况下，利用电动汽车为电力系统提供辅助调频服务，在原有电动汽车充电模型基础上装有可控参与度的电力系统辅助频率控制器；该控制器内部采用分散控制策略，节约了集中控制充电站的建设成本，同时仅采集系统频率信号作为输入信号，无需通信系统的支持。

根据电网功率需求，控制电池充放电。在控制过程中，引入强制充电边界，保证电动汽车出行时刻电池电量满足用户出行需求、电池保养需求和充电需求；在参与系统频率响应的同时，充分考虑电动汽车车主的用车需求，避免传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题。

一方面，电动汽车的无序充电可能与已有负荷高峰重合，对电力系统产生冲击；另一方面基于电力电子的V2G技术可以使得电动汽车成为一种潜在的可控资源辅助系统优化运行。有效应对能源和环境的危机，大大提升了区域电力系统供需动态平衡能力。

在充分考虑电动汽车的特性和用户需求的基础上，构建电动汽车充放电可行域，设计基于可行域的电动汽车动态调频控制方法，可以实现电动汽车辅助电力系统动态调频，同时实现电动汽车用户的最大化收益，实现多方共赢。

附图说明

图1基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法流程图；

图2为频率下垂控制示意图；

图3为充放电可行域示意图；

图4为实施例中提供的电网频率测试系统示意图；

图5为实施例中提供的频率控制效果示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

为了应对大规模新能源并网给电力系统造成的有功供需不平衡问题，在电动汽车日益普及的环境下，V2G技术能够利用电动汽车作为需求侧响应负荷为电力系统提供辅助服务。

频率是反映电力系统有功平衡的指标。当发电厂有功出力大于有功负荷时，系统频率升高；当发电厂有功出力小于有功负荷时，系统频率降低，频率偏差有可能会危及到电力系统的稳定运行。而电动汽车作为一种典型的柔性负荷，能够以系统频率信号作为输入信号调整充放电功率，支撑电力系统频率稳定。

本发明提出一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法，将电动汽车参与系统，即在原有电动汽车充电模型基础上装有可控参与度的电力系统辅助频率控制器；以系统频率f以及参与度k为输入量，通过调整电动汽车电池的状态(充电/放电/闲置)，控制电动汽车参与系统频率响应。

该控制器内部采用分散控制策略，从而节约集中控制充电站的建设成本。此外，仅采集系统频率信号作为输入信号，无需通信系统的支持。在参与系统频率响应的同时，充分考虑电动汽车车主的用车需求，避免传统频率控制过程中易出现的系统“二次扰动”问题。

根据电网功率需求，控制电池充放电。在控制过程中：首先考虑用户的出行时间需求，仅在电动汽车停靠时间段内对其进行充放电控制；其次，避免由于过度充电和过度放电造成的电池损耗；最后，引入强制充电边界，保证在用户预设出行时刻车载电池电量达到用户预设需求值。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

首先根据系统频率f以及参与度k动态确定频率控制器的工作模式,并计算电动汽车SoC可接受区间(SoCmin,SoCmax)；其次根据电动汽车荷电状态SoC确定电池的充放电状态。

如图1所示，其方法的具体步骤包括：

(1)设置用户需求参数；包括：将电动汽车接入时间设置为电动汽车充电初始时间t_s；将电动汽车预计出行时间设为t_e，电动汽车充电目标值设为SoC_target；以及，

