CN110445150A - 基于电动汽车与温控负荷聚合体响应的频率协调控制方法 - Google Patents

基于电动汽车与温控负荷聚合体响应的频率协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电动汽车与温控负荷聚合体响应的频率协调控制方法,包括下列步骤:识别电力系统的响应需求DP,确定当前在网的可控电动汽车与温控负荷及其工作状态;构建单体电动汽车与热泵的可控域,并计算电动汽车状态标识SOB与热泵状态标识SOT;计算负荷的聚合体参数;计算使参数REV与RHP变为0需要的汽车和热泵总功率改变量DPR0EV与DPR0HP;计算下发至电动汽车的调节信号DPEV与下发至热泵的调节信号DPHP的备选值;检验DPEV和DPHP的备选值是否超出聚合体的频率调节能力范围,若超出则进行修正,确定DPEV和DPHP最终值并发生至电动汽车聚合体与温控负荷聚合体。

Description

基于电动汽车与温控负荷聚合体响应的频率协调控制方法
技术领域
本发明属于可控负荷的需求侧响应控制领域,尤其涉及一种基于电动汽车与温控负荷聚合体响应能力的电力系统频率协调控制方法。
背景技术
近些年来随着新能源技术的不断发展,风力发电、光伏发电等新能源在电网中的渗透率不断上升。通常电网的稳定系统频率限值为50±0.5Hz,然而风电出力的随机性和不确定性会导致电网频率波动,影响系统稳定运行。传统发电厂的自发电控制受机组的爬坡率与高运行成本制约。因此,研究人员建议利用电动汽车和温控负荷等柔性可控负荷来参与电网频率调节。
电动汽车相关技术的迅速发展对于解决空气污染及其他环境问题具有重大意义。通过Vehicle-to-Grid(V2G)技术,电动汽车的频率调节能力得到提升。电动汽车的荷电状态State of Charge(SOC)用来指示电动汽车蓄电池电量,避免电池过充或过放。考虑到单体电动汽车各自的响应能力不同,研究人员提出了利用集中式控制根据汽车电池状态来决定汽车的充电功率。
同样,近些年来随着人们环保意识增强,温控负荷(如热泵)的数量迅速增长。热泵是一种灵活的可调节资源,短时间内改变运行状态不影响用户的使用,其动态热力学过程可以用一种简化等值热力学模型来描述。研究人员开发了一种基于优先级序列的集中式控制方法,根据室内温度来决定热泵的运行状态,使得热泵能够以聚合体的形式参与频率调节。
本发明将用户的电动汽车出行需求及温控负荷的温度需求统称为用户需求。在电动汽车和温控负荷参与频率调节过程中其用户需求必须被满足。由于响应负载的数量以及用户需求等多种因素,仅使用电动汽车或温控负荷的频率控制方法容易出现响应能力不足等问题,同时对可控负荷的过度使用容易导致系统出现二次扰动(如大量负荷同步动作,在用户需求约束下同时调整功耗,出行功率反弹)。因此研究人员对同时利用电动汽车和温控负荷进行频率调节的控制方法展开了研究。电动汽车的频率调节能力和响应速度不同于温控负荷,但两种负荷都可以采用直接控制的方法。对于两种可控负荷的协调控制,需要考虑负荷聚合体响应能力的差异,深入挖掘电动汽车和温控负荷的协调性,增强两种可控负荷的频率调节能力,避免对负荷造成过度使用,进而防止频率出现二次扰动。
发明内容
本发明提出一种基于电动汽车(Electric Vehicles,EVs)和温控负荷(Thermostatically Controlled Appliances,TCAs)的电力系统频率协调控制方法。该控制方法使用热泵(HeatPumps,HPs)作为典型温控负荷来参与频率控制,电动汽车采用V2G技术具有充电、放电与闲置(不充不放)三种功率状态。本发明所提出的频率协调控制方法是在温控负荷聚合体与电动汽车聚合体的可用容量相似的基础上开发的,将两种聚合体视为等效的响应资源,引入了一个称为聚合体状态参数(State ofAggregator,SOA)的参数来描述电动汽车和温控负荷的可用响应容量,并指导频率调节信号的确定。本发明的技术方案如下:
