CN111030138B

CN111030138B - 一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统及方法

Info

Publication number: CN111030138B
Application number: CN201911303303.XA
Authority: CN
Inventors: 李鸿奎; 王启龙; 侯广松; 孙泉; 李福建; 孟楠; 张新明; 踪凯; 孟会增; 张超; 于永进; 邓帅; 甄颖
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Shandong University of Science and Technology; Heze Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Shandong University of Science and Technology; Heze Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: CN111030138A

Abstract

本公开提供了一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统及方法，将控制信号发送到热水器，无法被热水器覆盖的频率控制信号分量分别作为第一热水器频率控制信号分量和第二热水器频率控制信号分量，并输入到频率控制信号发生器中；将由于响应速度和频率控制信号容量而不能被频率控制信号发生器覆盖的分量分别作为第一电动汽车频率控制信号分量和第二电动汽车频率控制信号分量输入到电动汽车中，将电动汽车无法涵盖的频率控制信号分量输入到储能系统；本公开实现了一种新的基于电动汽车和热水器的协调负荷频率控制，能够有效地抑制大范围内集成可再生能源的电网中的频率波动，克服了在电网中存在着频率波动和配电电压突变等问题。

Description

一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统及方法

技术领域

本公开涉及柔性负荷协调频率控制技术领域，特别涉及一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

电网中存在着频率波动和配电电压突变等问题，采用储能系统是解决这些问题的有效途径之一。由于储能电池成本较高，将用户的用电设备通过电网需求响应控制来替代部分储能装置的应用引起了人们的广泛关注。

这种应用的典型例子是电动汽车和电网互动技术(Vehicle-to-grid,V2G)，包含多台电动汽车(Electric Vehicle,EV)与电网之间的充电和放电控制的概念。有研究人员将V2G应用于负荷频率控制(Load frequency control,LFC)，基于动态电网仿真对电网频率波动进行了评估。也有研究人员提出一种基于电动汽车的自动发电控制(Automaticgeneration control,AGC)方法，分析了电动汽车参与电网调频特性。

本公开发明人发现，尽管现有技术中已经对电动汽车或其他可控负荷的频率调节进行了研究，但均没有解决如何对整个电网进行LFC信号的调度问题。本发明提出了一种不仅可以跟踪电动车，还可以跟踪其他可控负荷的控制信号的方法。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统及方法，实现了基于电动汽车和热水器的协调负荷频率控制，能够有效地抑制大范围内集成分布式电源的电网中的频率波动，克服了在电网中存在着频率波动和配电电压突变等问题。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统。

一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统，包括中央负荷调度终端和多个本地控制终端，本地控制终端控制协调多台电动汽车和多个热水器，中央负荷调度终端通过双向通信网络与电动汽车和热水器之间进行信息交换；

建立电动汽车和热水器协调频率控制系统模型、电动汽车调度模型和热水器调度模型，根据响应速度和可控容量将负荷频率控制信号发送给负荷频率控制信号发生器、储能系统、电动汽车和热水器，具体为：

将控制信号发送到热水器，无法被热水器覆盖的频率控制信号分量分别作为第一热水器频率控制信号分量和第二热水器频率控制信号分量，并输入到频率控制信号发生器中；

将受限于响应速度和频率控制信号容量而不能被频率控制信号发生器覆盖的分量分别作为第一电动汽车频率控制信号分量和第二电动汽车频率控制信号分量输入到电动汽车中，将电动汽车无法涵盖的频率控制信号分量输入到储能系统。

作为可能的一些实现方式，所述第一热水器频率控制信号分量通过时间常数T_hpc和T_im的高通滤波器提取，具体的高通滤波器的表达式为：

作为可能的一些实现方式，所述第一电动汽车频率控制信号分量由时间常数T_H1＝5(s)的高通滤波器提取，具体的高通滤波器的表达式为：

作为可能的一些实现方式，第一电动汽车频率控制信号分量和第二电动汽车频率控制信号分量，通过常数T_H2＝200(s)的高通滤波器后输入到电动汽车中，具体的高通滤波器的表达式为：

