結(jié)合微電網(wǎng)應(yīng)用的大電網(wǎng) 需求響應(yīng)管理是怎樣的？

項(xiàng)目背景

需求響應(yīng)是電力需求側(cè)管理在電力市場(chǎng)中的最新發(fā)展。根據(jù)美國(guó)能源部的研究報(bào)告，按照需求(終端用戶)的市場(chǎng)參與行為，電力需求響應(yīng)項(xiàng)目可以分為以實(shí)時(shí)電價(jià)、峰谷電價(jià)等為引導(dǎo)的基于價(jià)格和根據(jù)系統(tǒng)需要或電力緊張時(shí)減少電力需求以此獲得直接補(bǔ)償或其他時(shí)段的優(yōu)惠電價(jià)的基于激勵(lì)兩類。目前針對(duì)需求響應(yīng)的研究主要以激勵(lì)用戶參與電網(wǎng)調(diào)峰和引導(dǎo)用戶科學(xué)、合理用電為目的。傳統(tǒng)的需求響應(yīng)為不影響普通用戶的正常使用，在協(xié)議中都會(huì)對(duì)控制的響應(yīng)次數(shù)、頻率、總時(shí)間等予以限制。因此往往只能在分鐘/小時(shí)級(jí)別的調(diào)峰控制中發(fā)揮作用，而對(duì)秒級(jí)的頻率控制則無能為力。隨著電動(dòng)汽車等大規(guī)模儲(chǔ)能可控負(fù)荷的出現(xiàn)，該類負(fù)荷參與響應(yīng)的控制次數(shù)、頻率、總時(shí)間等方面的限制將變得寬松，將可以滿足參與響應(yīng)頻率控制的需要。因此，提出可將需求響應(yīng)的定義延伸至根據(jù)系統(tǒng)需要或間歇性電源沖擊時(shí)用戶參與頻率控制以此獲得直接補(bǔ)償或其他時(shí)段的優(yōu)惠電價(jià)。從而，將調(diào)峰和調(diào)頻控制均納入需求響應(yīng)的范疇。

目前對(duì)可控負(fù)荷的研究均以用戶可控負(fù)荷為主，而且一般以大電網(wǎng)理想條件作為背景，同時(shí)認(rèn)為有足夠的可控負(fù)荷參與電網(wǎng)的運(yùn)行控制，為此，微電網(wǎng)需要在需求響應(yīng)中有可控空間更高的負(fù)荷出現(xiàn)，對(duì)這類負(fù)荷，電網(wǎng)擁有完全自主的調(diào)控權(quán)。同時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)需要有更加經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行控制策略以克服蓄電池造價(jià)過高的缺點(diǎn)，提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

現(xiàn)實(shí)可行性分析

傳統(tǒng)的需求響應(yīng)技術(shù)主要針對(duì)具體的管理對(duì)象、生活習(xí)慣和生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，以節(jié)能技術(shù)為主實(shí)現(xiàn)避開電力需求高峰的功能。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，需求響應(yīng)有了新的意義，包括自動(dòng)需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)、智能有序用電等，使得需求側(cè)可控負(fù)荷可以迅速參與電網(wǎng)運(yùn)行控制，為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了技術(shù)可能。