一种基于电动汽车与温控负荷聚合体响应的频率协调控制方法,包括下列步骤:
步骤1:识别电力系统的响应需求DP,确定当前在网的可控电动汽车与温控负荷及其工作状态。
步骤2:构建单体电动汽车与热泵的可控域,并计算电动汽车状态标识SOB与热泵状态标识SOT,方法如下:
第一步,设置电动汽车的充电初始时间tstart,充电结束时间tend,充电目标值SOCtarget,以及电池保养上边界SOCmax与下边界SOCmin,据此构建电动汽车可控域。根据下式计算编号为i的电动汽车状态标识SOBi
i∈SEV,0≤SOBi≤1
其中,SOCi是第i个电动汽车的荷电状态;SEV是可控汽车的集合。
第二步,设置第j个热泵的用户舒适温度上边界与下边界据此构建热泵可控域,根据下式计算编号为j的热泵的状态标识SOTj
j∈SHP,0≤SOTj≤1
其中,是编号为j的热泵的回水温度;SHP是可控热泵的集合。
步骤3:计算负荷的聚合体参数,包括:电动汽车聚合体的状态参数SOAEV,温控负荷聚合体的状态参数SOAHP,SOAEV变化率REV,以及SOAHP变化率RHP,方法如下:
第一步,由下式计算得到SOAEV
i∈SEV,0≤SOAEV≤1
其中,NEV-all是处于可控状态的电动汽车数量。
第二步,由下式计算得到SOAHP
j∈SHP,0≤SOAHP≤1
其中,NHP-all是处于可控状态的热泵数量。
第三步,计算REV
首先需要先根据下式求得单体电动汽车的SOC变化率
其中,是汽车的实时功率;是电动汽车电池的额定容量。
再计算SOAEV变化率REV
第四步,计算RHP
先根据下式求得变化率
其中,t是当前时刻;dt是采样时间间隔;是上次采样时记录下的回水温度。
然后根据下式计算SOAHP变化率RHP
步骤4:计算使参数REV与RHP变为0需要的汽车和热泵总功率改变量DPR0EV与DPR0HP
第一步,计算DPR0EV,包括两种情况:
1)若将REV从正值变为0,需使充电状态的可控汽车按照SOB降序排列的顺序依次切换至闲置状态,切换的汽车数量满足下式约束:
其中,ck是充电状态的可控汽车在按照SOB降序排列成的序列中第k个汽车的编号。
2)若将REV从负值变为0,需使放电状态的可控汽车按照SOB升序排列的顺序依次切换至闲置状态,切换的汽车数量满足下式约束:
其中,dl是放电状态的可控汽车在按照SOB升序排列成的序列中第l个汽车的编号。
DPR0EV可由下式求得:
第二步,计算DPR0HP,包括两种情况:
1)若将RHP从正值变为0,需使开启的可控热泵按照SOT降序的顺序依次关闭,关闭的热泵数量满足下式中约束:
其中,om是开启的可控热泵在按照SOT降序排列成的序列中第m个热泵的编号;是该热泵上一次关闭时记录下的变化速率。
2)若将RHP从负值变为0,需使关闭的可控热泵按照SOT升序的顺序依次开启,开启热泵数量满足下式中约束:
其中,fn是关闭的可控热泵在按照SOT升序排列成的序列中第n个热泵的编号;是该热泵上一次开启时记录下的变化速率。
DPR0HP由下式求得:
步骤5:计算下发至电动汽车的调节信号DPEV与下发至热泵的调节信号DPHP的备选值;
第一步,计算DP减去DPR0EV与DPR0HP之和后的差值(DPrest):
DPrest=DP-(DPR0EV+DPR0HP)
第二步,计算得到DPEV和DPHP备选值,包括多种情况:
1)当DPrest=0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
2)当DPrest>0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
If(DPrest>0)&(SOAEV>SOAHP),
If(DPrest>0)&(SOAEV<SOAHP),