本公开第二方面提供了一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法。

一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，利用本公开第一方面所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统，根据建立的电动汽车调度模型和热水器调度模型，得到电动汽车和总热水器的可控容量，并根据标称数据，得到负荷频率控制信号发生器和储能系统可控容量，根据响应速度和可控容量将负荷频率控制信号发送给负荷频率控制信号发生器、储能系统、电动汽车和热水器。

作为可能的一些实现方式，中央负荷调度终端基于预设时间间隔更新一次的可控电动汽车的平均SOC(State of Charge)信息，对电动汽车的负荷频率控制信号进行偏置，得到电动汽车的可控容量具体为：

其中，

为电动汽车可控容量上限，

为电动汽车可控容量下限，ΔP_bias为电动汽车对负荷频率控制信号的充电/放电偏置，C_EV(t)为可控电动汽车的逆变器容量。

作为进一步的限定，中央负荷调度终端产生

范围内负荷频率控制信号，并通过本地控制终端将负荷频率控制信号和ΔP_bias的总和发送给电动汽车，如果电动汽车的平均SOC低于80％或高于90％，电动汽车可控容量下限和容量上限分别视为零。

作为可能的一些实现方式，当电动汽车的SOC控制在85％±5％时，电动汽车处于可控状态。

作为可能的一些实现方式，将热水器分成多个组，中央负荷调度终端根据每组热水器的预期加热时间段的标准偏差和平均值，估算热水器的总功耗变化，确定启动时间和控制周期，并调度启动命令和负荷频率控制信号发送给本地控制终端，每个本地控制终端都以预设时间间隔随机启动其对应的热水器。

作为可能的一些实现方式，第i组中热水器的总可控容量为：

其中，

是运行中的第i组热水器的总额定功耗，

是第i组中第一个热水器启动时间，

是第一个启动热水器的功耗稳定时间，

是在

开始的最后一个启动的热水器的功耗稳定时间。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的内容实现了基于电动汽车和热水器的协调负荷频率控制，能够有效地抑制大范围内集成分布式电源的电网中的频率波动，克服了在电网中存在着频率波动和配电电压突变等问题。

2、本公开所述的LFC调度方法是一种集中控制，其中作为LFC信号的区域需求不仅被发送到LFC发生器，而且还根据响应速度和可控容量被发送到BESS(Battery EnergyStorage System)、EV和HPWH(Heat Pump Water Heater)，通过响应慢和控制容量进行协调负荷频率控制，极大的提高了负荷频率的控制能力。

3、本公开所述的中央负荷调度终端基于每半小时更新一次的可控EV的平均SOC的信息，对电动汽车的LFC信号进行偏置，解决了具有T_H2的高通滤波器无法完全消除LFC信号的长期波动且可控EV的SOC可能超出85％±5％的范围的问题。

4、本公开将热水器分成多个组，中央负荷调度终端根据每组热水器的预期加热时间段的标准偏差和平均值，估算热水器的总功耗变化，确定启动时间和控制周期，并调度启动命令和负荷频率控制信号发送给本地控制终端，每个本地控制终端都以预设时间间隔随机启动其对应的热水器，避免了同时启动多个HPWH对电网产生重大影响。

附图说明

图1为本公开实施例1提供的频率分析模型示意图。

图2为本公开实施例1提供的EV和HPWH的控制系统配置示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本公开实施例1提供了一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，通过建立频率分析模型，这个模型由等效发电机模型组成、控制系统模型、负荷波动、可更新输出能源、BESS模型、火力发电厂模型、电动汽车(EV)模型和热水器(HPWH)模型组成，频率分析模型如图1所示。

控制电动汽车、热水器等多种用电设备和负荷频率控制信号的分配方式，根据响应速度和可控容量，将负荷频率控制信号分别发送到火力发电厂、BESS、EV和HPWH，实现了一种新的基于电动汽车和热水器的协调负荷频率控制，可以有效地抑制大范围内集成可再生能源的电网中的频率波动，克服了在电网中存在着频率波动和配电电压突变等问题，具体包括以下步骤：