设置以防止过度放电为目标的最小荷电状态SoC_min，一般设为20％；设置以防止过度充电为目标的最大荷电状态SoC_max，一般设为90％；

(2)识别电动汽车充放电控制参数；包括车载电池实时荷电状态SoC(t)；车载电池可接受最大充电功率P_max和车载电池容量E。

(3)计算初始充电功率P₀的表达式如下式所示：

$P_0=\frac{{\mathrm{SoC}}_{t\arg et}-{\mathrm{SoC}}_{\min }}{t_e-t_s}\&times;E.$

(4)识别电力系统实时频率f，通过与目标值进行比较，获得系统实时频率偏差Δf；

(5)构建充放电可行域，如图3所示，确定电动汽车充放电曲线位置；

步骤(5)中，构建充放电可行域的方法包括：

从步骤(2)和(3)中获得参数t_s，t_e，SoC_min，SoC_max，P_max构建电动汽车充放电可行域；该可行域利用直角坐标系进行描述；其中，横轴为时间，纵轴为车载电池SoC值；该直角坐标系下，通过充放电曲线描述电动汽车SoC值随时间变化情况，判断是否已到达预设充电时间，若未到达，则返回步骤(4)；若到达，则充电结束。

充放电可行域由上边界、下边界、左边界、右边界和强制充电边界五个边界围成；其中，上边界描述如式(1)所示：

SoC＝SoC_max(1)

下边界描述如式(2)所示：

SoC＝SoC_min(2)

左边界描述如式(3)所示：

t＝t_s(3)

右边界描述如式(4)所示：

t＝t_e(4)

强制充电边界描述如式(5)所示：

$SoC\left(t\right)={\mathrm{SoC}}_{t\arg et}-\frac{(t_e-t)\&times;P_{max}}{E}---\left(5\right);$

根据式(1)-式(5)确定充放电曲线位置包括：若当前t时刻满足SoC(t)＝SoC_max，则充放电曲线位于上边界；若当前t时刻满足SoC(t)＝SoC_min，则充放电曲线位于下边界；若当前t时刻满足则充放电曲线位于强制充电边界；若以上均不满足，则充放电曲线位于充放电可行域内。

(6)根据下垂控制策略计算充放电功率P；如图2所示，

首先，计算充放电功率设置控制死区[-Δf_db,Δf_db]以及k₊和k_-数值；其中，k₊为系统频率增加时用户增加充电功率的参与度，k_-为系统频率降低时用户减少充电功率或增大反供电功率的参与度；-Δf_db和Δf_db分别为系统实时频率偏差的下限值和上限值；

若Δf∈[-Δf_db,Δf_db]，则P＝P₀；若Δf>Δf_db，则P＝P₀+k₊×Δf；若P>P_max，则P＝P_max；若Δf<Δf_db，则P＝P₀+k_-×Δf；若P<P_min，则P＝P_min；其中，P₀、P_max和P_min分别为车载电池的初始充电功率、可接受最大充和最小充电功率P_min；

其次，根据上边界、下边界、强制充电边界约束对P进行修正；若充放电曲线位于上边界且P>0，则将P置0；若充放电曲线位于下边界且P<0，则将P置0；若充放电曲线位于强制充电边界，则设定P＝P_max。

实施例：下面结合附图4对大电网测试系统进行描述：本发明利用简化的电力系统频率控制模型进行对方法的有效性进行测试。测试系统中设置10万台电动汽车，其中5万台采用V1G控制模式，5万台采用V2G控制模式。以风力发电为例，模拟大规模风电并网给电力系统带来的频率不稳定现象。

下面结合附图5对本发明的控制效果进行描述：通过图5可见，在大规模风电并网环境下，电力系统出现频率不稳定现象。在对电动汽车进行频率响应控制后，电力系统频率波动明显减小。可见，本发明所提控制策略能够有效抑制电力系统频率偏差，利用电动汽车为电力系统提供辅助调频服务。

在对电动汽车进行充放电控制后，其正常充电过程可能会受到影响。本发明在充放电控制过程中引入强制充电边界，保证在用户出行时刻电池电量满足用户出行需求。10万辆电动汽车出行时刻的SoC值均在70％以上，不存在出行时刻SoC值不满足用户出行需求的问题。

综上所述，本发明所提方法能够有效利用电动汽车负荷为电力系统提供辅助调频服务，同时在控制过程中保证用户充电需求不受影响。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术策略而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于可行域的电动汽车辅助调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)设置用户需求参数；

