一種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法，包括：設置用戶需求參數(shù)；識別電動汽車充放電控制參數(shù)；計算初始充電功率；識別電力系統(tǒng)實時頻率f，通過與目標值進行比較，獲得系統(tǒng)實時頻率偏差Δf；構建充放電可行域，確定電動汽車充放電曲線位置；獲取充放電功率P。該方法以電力系統(tǒng)的頻率信號為輸入信號，協(xié)同傳統(tǒng)調頻方式參與電力系統(tǒng)的頻率調節(jié)；最大限度利用電動汽車參與系統(tǒng)需求側響應，從而有效提升區(qū)域功率供需動態(tài)平衡能力。
【專利說明】
-種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)需求響應精細化控制技術領域，尤其設及一種基于可行域的 電動汽車輔助調頻控制方法。
【背景技術】
[0002] 可再生能源發(fā)電的規(guī)模不斷擴大，為電力系統(tǒng)提供了大量的清潔能源，緩解了環(huán) 境壓力，促進了經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。然而，從電力系統(tǒng)的供需平衡的角度，可再生能源 具有間歇性的特點，大規(guī)?？稍偕茉吹牟⒕W(wǎng)給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來了巨大的挑戰(zhàn)?？稍?生能源的不穩(wěn)定性既會增加系統(tǒng)的備用容量，增大了系統(tǒng)的運行成本，同時也會對電能質 量產生很大的負面影響，如電網(wǎng)供電供需平衡更加困難，即頻率更加難W維持穩(wěn)定。
[0003] 傳統(tǒng)的調峰調頻手段配合儲能系統(tǒng)，是目前常用的調節(jié)方法。儲能裝置在風電場 和光伏發(fā)電系統(tǒng)都得到了廣泛的應用，是新能源發(fā)電必須配備的輔助調節(jié)手段，也起到了 一定的效果。然而，傳統(tǒng)的調節(jié)手段不能有效地應對可再生能源并網(wǎng)帶來的系統(tǒng)運行不穩(wěn) 定問題，而儲能裝置成本高、容量小的問題又在現(xiàn)階段難W解決。因此，為確?？稍偕茉?并網(wǎng)后系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，就必須有更加靈活有效的頻率控制手段。
[0004] 大規(guī)模電動汽車的并網(wǎng)既是挑戰(zhàn)也是機遇。一方面，電動汽車充電具有隨機性，運 種無序充電行為可能會產生新的負荷高峰，甚至與已有負荷高峰重合，設想數(shù)W百萬計的 電動汽車在結束一天的行程后，恰好在晚負荷高峰期幾乎同時開始充電，將會對系統(tǒng)形成 明顯的沖擊;另一方面，隨著電力電子和控制技術的發(fā)展，電動汽車在vehicle-to-grid(中 文全稱）(V2G)環(huán)境下可看成是一種移動分布式儲能系統(tǒng)，在需要時通過電力電子接口實現(xiàn) 向系統(tǒng)的快速充放電，輔助系統(tǒng)優(yōu)化運行，是一種維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行的潛在可控資源，特別 適合參與大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)的快時間尺度動態(tài)調頻。
[0005] 分散式控制策略是指電動汽車單體依據(jù)電網(wǎng)發(fā)布的頻率、電價等信號進行充放電 自管理，為電網(wǎng)提供輔助調頻服務。分散式控制策略的優(yōu)勢在于免去了復雜的優(yōu)化過程，響 應速度快且投資成本低，適合于快速的電力系統(tǒng)動態(tài)調頻。
[0006] 在已有的國內外研究成果當中，電動汽車頻率控制策略分為集中式控制策略和分 散式控制策略。集中式控制策略是通過引入中間管理機構(如能效電廠等)將地理上分散的 電動汽車組建為集群，并按照電網(wǎng)的需求進行統(tǒng)一優(yōu)化調度管理，W實現(xiàn)整體控制效果最 優(yōu)，其缺點在于不能充分考慮用戶差異化需求，同時需要依托于復雜的通信系統(tǒng)，響應速度 較慢，投資成本較高。

【發(fā)明內容】

[0007] 為了彌補上述缺陷，本發(fā)明提出一種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法， 有效利用需求側電動汽車負荷的儲能潛力為區(qū)域電力系統(tǒng)提供動態(tài)供需平衡與調頻服務， 從而提升區(qū)域功率供需動態(tài)平衡能力。
[000引本發(fā)明是采用下述技術方案實現(xiàn)的：
[0009] -種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法，所述方法包括：
[0010] (1)設置用戶需求參數(shù)；
[0011] (2)識別電動汽車充放電控制參數(shù)；
[0012] (3)計算初始充電功率；
[0013] (4)識別電力系統(tǒng)實時頻率f，通過與目標值進行比較，獲得系統(tǒng)實時頻率偏差A f;