(一)建立电动汽车和热水器控制系统模型

本实施例设计的电动汽车(EV)和热水器(HPWH)的控制系统配置，如图2所示，是由一个中央负荷调度终端和多个本地控制终端组成。

各本地控制终端的控制规模与各配电变电站的控制规模相同，大量的电动汽车和热水器通过本地控制终端控制。通过一个双向通信网络，通过中央负荷调度终端实现与电动汽车(EV)和热水器(HPWH)之间进行的信息交换。

中央负荷调度终端与EV和HPWH之间的LFC信息通信设备和中央负荷调度终端与火电厂之间的设备具有相同的通信功能。本实施例采用分级控制系统可以通过在每一层中聚集信息来减轻通信负担。

(二)建立电动汽车调度模型

本设计只控制已经充电至85％以上的SOC的电动车，电动汽车最多可充电到SOC的85％，并控制在SOC的85％±5％。考虑到SOC不影响电动汽车用户希望在下一次出行，设置SOC要确定80％的下限。当电池在接近100％的SOC状态下充放电后，电池的寿命会下降，从而确定90％的上限值。同时假定用户自己可以决定是否参加LFC，用户要求充电至100％的SOC的电动汽车不受控制。

本实施例假定了电动汽车三种状态(行驶状态，充电状态和可控制状态)和三种过渡状态(拔掉充电器，插入充电器和控制状态)。电动汽车拔掉充电器后，进入行驶状态。插入充电器后，它将进入充电状态以对电池充电。当SOC充电至85％(进入控制)时，它将进入可控制状态。参加LFC的电动车每天重复改变三个状态。

搭建的电动汽车调度模型，涵盖了所考虑的电网中所有可控电动汽车的动态行为。本地控制终端收集每辆电动汽车的SOC和状态信息，并掌握可控电动汽车的数量。在SOC同步控制方法中，根据EV的SOC确定EV的充放电优先级。充电信号按SOC的升序调度到EV，而放电信号按降序调度。通过以这种方式重复调度，实现了本地控制终端所有可控EV的SOC同步，终端负荷修复终端接收每个本地控制终端同步的SOC信息，并以相同的方式将LFC信号调度到本地控制终端。因此，电网中所有可控电动汽车的SOC均被同步，并且电动汽车可设计为一个大型BESS模型。在本实施例中，中央负荷调度终端每半小时可以掌握电网中电动汽车的平均SOC和总可控容量。

该模型的输入是所考虑的电网中所有可控EV的LFC信号，输出P_EV(t)是EV的总充电/放电功率。考虑到电池和逆变器损耗，电池的充电/放电效率为94％。控制和通信延迟用T_del表示的具有一秒时间延迟的一阶模型近似。

可控电动汽车的总逆变器容量，具体为：

(C_EV(t))由C_EV(t)＝N_con(t)·C′_{EV_avg}

C′_EV-avg是EV的平均逆变器容量，N_con(t)可控EV的数量，通过下式计算得到：

N_con(t)＝N_start+N_in(t)-N_out(t)

其中N_start是可控EV的初始数量，N_in显示控制电动汽车的频率，N_out显示电动车插拔的频率。

只要SOC在85％±5％的范围内，就可以在C_EV(t)内对EV进行充电或放电。该模型还计算可控电动汽车的总储能，这在由Q_con(t)表示，并由Q_con(t)＝Q_start+Q_LFC(t)+Q_in(t)-Q_out(t)给出。

Q_start是可控EV的初始存储能量，由Q_start＝0.85·N_start·C′_{EV_bat}给出，其中C′_EV-bat是电动汽车的平均电池容量。

Q_LFC(t)是电动汽车总充电/放电功率的积分，由

给出。

Q_in(t)是由于电动汽车的控制而增加的总能量，由Q_in(t)＝0.85N_in(t)C′_{EV_bat}给出。

Q_out是由于电动汽车的插拔而减少的总能量，由式

给出。其中R_out(t)为单位时间内被插拔的EV数，即N_out(t)的时间微分可控电动汽车的平均荷电状态SOC由下式计算：

(三)建立HPWH调度模型

在本设计中，假设根据输入控制信号(LFC信号)可以将HPWH的功耗控制在额定功耗的90％的范围内而不降低效率，直到功耗变得稳定(启动后0.25小时)，并且HPWH的运行周期也可以控制。每个本地控制终端都通过几种额定功率消耗和存储容量来掌握有关其HPWH数量的信息。中央负荷调度终端掌握各地方控制终端HPWH的安装总数和总额定耗电量。基于该信息，它通过