面向用戶的這一新技術(shù)依然存在諸多不足之處，為此，提出將需求響應(yīng)按負(fù)荷所有權(quán)分為用戶需求響應(yīng)和電網(wǎng)需求響應(yīng)，用戶需求響應(yīng)即為傳統(tǒng)意義的需求響應(yīng)，對(duì)應(yīng)用戶參與調(diào)節(jié)的可控負(fù)荷，該負(fù)荷由用戶和電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制稱為普通可控負(fù)荷。而電網(wǎng)需求響應(yīng)則是對(duì)應(yīng)由電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)公司直接運(yùn)營(yíng)管理的可控負(fù)荷，該負(fù)荷具有高度的可控空間，電網(wǎng)運(yùn)行部門對(duì)其擁有完全自主的控制權(quán)，屬于高度可控負(fù)荷。電動(dòng)汽車充電站則為電網(wǎng)需求響應(yīng)提供了現(xiàn)實(shí)可行的運(yùn)營(yíng)對(duì)象，電網(wǎng)企業(yè)作為電能的批發(fā)和零售單位，同時(shí)銷售通過蓄電池等儲(chǔ)能介質(zhì)儲(chǔ)存好的電能亦與其業(yè)務(wù)保持了一致性。當(dāng)由電網(wǎng)公司統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)時(shí)，經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償亦可以用運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)補(bǔ)償來代替。同時(shí)，電動(dòng)汽車充電站不僅可以為電網(wǎng)企業(yè)維持微網(wǎng)穩(wěn)定提供良好的支撐，而且有利于電動(dòng)汽車充電設(shè)備產(chǎn)生諧波的集中治理，電動(dòng)汽車作為用戶需求響應(yīng)的普通可控對(duì)象雖然具有一定的調(diào)節(jié)能力，但用戶的用車習(xí)慣依然具有一定的隨機(jī)性，大規(guī)模電動(dòng)汽車隨機(jī)性接入、退出調(diào)節(jié)都將給電網(wǎng)帶來一定的沖擊。電動(dòng)汽車充電站受電網(wǎng)內(nèi)部運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)控制，不像作為用戶需求響應(yīng)的電動(dòng)汽車那樣存在針對(duì)用戶的外部網(wǎng)絡(luò)接口，其網(wǎng)絡(luò)安全性大大提高。這些優(yōu)勢(shì)都為電動(dòng)汽車充電站作為電網(wǎng)需求響應(yīng)的高度可控負(fù)荷出現(xiàn)提供了現(xiàn)實(shí)可能。

電動(dòng)汽車作為分布式電源，其服務(wù)對(duì)象為電網(wǎng)公司，在此過程中，將根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況對(duì)電池進(jìn)行不斷的充放電，其消耗的電動(dòng)汽車電池壽命將由電網(wǎng)公司承擔(dān)。美國(guó)特立華大學(xué)Kempton教授在2007年對(duì)提出的V2G模型將一輛ACPropulsionEbox(豐田Scion改裝車)作為分布式電源接入電網(wǎng)，經(jīng)測(cè)算每車每年可以為電網(wǎng)帶來大約4000$的效益。但該效益中并未包括電網(wǎng)對(duì)消耗電動(dòng)汽車電池所負(fù)擔(dān)的代價(jià)。考慮到目前電動(dòng)汽車高昂的造價(jià)，儲(chǔ)能裝置作為分布式電源接入電網(wǎng)的性價(jià)比依然不樂觀。目前，仍需研究技術(shù)可靠、成本低廉的滿足V2G商業(yè)化運(yùn)行的設(shè)備。而電動(dòng)汽車充電站作為高度可控負(fù)荷，其服務(wù)對(duì)象為用戶，將由其對(duì)應(yīng)的商業(yè)需求為電池造價(jià)買單。作為負(fù)荷則只需在充電單一模式下運(yùn)營(yíng)，將負(fù)荷來等效為電源的負(fù)作用，降低了運(yùn)行控制的難度。而且電池在充放電狀態(tài)之間過于頻繁的切換將嚴(yán)重影響電池的壽命。因此，將電動(dòng)汽車作為可控負(fù)荷參與電網(wǎng)的頻率控制將更具經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

技術(shù)手段模型

傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車控制方法是通過控制正弦脈寬調(diào)制器(SPWM)來控制充電電流，進(jìn)而對(duì)充電功率進(jìn)行控制，SPWM實(shí)際上就是一個(gè)交直流可控的四象限變流器。但這種方式將強(qiáng)制電動(dòng)汽車的充電電流隨電網(wǎng)運(yùn)行情況而變化。這對(duì)于充電電池的壽命和充電能耗都是不利的。

如圖1所示，IB為充電電流。大量的實(shí)驗(yàn)證明，在整個(gè)充電過程中，若能使實(shí)際充電電流始終等于或接近蓄電池可接受的最佳充電電流，則可大大縮短充電時(shí)間，并且蓄電池內(nèi)部的副反應(yīng)可以控制在很低的范圍內(nèi)。因此，通過控制接入電網(wǎng)的充電電池的規(guī)模比控制電池充電電流來控制電動(dòng)汽車充電站的吸收功率更具有經(jīng)濟(jì)性，更符合其商業(yè)運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)。