3)当DPrest<0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
If(DPrest<0)&(SOAEV>SOAHP),
If(DPrest<0)&(SOAEV<SOAHP),
步骤6:检验DPEV和DPHP的备选值是否超出聚合体的频率调节能力范围,若超出则进行修正,确定DPEV和DPHP最终值并发生至电动汽车聚合体与温控负荷聚合体。
第一步,CEV-up与CEV-down分别是电动汽车聚合体的总功率上调裕度与总功率下调裕度,比较DPEV与CEV-up、CEV-down的大小关系,该步骤包括多种情况:
1)如果DPEV≥CEV-up,则使得DPEV和DPHP的备选值变为:
2)如果DPEV<CEV-down,则使得DPEV和DPHP的备选值变为:
第二步,CHP-up与CHP-down分别是温控负荷聚合体的总功率上调裕度与总功率下调裕度,比较DPHP与CHP-up、CHP-down的大小关系,确定DPEV和DPHP的最终值,该步骤包括多种情况:
1)如果DPHP≥CHP-up,则使得DPEV和DPHP的值变为:
2)如果DPHP<CHP-down,则使得DPEV和DPHP的值变为:
最终保证DPEV∈[CEV-down,CEV-up],DPHP∈[CHP-down,CHP-up]。
步骤7:电动汽车聚合体根据排序算法改变特定电动汽车的工作状态以响应DPEV;温控负荷聚合体根据状态序列模型改变特定热泵的工作状态以响应DPHP
电动汽车聚合体响应DPEV,包括两种情况:
1)DPEV小于0时,将正在充电的可控汽车按照SOB降序的顺序依次切换至闲置状态直到达到要求;若上述汽车都已切换完毕仍不能满足调频需求,将所有闲置的可控汽车按照SOB由高到低依次切换至放电状态,直到功率改变量响应DPEV
2)DPEV大于0时,将放电的可控汽车按照SOB升序的顺序依次切换至闲置状态直到满足要求;若所有放电可控汽车都已切换到闲置状态而仍不能满足调频需求,将闲置的可控汽车按SOB由低到高依次切换至充电状态,直到功率改变量响应DPEV
状态序列模型控制热泵响应DPHP,分两种情况:
1)当DPHP小于0时,开启的可控热泵按照SOT降序的顺序依次关闭,直到满足功率响应要求。
2)当DPHP大于0时,关闭的可控热泵按照SOT升序的顺序依次开启,直到功率改变量等于DPEV
综上所述,本发明不仅能在满足用户需求的条件下抑制电网频率的波动,而且能避免对系统频率的二次扰动。
附图说明
图1控制方法运行框架;
图2电动汽车单体可控域;
图3热泵单体可控域;
图4电动汽车排序算法示意图;
图5温控负荷状态序列模型示意图;
图6检验信号是否满足调频需求流程图;
图7简化的电力系统模型;
图8风电出力曲线;
图9频率仿真结果;
图10热泵温度变化曲线;
图11各电动汽车拔出电网时的SOC。
具体实施方式
本发明采用如图7所示的基于MATLAB/Simulink的简化电力系统模型来模拟本发明参与电网动态调频时的控制效果,模型参数见表1。模型中包含了1000辆电动汽车和1000个热泵,负荷参数见表2。风电出力曲线如图8所示。仿真时间1440分钟,仿真步长为1分钟。
表1模型参数
表2负荷参数
频率控制器根据聚合体响应能力下发频率控制信号进行控制,使电动汽车与温控负荷协调地参与频率控制。具体步骤如下:
步骤1:识别电力系统的响应需求DP,确定当前在网的可控电动汽车与温控负荷及其工作状态。
步骤2:构建单体电动汽车与热泵的可控域,并计算电动汽车状态标识(State ofBattery,SOB)与热泵状态标识(State of Temperature,SOT)。
步骤3:计算负荷的聚合体参数,包括电动汽车聚合体的状态参数(SOAEV),温控负荷聚合体的状态参数(SOAHP)、SOAEV变化率(REV)与SOAHP变化率(RHP);
步骤4:计算使参数REV与RHP变为0需要的汽车和热泵总功率改变量(DPR0EV与DPR0HP);
