考虑规模化电动汽车入网的电网调频控制策略

赵博，朱金大，张卫国

（国网电力科学研究院，江苏南京　211000）

考虑规模化电动汽车入网的电网调频控制策略

赵博，朱金大，张卫国

（国网电力科学研究院，江苏南京211000）

介绍了电动汽车常用的几种电池特性，建立了电动汽车电池模型。搭建了电动汽车参与电网调频的模型，分析了电网的几种运行状态，提出了电网不同运行状态下的一种基于二次调频的电动汽车调频控制策略。该控制策略根据电网的实时运行状态，同时充分考虑频繁充放电对电池寿命的影响，给出对不同电池状态电动汽车的控制策略。算例分析表明，采用电动汽车参与电网调频有助于提高频率质量，改善了系统的频率控制特性。

电动汽车；电池涛命；频率波动；频率控制策略

随着国家经济的飞速发展，社会各界对电能质量尤其是电网频率提出了更高要求。预计至2030年，我国电动汽车总保有量将达2 000万辆，其储备的大量电能能够为电力系统提供调频服务，研究电动汽车的储能特性，将其作为一种新的调频手段，已受到了各国的重视［1］。

集中模式下规模化电动汽车的有序充放电，不仅可以削峰填谷，减轻电网压力［2］，还可以作为系统备用，参与系统频率调节，对改善电网电能质量具有重要意义［3］。因此，开展研究规模化电动汽车接入电网的负荷频率控制策略，日益成为学者们的研究热点。

现有的研究表明，电动汽车入网（Vehicle To Grid，V2G）是一项较有发展前景的调频手段。文献［4］基于电动汽车与电网互动总体目标，针对电动汽车参与电网调频，提出基于博弈论的全局优化控制策略。文献［5］在考虑了电动汽车的充/放电特性的基础上，提出计及电动汽车的区域频率控制模型，通过仿真验证了电动汽车参与频率控制的可行性。文献［6］分析了规模化电动汽车的电能集中效应，基于以往电动汽车参与负荷频率的模型进行负荷频率控制仿真，验证了电动汽车提供短时备用的作用。但这些文献均没有从电网频率控制要求及用户角度提出相应的控制策略，只是说明电动汽车通过控制可以参与电网调频。

本文首先分析了目前常用的几种电动汽车电池特性，建立了电动汽车电池模型；在传统电力系统调频模型的基础上，建立规模化电动汽车参与的负荷频率控制模型；分析了电网不同的运行状态及调频要求，提出了不同运行状态下电动汽车的控制策略。通过实例仿真验证了电动汽车控制策略下电动汽车参与电网负荷频率控制的有效性。

1　电动汽车电池模型

1.1常用的几类电动汽车电池

目前，常用的电动汽车蓄电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂电池等。

1）铅酸电池。由于铅酸电池发展较成熟，早期许多电动汽车均采用铅酸电池作为动力来源。它的优点是制作工艺简单、价格便宜，一次投资较低，便于消费者接受。缺点是电池比能量较低，随着日常充放电次数的增加，电池寿命会大受影响，且需频繁检查电解液的高度，以保证电池正常充放电。

2）镍氢电池。由于镍氢电池内部使用了大量金属材料作为导电材料，因此比功率较大，可满足用户大功率放电的需求，且可进行反复充放电，因此电池寿命较长。同时，镍氢电池采用无机电解液系统，充放电过程中不会产生污染性气体。其缺点主要有2点：一是电池本身的发热问题突出，充放电过程的产热速度很快，容易发生电池温度过高而失去控制甚至爆炸的危险；二是自放电率高，即使电池空置，20 d后电量便衰减至原有电量的80%。

3）锂电池。锂电池的出现较晚，但近些年在各领域得到了迅速发展。相比铅酸电池与镍氢电池，锂电池有许多突出的优点：其能量密度是目前所有电池中最高的；平均电压高，可减少混联电池的个数；单体电池重量轻，可大大减轻混联电池组的重量；充电效率高，电池寿命长。锂电池的缺点是，由于电池复杂的保护电路，使得电池的放电能力较差，且生产工艺与条件较复杂，成本较高。

1.2电动汽车电池模型

本文中的电动汽车电池均采用锂电池，为简化电路结构，采用考虑超电势和自放电行为的等效电路［7］。如图1所示图1为电池的等效电路结构。

图1　电池的等效电路结构Fig.1　Equivalent circuit structure of the battery

图中，Cb为电池电容，其大小直接决定电池容量；Ib为电池直流电流；R1c与R1d分别为充电过电压电阻与放电过电压电阻；Rp为电池自放电电阻；Rx为电池内部电阻；C1为电池的过电容。