對(duì)電動(dòng)汽車充電站采用負(fù)荷Droop控制。Droop控制是模擬發(fā)電機(jī)組工頻特性的一種方法，其對(duì)應(yīng)負(fù)荷控制的原理圖如圖2所示。

Droop控制可根據(jù)相應(yīng)的Droop特性系數(shù)自動(dòng)分配各電動(dòng)汽車充電的有功吸收。控制系統(tǒng)不需要過多的通信支持，電動(dòng)汽車充電站參與頻率調(diào)節(jié)最大的特點(diǎn)就是其不需要克服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性，可以快速響應(yīng)電網(wǎng)的波動(dòng)，迅速將微電網(wǎng)較大的頻率波動(dòng)控制在比較低的范圍內(nèi)，然后由微網(wǎng)的調(diào)頻機(jī)完成二次調(diào)頻任務(wù)。同時(shí)為防止電動(dòng)汽車在基準(zhǔn)運(yùn)行點(diǎn)附近頻繁的投退，應(yīng)設(shè)置一個(gè)死區(qū)，即電動(dòng)汽車充電站不響應(yīng)微網(wǎng)的微小頻率波動(dòng)。這樣，該控制策略能對(duì)延長(zhǎng)蓄電池壽命起到積極的作用。

該系統(tǒng)詳細(xì)的控制流程圖如圖3所示。該系統(tǒng)采用數(shù)字離散控制，首先由數(shù)字電壓表采集到離散的母線電壓信號(hào)Vabc，然后由0階保持器對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行保持，由離散三相鎖相環(huán)提取出系統(tǒng)的頻率信號(hào)f，將系統(tǒng)頻率和參考頻率fref對(duì)比得到頻率偏差Δf，由設(shè)置的死區(qū)環(huán)節(jié)對(duì)頻率偏差進(jìn)行判斷微網(wǎng)擾動(dòng)是否屬于微小擾動(dòng)，如果不是則將信號(hào)傳遞給Droop控制器處理，由Droop控制器的Droop特性控制電動(dòng)汽車充電站電池的負(fù)荷容量。將該負(fù)荷容量作為功率參考信號(hào)Pref輸入系統(tǒng)的CPU處理器，由CPU處理器根據(jù)各電池的狀態(tài)參數(shù)(包括電池荷電狀態(tài)SOC、電池衰老系數(shù)、電池順序編號(hào)、環(huán)境溫度等)計(jì)算出一組二進(jìn)制開關(guān)控制信號(hào)，通過開關(guān)信號(hào)的高低電平來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)充電電池進(jìn)行投切。CPU邏輯控制如圖4所示。對(duì)已經(jīng)投入運(yùn)行的蓄電池，采用“恒流—限壓—浮充”三階段充電控制策略，該控制策略可以比較理想地接近蓄電池可接受的最佳充電電流曲線。同時(shí)考慮到電池的非線性特性，在不同階段的充電狀態(tài)下其吸收功率不一樣，將系統(tǒng)的輸出功率作為內(nèi)環(huán)反饋信號(hào)反饋給CPU進(jìn)行功率差值控制。同時(shí)，電動(dòng)汽車充電站的分布式電源特性依然不容忽視，其可以在微電網(wǎng)出現(xiàn)較大故障時(shí)，提供備用電源支撐。關(guān)于這些內(nèi)容的研究已相當(dāng)多，本文不作分析。對(duì)由于頻率回落退出充電的蓄電池，則用浮充方式以平衡電池自放電，待前面電池完成充電后繼續(xù)充電。

圖3 電動(dòng)汽車充電站電池規(guī)模Droop離散控制圖

圖4 CPU處理器邏輯控制圖

仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink平臺(tái)搭建的簡(jiǎn)化微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。為簡(jiǎn)化分析，文中只采用了風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為間歇性波動(dòng)功率的輸出電源。對(duì)小型水電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組等可控電源等效用同步發(fā)電機(jī)代替。在微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，開關(guān)K4斷開。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量為300kW，小水電、燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組容量為600kW，間歇性電源的穿透率為33.3%，符合未來微網(wǎng)間歇性可再生電源高穿透率的趨勢(shì)。微網(wǎng)中負(fù)荷總?cè)萘繛?00kW，電動(dòng)汽車充電站的初始運(yùn)行功率為50kW，單臺(tái)電池在恒電流充電初期功率為1kW。用一個(gè)階躍信號(hào)模擬沖擊最大的陣風(fēng)輸入。在1s時(shí)風(fēng)速由10m/s階躍為11m/s。仿真結(jié)果如圖6~圖8所示。