步骤5:计算下发至电动汽车的调节信号DPEV与下发至热泵的调节信号DPHP的备选值;
步骤6:需按照图6所示流程检验DPEV和DPHP的备选值是否超出了聚合体的频率调节能力范围,若超出则进行修正,确定DPEV和DPHP最终值并发生至电动汽车聚合体与温控负荷聚合体。其中,CEV-up与CEV-down分别是电动汽车聚合体的总功率上调裕度与总功率下调裕度;CHP-up与CHP-down分别是温控负荷聚合体的总功率上调裕度与总功率下调裕度。
步骤7:电动汽车聚合体按图4所示的排序算法改变电动汽车运行状态并响应DPEV;温控负荷聚合体按图5所示的状态序列模型改变热泵状态并响应DPHP
步骤8:判断仿真是否结束,若未结束返回步骤1。
进一步讲,实现上述步骤2的构建电动汽车与温控负荷的可控域,并计算状态标识SOB与SOT,包括以下步骤:
设置电动汽车的充电初始时间tstart,充电结束时间tend,充电目标值SOCtarget,以及电池保养上边界SOCmax与下边界SOCmin,据此构建电动汽车可控域如图2所示。根据下式计算编号为i的电动汽车状态标识SOBi
i∈SEV,0≤SOBi≤1
其中,SOCi是第i个电动汽车的荷电状态;SEV是可控汽车的集合。
设置第j个热泵的用户舒适温度上边界与下边界据此构建热泵可控域如图3所示。根据下式计算编号为j的热泵的状态标识SOTj
j∈SHP,0≤SOTj≤1
其中,是编号为j的热泵的回水温度;SHP是可控热泵的集合。
进一步讲,实现上述步骤3的计算聚合体参数包括以下步骤:
SOAEV由下式计算得到。
i∈SEV,0≤SOAEV≤1
其中,NEV-all是处于可控状态的电动汽车数量。
SOAHP由下式计算得到。
j∈SHP,0≤SOAHP≤1
其中,NHP-all是处于可控状态的热泵数量。
计算REV需要先根据下式求得单体电动汽车的SOC变化率
其中,是汽车的实时功率;是电动汽车电池的额定容量。
再计算SOAEV变化率REV
计算RHP需要先根据下式求得变化率
其中,t是当前时刻;dt是采样时间间隔;是上次采样时记录下的回水温度。
然后根据下式计算SOAHP变化率RHP
进一步讲,实现上述步骤4的计算DPR0EV与DPR0HP,包括以下步骤:
对于电动汽车,通过使充电状态的可控汽车按照SOB降序排列的顺序依次切换至闲置状态将REV从正值变为0,切换的汽车数量满足下式约束。
其中,ck是充电状态的可控汽车在按照SOB降序排列成的序列中第k个汽车的编号。
若将REV从负值变为0,需使放电状态的可控汽车按照SOB升序排列的顺序依次切换至闲置状态,切换的汽车数量满足下式约束。
其中,dl是放电状态的可控汽车在按照SOB升序排列成的序列中第l个汽车的编号。
因此DPR0EV可由下式求得。
对于温控负荷聚合体,通过使开启的可控热泵按照SOT降序的顺序依次关闭将RHP从正值变为0,关闭的热泵数量满足下式中约束。
其中,om是开启的可控热泵在按照SOT降序排列成的序列中第m个热泵的编号;是该热泵上一次关闭时记录下的变化速率。
若将RHP从负值变为0,需使关闭的可控热泵按照SOT升序的顺序依次开启,开启热泵数量满足下式中约束。
其中,fn是关闭的可控热泵在按照SOT升序排列成的序列中第n个热泵的编号;是该热泵上一次开启时记录下的变化速率。
DPR0HP可由下式求得。
进一步讲,实现上述步骤5中计算DPEV和DPHP的备选值,包括以下步骤:
首先计算DP减去DPR0EV与DPR0HP之和后的差值(DPrest)如下式所示。
DPrest=DP-(DPR0EV+DPR0HP)
当DPrest=0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
当DPrest>0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
If(DPrest>0)&(SOAEV>SOAHP),