根据电路理论相关知识，电池的动态方程为：

不计电池电能传输过程中的损耗，同时考虑开路电压与电流的微增量，电池向电网传输的功率PV2G为：

故电能功率增量为：

式中：Ib0、Vb0为电池侧电流、电压的初始值；ΔIbo、ΔVbo为电流、电压的微增量；ΔPV2G为电池功率增量。

在频率控制中，ΔVb0根据频率信号Δf进行调节，因此功率增量ΔPV2G为：

式中：Tb为电池功率调整时间常数；kb为电池功率增益。

由式（1）—式（9），得到电动汽车V2G功率模型如图2所示。

图2　电动汽车功率动态模型Fig.2　Dynamic power model of electric vehicle

2　考虑电动汽车参与的负荷频率控制策略

2.1考虑电动汽车参与的负荷频率控制模型

在传统电力系统频率控制模型的基础上，加入规模化电动汽车功率模型，采用AGC控制方式，得到单区域系统调频模型如图3所示。

图3　单区域系统调频动态模型Fig.3　Dynamic model of load frequency regulating of single power system

图中，KEV为电动汽车频率响应系数；1/R为机组调差系数，MW/Hz；D为系统负荷频率调节系统，MW/Hz，反映系统单位频率偏差引起的负荷波动；M为发电机组的惯性系数。

2．2电动汽车参与负荷频率控制策略

规模化电动汽车接入电网后，电网调度部门实时监测电网运行状态，根据区域偏差信号（ACE）控制电动汽车的充放电。将电网运行状态分为5种：正常状态、警戒状态、紧急状态、系统崩溃和恢复状态［8］。各状态与ACE之间的关系为：

1）电网正常状态下，ACE绝对值较小，超过频率控制阀值。

2）警戒状态时，系统在小扰动影响下，产生的ACE绝对值较大，但未超过限值。

3）紧急状态、系统崩溃及恢复状态下，ACE绝对值达到极值，为极端情况。因此，可根据区域偏差信号（ACE）绝对值的大小来确定电动汽车参与频率调节控制策略。

当ACE绝对值较小时，此时ACE＞ACEset。由于电动汽车的频繁充放电会对电池寿命造成严重影响，且此时系统的调频容量需求不大，系统调频机组可以满足调频容量，故这种情况下电动汽车不响应频率控制。

当ACE绝对值较大时，此时ACEset＜ACE＜ACEct。当ACE为正值时，系统频率大于标准工频，可控制部分电动汽车增加充电功率，同时调频机组减少出力；当ACE为负值时，系统频率低于标准工频，控制部分电动汽车要减少充电功率，同时调频机组多增加出力。

当ACE处于极值时，此时ACE＞ACEct。系统此时非常不稳定，所有调频电源需马上响应，控制所有电动汽车与均参与频率调节。当ACE为正值时，控制所有电动汽车的充电功率至最大允许下调充电功率；当ACE为负值时，控制所有电动汽车放电，放电功率为最大允许放电功率。

根据ACE绝对值的大小计算出规模化电动汽车总响应功率后，还需根据电动汽车电池状态（SOC）合理分配每辆电动汽车的响应功率，当电动汽车响应充电功率时，优先调度SOC值较低的电动汽车；当电动汽车响应放电功率时，优先调度SOC值较高的电动汽车。同时，还要判断总响应功率是否超过线路最大允许功率及用户参与负荷调节意愿，通过一定的电价刺激鼓励用户积极参与负荷频率调节。

3　算例分析

本文以互联区域为例进行仿真。互联区域由2个单系统组成，结构完全对称，并在其中1个单系统接入电动汽车功率模型，整个互联区域采用TBC控制模式，系统模型参数见表1。假设区域有电动私家车与电动公务车共计10 000辆，2类电动汽车的比例为1∶1，其中愿意参加负荷频率调节汽车比例为50%。本文采用的电动私家车电池容量为30 Ah，充电功率为5 kW，放电功率为8 kW；电动公务车电池容量为150 Ah，充电功率为100 kW，放电功率为120 kW，放电均保持电池最低电量为20%。参照美国电网对频率控制的要求，分别设置正常状态、警戒状态和紧急状态下的频率偏差为Δf1=0.033 Hz、Δf2=0.1 Hz和Δf3=0.2 Hz。