计算每个HPWH的预期采暖期

本实施例将HPWH分为若干组，上标ab表示a本地控制终端中b的HPWH,在不同时期控制在每一组中。每个本地控制终端都通过

计算HPWH的预期加热时间

的平均值

并将其发送到中央负荷调度终端。

中央负荷调度终端通过

计算每组中的平均值

其中上标i表示第i组，

是第i组中的本地控制终端的数量，上标L表示第i组中的L本地控制终端，

是L本地控制终端中的HPWHs的数量

并将其发送回每组中的本地控制终端。

通过

计算其HPWH的预期加热时间的标准偏差

并将其再次发送到中央负荷调度终端。

中央负荷调度终端通过

计算每个组中的预期加热时间段的标准偏差

中央负荷调度终端根据统计信息

估算HPWH的总功耗变化，确定启动时间和控制周期，并调度启动命令和控制信号(LFC)发送给本地控制终端。

每个本地控制终端都以0.5小时的时间随机启动其HPWH，以避免同时启动多个HPWH对电网产生重大影响。在这种双向通信中，与中央负荷调度终端的上游信息通信不必是实时的。

HPWH调度模型代表一个组中的HPWH的动态行为。其输入是一组中的HPWH的LFC信号，其输出是它们的总功耗。启动时总功率消耗的变化近似为一阶模型，其起始时间延迟为1，斜坡函数为起动后0.5h的总额定功率消耗的90％。在HPWH开始停止加热后的总功率消耗的变化由基于

和

计算的组中的HPWH的平均加热值

和标准加热偏差

的正态分布函数来近似。

第i组中HPWH的总可控容量

由下式计算：

其中

是运行中的HPWH的总额定功耗。

是第一个HPWH启动时间，

是第一个启动HPWH的功耗稳定时间，

是在

开始的最后一个启动HPWH的功耗稳定时间，只要所有HPWH都在运行，

在

之后不会改变，因为HPWH不再启动。时间

是第一个HPWH启动时，

是第一个启动HPWH的功耗稳定时，

是在

开始的最后一个启动HPWH的功耗稳定时，只要所有HPWH都在运行，

在

之后不会改变，因为HPWH不再启动。在

之后，由于所有运行的HPWH都是可控的，

与

成比例变化。

(四)LFC调度方法

本实施例提供的LFC调度方法是一种集中控制，其中作为LFC信号的区域需求(RD)不仅被发送到LFC发生器，而且还根据响应速度和可控容量被发送到BESS、EV和HPWH。

首先，将LFC信号发送到HPWH，其响应速度是这四个中最慢的。其次，由于响应慢和控制容量有限，无法被HPWH覆盖的LFC信号分量分别作为LFC₁(由时间常数T_hpc+T_im的高通滤波器提取)和LFC₂信号输入到LFC发生器中。然后，将由于响应速度和LFC容量而不能被LFC发生器覆盖的组件分别作为EV₁(由时间常数T_H1＝9(s)的高通滤波器提取)和EV₂信号输入到EV.时间常数T_H2＝600(s)的高通滤波器用于抑制LFC信号的长期波动引起的SOC波动。最后，将EV无法涵盖的部分输入到BESS。其中，BESS的一部分可以同时由EV和HPWH代替。

(五)电动汽车的SOC监管控制

具有T_H2的高通滤波器无法完全消除LFC信号的长期波动，并且可控EV的SOC可能超出85％±5％的范围。因此，中央负荷调度终端基于每半小时更新一次的可控EV的平均SOC的信息，对电动汽车的LFC信号进行偏置。输入ΔSOC_AVG是平均SOC与85％的偏差，输出ΔP_bias是EV对LFC信号的充电/放电偏置(放电功率为正值)。