If(DPrest>0)&(SOAEV<SOAHP),
当DPrest<0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
If(DPrest<0)&(SOAEV>SOAHP),
If(DPrest<0)&(SOAEV<SOAHP),
进一步讲,实现上述步骤7的负荷聚合体响应频率调节信号,包括以下步骤:
电动汽车聚合体响应DPEV应用如图4所示的排序算法:DPEV小于0时,将正在充电的可控汽车按照SOB降序的顺序依次切换至闲置状态直到达到要求;若上述汽车都已切换完毕仍不能满足调频需求,将所有闲置的可控汽车按照SOB由高到低依次切换至放电状态,直到功率改变量响应DPEV
当DPEV大于0时,将放电的可控汽车按照SOB升序的顺序依次切换至闲置状态直到满足要求;若所有放电可控汽车都已切换到闲置状态而仍不能满足调频需求,将闲置的可控汽车按SOB由低到高依次切换至充电状态,直到功率改变量响应DPEV
如图5所示,状态序列模型控制热泵响应DPHP:当DPHP小于0时,开启的可控热泵按照SOT降序的顺序依次关闭,直到满足功率响应要求。当DPHP大于0时,关闭的可控热泵按照SOT升序的顺序依次开启,直到功率改变量等于DPEV
频率仿真结果如图9所示,在含义大规模风电的电网环境下,本发明所提的控制方法能够有效抑制电力系统频率波动在50±0.5Hz的安全范围内。
图10显示了热泵一天内的温度变化曲线,热泵的温度始终处于范围内,满足了用户温度需求。此外如图11所示,当电动汽车来开电网时,其SOC值都介于[0.8,0.9]之间,满足电动汽车用户的出行需求。

Claims (1)

1.一种基于电动汽车与温控负荷聚合体响应的频率协调控制方法,包括下列步骤:
步骤1:识别电力系统的响应需求DP,确定当前在网的可控电动汽车与温控负荷及其工作状态;
步骤2:构建单体电动汽车与热泵的可控域,并计算电动汽车状态标识SOB与热泵状态标识SOT,方法如下:
第一步,设置电动汽车的充电初始时间tstart,充电结束时间tend,充电目标值SOCtarget,以及电池保养上边界SOCmax与下边界SOCmin,据此构建电动汽车可控域;根据下式计算编号为i的电动汽车状态标识SOBi
i∈SEV,0≤SOBi≤1
其中,SOCi是第i个电动汽车的荷电状态;SEV是可控汽车的集合;
第二步,设置第j个热泵的用户舒适温度上边界与下边界据此构建热泵可控域,根据下式计算编号为j的热泵的状态标识SOTj
j∈SHP,0≤SOTj≤1
其中,是编号为j的热泵的回水温度;SHP是可控热泵的集合;
步骤3:计算负荷的聚合体参数,包括:电动汽车聚合体的状态参数SOAEV,温控负荷聚合体的状态参数SOAHP,SOAEV变化率REV,以及SOAHP变化率RHP,方法如下:
第一步,由下式计算得到SOAEV
1)
其中,NEV-all是处于可控状态的电动汽车数量;
第二步,由下式计算得到SOAHP
2)
其中,NHP-all是处于可控状态的热泵数量;
第三步,计算REV
首先需要先根据下式求得单体电动汽车的SOC变化率
3)
其中,是汽车的实时功率;是电动汽车电池的额定容量;
再计算SOAEV变化率REV
4)
第四步,计算RHP
先根据下式求得变化率
5)
其中,t是当前时刻;dt是采样时间间隔;是上次采样时记录下的回水温度;
然后根据下式计算SOAHP变化率RHP
6)
步骤4:计算使参数REV与RHP变为0需要的汽车和热泵总功率改变量DPR0EV与DPR0HP
第一步,计算DPR0EV,包括两种情况:
1)若将REV从正值变为0,需使充电状态的可控汽车按照SOB降序排列的顺序依次切换至闲置状态,切换的汽车数量满足下式约束:
7)
其中,ck是充电状态的可控汽车在按照SOB降序排列成的序列中第k个汽车的编号;
2)若将REV从负值变为0,需使放电状态的可控汽车按照SOB升序排列的顺序依次切换至闲置状态,切换的汽车数量满足下式约束:
8)
其中,dl是放电状态的可控汽车在按照SOB升序排列成的序列中第l个汽车的编号;
DPR0EV可由下式求得:
9)
第二步,计算DPR0HP,包括两种情况:
1)若将RHP从正值变为0,需使开启的可控热泵按照SOT降序的顺序依次关闭,关闭的热泵数量满足下式中约束:
10)
其中,om是开启的可控热泵在按照SOT降序排列成的序列中第m个热泵的编号;是该热泵上一次关闭时记录下的变化速率;
2)若将RHP从负值变为0,需使关闭的可控热泵按照SOT升序的顺序依次开启,开启热泵数量满足下式中约束:
11)
其中,fn是关闭的可控热泵在按照SOT升序排列成的序列中第n个热泵的编号;是该热泵上一次开启时记录下的变化速率;
DPR0HP由下式求得:
12)
步骤5:计算下发至电动汽车的调节信号DPEV与下发至热泵的调节信号DPHP的备选值;
第一步,计算DP减去DPR0EV与DPR0HP之和后的差值(DPrest):
13)DPrest=DP-(DPR0EV+DPR0HP)
第二步,计算得到DPEV和DPHP备选值,包括多种情况:
1)当DPrest=0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
14)
2)当DPrest>0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
15)
3)当DPrest<0时,根据下式计算得到DPEV和DPHP
If(DPrest<0)&(SOAEV>SOAHP),
If(DPrest<0)&(SOAEV<SOAHP),
步骤6:检验DPEV和DPHP的备选值是否超出聚合体的频率调节能力范围,若超出则进行修正,确定DPEV和DPHP最终值并发生至电动汽车聚合体与温控负荷聚合体;
第一步,CEV-up与CEV-down分别是电动汽车聚合体的总功率上调裕度与总功率下调裕度,比较DPEV与CEV-up、CEV-down的大小关系,该步骤包括多种情况:
1)如果DPEV≥CEV-up,则使得DPEV和DPHP的备选值变为:
2)如果DPEV<CEV-down,则使得DPEV和DPHP的备选值变为:
第二步,CHP-up与CHP-down分别是温控负荷聚合体的总功率上调裕度与总功率下调裕度,比较DPHP与CHP-up、CHP-down的大小关系,确定DPEV和DPHP的最终值,该步骤包括多种情况:
1)如果DPHP≥CHP-up,则使得DPEV和DPHP的值变为:
2)如果DPHP<CHP-down,则使得DPEV和DPHP的值变为:
最终保证DPEV∈[CEV-down,CEV-up],DPHP∈[CHP-down,CHP-up];
步骤7:电动汽车聚合体根据排序算法改变特定电动汽车的工作状态以响应DPEV;温控负荷聚合体根据状态序列模型改变特定热泵的工作状态以响应DPHP
电动汽车聚合体响应DPEV,包括两种情况:
1)DPEV小于0时,将正在充电的可控汽车按照SOB降序的顺序依次切换至闲置状态直到达到要求;若上述汽车都已切换完毕仍不能满足调频需求,将所有闲置的可控汽车按照SOB由高到低依次切换至放电状态,直到功率改变量响应DPEV
2)DPEV大于0时,将放电的可控汽车按照SOB升序的顺序依次切换至闲置状态直到满足要求;若所有放电可控汽车都已切换到闲置状态而仍不能满足调频需求,将闲置的可控汽车按SOB由低到高依次切换至充电状态,直到功率改变量响应DPEV
状态序列模型控制热泵响应DPHP,分两种情况:
1)当DPHP小于0时,开启的可控热泵按照SOT降序的顺序依次关闭,直到满足功率响应要求;
2)当DPHP大于0时,关闭的可控热泵按照SOT升序的顺序依次开启,直到功率改变量等于DPEV
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