(2)识别电动汽车充放电控制参数；

(3)计算初始充电功率；

(4)识别电力系统实时频率f，通过与目标值进行比较，获得系统实时频率偏差Δf；

(5)构建充放电可行域，确定电动汽车充放电曲线位置；

(6)获取充放电功率P。

2.根据权利要求1所述的电动汽车辅助调频控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，设置用户需求参数，包括设置电动汽车充电初始时间t_s、电动汽车预计出行时间t_e，和电动汽车充电目标值SoC_target；以及，

设置以防止过度放电为目标的最小荷电状态SoC_min，设置以防止过度充电为目标的最大荷电状态SoC_max。

3.根据权利要求1所述的电动汽车辅助调频控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，电动汽车充放电控制参数，包括车载电池实时荷电状态SoC(t)；车载电池可接受最大充电功率P_max和车载电池容量E。

4.根据权利要求1-3所述的电动汽车辅助调频控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，计算初始充电功率P₀的表达式如下式所示：

$P_0=\frac{{\mathrm{SoC}}_{t\arg et}-{\mathrm{SoC}}_{\min }}{t_e-t_s}\&times;E.$

5.根据权利要求1所述的电动汽车辅助调频控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，构建充放电可行域的方法包括：

从步骤(2)和(3)中获得参数t_s，t_e，SoC_min，SoC_max，P_max构建电动汽车充放电可行域；该可行域利用直角坐标系进行描述；其中，横轴为时间，纵轴为车载电池SoC值；该直角坐标系下，通过充放电曲线描述电动汽车SoC值随时间变化情况，判断是否已到达预设充电时间，若未到达，则返回步骤(4)；若到达，则充电结束。

6.根据权利要求2、3或5所述的电动汽车辅助调频控制方法，其特征在于，所述充放电可行域由上边界、下边界、左边界、右边界和强制充电边界五个边界围成；其中，

上边界描述如式(1)所示：

SoC＝SoC_max(1)

下边界描述如式(2)所示：

SoC＝SoC_min(2)

左边界描述如式(3)所示：

t＝t_s(3)

右边界描述如式(4)所示：

t＝t_e(4)

强制充电边界描述如式(5)所示：

$SoC\left(t\right)={\mathrm{SoC}}_{t\arg et}-\frac{(t_e-t)\&times;P_{max}}{E}---\left(5\right);$

根据式(1)-式(5)确定充放电曲线位置包括：若当前t时刻满足SoC(t)＝SoC_max，则充放电曲线位于上边界；若当前t时刻满足SoC(t)＝SoC_min，则充放电曲线位于下边界；若当前t时刻满足则充放电曲线位于强制充电边界；若以上均不满足，则充放电曲线位于充放电可行域内。

7.根据权利要求4所述的电动汽车辅助调频控制方法，其特征在于，所述步骤(6)充放电功率P的获取过程包括：

首先，设置控制死区[-Δf_db,Δf_db]以及k₊和k_-数值；其中，k₊为系统频率增加时用户增加充电功率的参与度，k_-为系统频率降低时用户减少充电功率或增大反供电功率的参与度；-Δf_db和Δf_db分别为系统实时频率偏差的下限值和上限值；

若系统实时频率偏差Δf∈[-Δf_db,Δf_db]，则P＝P₀；若Δf>Δf_db，则P＝P₀+k₊×Δf；若P>P_max，则P＝P_max；若Δf<Δf_db，则P＝P₀+k_-×Δf；若P<P_min，则P＝P_min；其中，P₀、P_max和P_min分别为车载电池的初始充电功率、可接受最大充和最小充电功率P_min；

其次，根据上边界、下边界、强制充电边界约束对P进行修正；若充放电曲线位于上边界且P>0，则将P置0；若充放电曲线位于下边界且P<0，则将P置0；若充放电曲线位于强制充电边界，则设定P＝P_max。