ΔP_bias在可控电动汽车总逆变器容量的10％内产生。计算延迟由一阶模型近似，时延为10秒钟，用t表示。电动汽车可控容量的上限

和下限

由下式得到：

中央负荷调度终端产生

范围内LFC信号，并通过本地控制终端将LFC信号和ΔP_bias的总和发送给电动汽车，如果平均SOC低于80％或高于90％，

和

分别视为零。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统，其特征在于，包括中央负荷调度终端和多个本地控制终端，多个电动汽车和多个热水器通过本地控制终端控制，中央负荷调度终端通过双向通信网络与电动汽车和热水器之间进行信息交换；

建立电动汽车和热水器控制系统模型、电动汽车调度模型和热水器调度模型，根据响应速度和可控容量将负荷频率控制信号发送给负荷频率控制信号发生器、储能系统、电动汽车和热水器，具体为：

将由于响应速度和频率控制信号容量而不能被频率控制信号发生器覆盖的分量分别作为第一电动汽车频率控制信号分量和第二电动汽车频率控制信号分量输入到电动汽车中，将电动汽车无法涵盖的频率控制信号分量输入到储能系统。

2.如权利要求1所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统，其特征在于，所述第一热水器频率控制信号分量通过时间常数T_hpc和T_im的高通滤波器提取，具体的高通滤波器的表达式为：

3.如权利要求1所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统，其特征在于，所述第一电动汽车频率控制信号分量由时间常数T_H1＝9(s)的高通滤波器提取，具体的高通滤波器的表达式为：

4.如权利要求1所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制系统，其特征在于，第一电动汽车频率控制信号分量和第二电动汽车频率控制信号分量，通过常数T_H2＝600(s)的高通滤波器用于抑制控制信号的长期波动引起的SOC波动，具体的高通滤波器的表达式为：

5.一种电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的可控负荷协调频率控制系统，根据建立的电动汽车调度模型和热水器调度模型，得到电动汽车和总热水器的可控容量，并根据标称数据，得到负荷频率控制信号发生器和储能系统可控容量，根据响应速度和可控容量将负荷频率控制信号发送给负荷频率控制信号发生器、储能系统、电动汽车和热水器。

6.如权利要求5所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，其特征在于，中央负荷调度终端基于预设时间间隔更新一次的可控电动汽车的平均SOC信息，对电动汽车的负荷频率控制信号进行偏置，得到电动汽车的可控容量具体为：

其中，

为电动汽车可控容量上限，

为电动汽车可控容量下限，ΔP_bias(t)为电动汽车对负荷频率控制信号的充电/放电偏置，C_EV(t)为可控电动汽车的总逆变器容量。

7.如权利要求6所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，其特征在于，中央负荷调度终端产生

范围内负荷频率控制信号，并通过本地控制终端将负荷频率控制信号和ΔP_bias(t)的总和发送给电动汽车，如果电动汽车的平均SOC低于80％或高于90％，电动汽车可控容量下限和容量上限分别视为零。

8.如权利要求5所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，其特征在于，当电动汽车的SOC控制在85％±5％时，电动汽车处于可控状态。

9.如权利要求5所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，其特征在于，将热水器分成多个组，中央负荷调度终端根据每组热水器的预期加热时间段的标准偏差和平均值，估算热水器的总功耗变化，确定启动时间和控制周期，并调度启动命令和负荷频率控制信号发送给本地控制终端，每个本地控制终端都以预设时间间隔随机启动其对应的热水器。

10.如权利要求5所述的电动汽车和热水器可控负荷协调频率控制方法，其特征在于，第i组中热水器的总可控容量为：

其中，

是运行中的第i组热水器的总额定功耗，

是第i组中第一个热水器启动时间，

是第一个启动热水器的功耗稳定时间，

是在

开始的最后一个启动的热水器的功耗稳定时间。