如仿真結(jié)果所示，在1s時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功輸出迅速增加時(shí)，電動(dòng)汽車充電站能快速響應(yīng)系統(tǒng)的變化。在不采用電動(dòng)汽車充電站參與調(diào)解的情況下，對(duì)電動(dòng)汽車充電站的初始功率，用一個(gè)50kW的恒定負(fù)荷代替。在0.1s時(shí)風(fēng)速由10m/s階躍為10.3m/s。系統(tǒng)在僅依靠可控同步發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)時(shí)頻率變化如圖9所示。

電動(dòng)汽車充電站不參與調(diào)節(jié)時(shí)，在間歇性電源沖擊更小的情況小，其調(diào)整時(shí)間和最大超調(diào)量卻明顯大于電動(dòng)汽車參與調(diào)節(jié)時(shí)在更大沖擊時(shí)的情況。仿真結(jié)果驗(yàn)證了電網(wǎng)需求側(cè)高度可控負(fù)荷出色的調(diào)頻性能。

如圖11所示，L1為微網(wǎng)正常并網(wǎng)時(shí)的曲線，在a點(diǎn)運(yùn)行。L2為微網(wǎng)轉(zhuǎn)向孤島運(yùn)行時(shí)的曲線。L3為電動(dòng)汽車充電站參與響應(yīng)下的曲線。由圖可得，在電動(dòng)汽車充電站參與響應(yīng)后加速面積減小，減速面積增大。通過迅速減小功率差的作用使系統(tǒng)具有更大的暫態(tài)擾動(dòng)極限。在K4斷開后，采用電動(dòng)汽車充電站參與響應(yīng)和不參與響應(yīng)的同步發(fā)電機(jī)功角時(shí)間曲線仿真結(jié)果分別如圖12、圖13所示(當(dāng)δ/rad>3.15后認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)失去同步，仿真立即結(jié)束)。

仿真結(jié)果顯示，在電動(dòng)汽車充電站參與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)能保持暫態(tài)穩(wěn)定，而不參與時(shí)系統(tǒng)在擾動(dòng)下失去穩(wěn)定。驗(yàn)證了該控制策略在面對(duì)大擾動(dòng)下表現(xiàn)出的良好的穩(wěn)定性。

總結(jié)

電動(dòng)汽車充電站在時(shí)間上的負(fù)荷特性以及其在運(yùn)營(yíng)上與電網(wǎng)的巨大關(guān)聯(lián)，其參與電網(wǎng)需求響應(yīng)的約束將變得寬松，使需求響應(yīng)得以能對(duì)秒級(jí)以下的頻率控制發(fā)揮作用，從而將頻率控制納入需求響應(yīng)的范疇。對(duì)此，提出了對(duì)需求響應(yīng)定義的新延伸，并在分類上提出了電網(wǎng)需求響應(yīng)的概念。

針對(duì)傳統(tǒng)用戶需求響應(yīng)在應(yīng)對(duì)微網(wǎng)波動(dòng)時(shí)的不足，利用電動(dòng)汽車充電站在時(shí)間上的靈活性和高度可控性，提出了基于Droop控制的電動(dòng)汽車充電站電池接入規(guī)?？刂撇呗?。通過仿真顯示，該方法可以通過控制電動(dòng)汽車消耗有功的方式平抑微網(wǎng)的分布式電源波動(dòng)以及微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換過程中的大擾動(dòng)。可以有效控制微網(wǎng)頻率維持在安全范圍內(nèi)，提高微網(wǎng)的抗擾動(dòng)能力使微網(wǎng)表現(xiàn)出更加出色的穩(wěn)定性。

限于篇幅有限，文中只研究了電網(wǎng)需求響應(yīng)的技術(shù)手段。與此配套的經(jīng)濟(jì)引導(dǎo)手段和行政手段還有待共同完善。

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