表1　系统参数Tab.1　System parameters

假设在某时刻，区域1突然减少0.5 MW的负荷，系统进入警戒状态（频率偏差超过0.1 Hz）。图4为扰动情况下电动汽车未参与负荷频率控制与V2G模式下的频率控制情况。由图4可知，未接入电动汽车时，扰动下系统的最大频率偏差约为0.15 Hz，在调频机组的作用下大约35 s后系统频率恢复至正常允许偏差范围；而在接入电动汽车后，相同扰动下系统的最大频率偏差降至0.13 Hz，而恢复时间只用了27 s。图5为是否采用电动汽车控制策略下的频率控制情况。当未采用控制策略时，系统频率第一次恢复至允许偏差范围内用时约19 s，之后缓慢震荡，至35 s后才完全恢复正常频率允许范围；而采用本文提出的控制策略后，不但频率最大波动变小，而且第一次使系统频率恢复至允许范围内只用了约14 s，之后系统频率迅速下降至正常状态允许范围之内。

图4　是否接入电动汽车的频率偏差Fig.4　Frequency deviation with/without the electric vehicle connected

图5　是否应用电动汽车控制策略下的频率偏差Fig.5　Frequency deviation under/not under the electric vehicle control strategy

可以看出，接入规模化电动汽车参与系统负荷频率控制后，在发生频率扰动时，系统频率可以较快恢复至安全范围之内。而采用一定的负荷频率控制策略后，系统的频率偏差曲线更加平缓，更好地发挥电动汽车作为储能电源快速响应调频容量的特点。

4　结语

本文针对规模化电动汽车接入电网进行负荷频率的控制策略进行研究，提出了一种基于二次调频的电动汽车控制策略。该控制策略根据电网的实时运行状态，同时充分考虑频繁充放电对电池寿命的影响，给出对不同电池状态电动汽车的控制策略。通过算例仿真验证了控制策略的可行性与正确性。由于大量电动汽车参与负荷频率控制涉及电力市场及汽车用户等多方面因素的影响，下一步需要研究的重点是如何基于现有电力市场机制及用户满意度提出一种电动汽车负荷频率控制策略。

［1］张文亮，武斌，李武峰，等.我国纯电动汽车的发展方向及能源供给模式的探讨［J］.电网技术，2009，33（4）：1-5.ZHANG Wenliang，WU Bin，LI Wufend，et al.Discussion on development trend of battery electric vehicles in China and its energy supply mode［J］.Power System Technology，2009，33（4）：1-5（in Chinese）.

［2］陈加盛.以移峰填谷为目标的有序充电策略研究［D］.北京：华北电力大学，2012.

［3］韩海英.V2G参与电网调峰和调频控制策略研究［D］.北京：北京交通大学，2011.

［4］许晓慧，陈丽娟，张浩，等.规模化电动汽车与电网互动的方案设想［J］.江苏电机工程，2012，31（2）：53-58.XU Xiaohui，CHEN Lijuan，ZHANG Hao，et al.The design and implementation of unified platform of province video monitoring［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2012，31（2）：53-58（in Chinese）.

［5］刘保平，杨洪明.电动汽车及可中断负荷参与电网的调频控制［J］.电气技术，2013（5）：10-13.LIU Baoping，YANG Hongming.PEVs and interruptible loads for frequency regulation［J］.Electrical Technology，2013（5）：10-13（in Chinese）.

［6］黄媛，刘俊勇，陈井锐，等.计及电动汽车入网的负荷频率控制［J］.电力系统自动化，2012，36（9）：24-28.HUANG Yuan，LIU Junyong，CHEN Jingrui，et al.Load frequency control considering vehicle to grid［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36（9）：24-28（in Chinese）.

［7］SALAMEH Z M，CASACCA M A，LYNCH W A.A mathematical model for lead-acid batteries［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，1992，7（1）：93-98.

［8］KUNDUR P.Power system stability and control［M］．New York：Inc．McGraw-Hill，1994.

Frequency Regulation Strategy of the Grid Considering Large Scale Electric Vehicles to Grid

ZHAO Bo，ZHU Jinda，ZHANG Weiguo
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211000，Jiangsu，China）

On the base of reviewing characteristics of several batteries commonly used in electric vehicles，this paper builds the battery model of Electric Vehicle and proposes the model of large scale electric vehicles participating in frequency regulation of the grid.With consideration of different operating status of the grid，the paper proposes new control strategies of frequency regulation ofthe grid.Analysisofcalculation examples shows that the proposed method is conductive to improve both power system frequency quality and frequency control characteristic.

electric vehicle；battery model；frequency regulation；frequency control strategy

1674-3814（2015）12-0073-04

YM712

A

2015-03-07。

赵博（1981—），男，高级工程师，主要从事电动汽车智能充换电网络建设、运营管理等工作。

（编辑董小兵）

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2011AA05A110）。

Project Supported by National High Tech Research and Development Program（863 Program）（2011AA05A110）.