[0014] (5)構建充放電可行域，確定電動汽車充放電曲線位置；
[0015] (6)獲取充放電功率P。
[0016] 優(yōu)選的，所述步驟（1)中，設置用戶需求參數(shù)，包括設置電動汽車充電初始時間ts、 電動汽車預計出行時間te，和電動汽車充電目標值SoCtarget; W及，
[0017] 設置W防止過度放電為目標的最小荷電狀態(tài)SoCmin,設置W防止過度充電為目標 的最大荷電狀態(tài)SoCmax。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟(2)中，電動汽車充放電控制參數(shù)，包括車載電池實時荷電狀態(tài) SoC(t);車載電池可接受最大充電功率Pmax和車載電池容量E。
[0019] 優(yōu)選的，所述巧驟(3)中，計算初始充電功率Po的表達式如下式所示：
[0020]
[0021] 優(yōu)選的，所述步驟(5)中，構建充放電可行域的方法包括：
[0022] 從步驟(2)和(3)中獲得參數(shù)*3，*6,5〇^1。，5〇山3、，口。3、構建電動汽車充放電可行域； 該可行域利用直角坐標系進行描述;其中，橫軸為時間，縱軸為車載電池 SoC值;該直角坐標 系下，通過充放電曲線描述電動汽車SoC值隨時間變化情況，判斷是否已到達預設充電時 間，若未到達，則返回步驟(4);若到達，則充電結束。
[0023] 進一步地，所述充放電可行域由上邊界、下邊界、左邊界、右邊界和強制充電邊界 五個邊界圍成;其中，
[0024] 上邊界描述如式（1)所示：
[0025] SoC = SoCmax (1)
[00%] 下邊界描述如式(2)所示：
[0027] SoC = SoCmin (2)
[0028] 左邊界描述如式(3)所示：
[0029] t = ts (3)
[0030] 右邊界描述如式(4)所示：
[0031] t = te (4)
[0032] 端制布由巧巧描冰加立化）所示；
[0033]
綺.；
[0034] 根據(jù)式（1)-式(5)確定充放電曲線位置包括:若當前t時刻滿足5〇(：(*) = 5〇山3、，貝。 充放電曲線位于上邊界;若當前t時刻滿足So(Xt) = SoCmin,則充放電曲線位于下邊界;若當 前t時刻滿足
剛充放電曲線位于強制充電邊界;若W上均不 滿足，則充放電曲線位于充放電可行域內。
[0035] 進一步地，所述步驟(6)充放電功率P的獲取過程包括：
[0036] 首先，設置控制死區(qū)[-Afdb, Afdb] W及k+和k-數(shù)值;其中，k+為系統(tǒng)頻率增加時用 戶增加充電功率的參與度，k-為系統(tǒng)頻率降低時用戶減少充電功率或增大反供電功率的參 與度;-A fdb和A fdb分別為系統(tǒng)實時頻率偏差的下限值和上限值；
[0037] 若系統(tǒng)實時頻率偏差 A f e [ - A fdb，A fdb]，則P = Po;若 A f〉A fdb，則P = Po+k+ X A f ;若P〉Pmax，現(xiàn)Jp = Pmax ;若 A f < A f 化，貝化=Po+k- X A f ;，現(xiàn)Jp = Pmin ;其中，Po、Pmax和 Pmin分別為車載電池的初始充電功率、可接受最大充和最小充電功率Pmin;
[0038] 其次，根據(jù)上邊界、下邊界、強制充電邊界約束對P進行修正;若充放電曲線位于上 邊界且P〉〇，則將P置0;若充放電曲線位于下邊界且P<〇，則將P置0;若充放電曲線位于強制 充電邊界，則設定P = PmaXD
[0039] 與現(xiàn)有技術比，本發(fā)明達到的有益效果是：
[0040] 本發(fā)明提出一種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法，該方法能夠在電動汽 車?？繒r間段內，最大限度利用電動汽車參與系統(tǒng)需求側響應。
[0041] 在電動汽車將逐步取代傳統(tǒng)的燃油汽車成為未來的發(fā)展趨勢的情況下，利用電動 汽車為電力系統(tǒng)提供輔助調頻服務，在原有電動汽車充電模型基礎上裝有可控參與度的電 力系統(tǒng)輔助頻率控制器;該控制器內部采用分散控制策略，節(jié)約了集中控制充電站的建設 成本，同時僅采集系統(tǒng)頻率信號作為輸入信號，無需通信系統(tǒng)的支持。
[0042] 根據(jù)電網(wǎng)功率需求，控制電池充放電。在控制過程中，引入強制充電邊界，保證電 動汽車出行時刻電池電量滿足用戶出行需求、電池保養(yǎng)需求和充電需求;在參與系統(tǒng)頻率 響應的同時，充分考慮電動汽車車主的用車需求，避免傳統(tǒng)頻率控制過程中易出現(xiàn)的系統(tǒng) "二次擾動"問題。
[0043] -方面，電動汽車的無序充電可能與已有負荷高峰重合，對電力系統(tǒng)產生沖擊;另 一方面基于電力電子的V2G技術可W使得電動汽車成為一種潛在的可控資源輔助系統(tǒng)優(yōu)化 運行。有效應對能源和環(huán)境的危機，大大提升了區(qū)域電力系統(tǒng)供需動態(tài)平衡能力。
[0044] 在充分考慮電動汽車的特性和用戶需求的基礎上，構建電動汽車充放電可行域， 設計基于可行域的電動汽車動態(tài)調頻控制方法，可W實現(xiàn)電動汽車輔助電力系統(tǒng)動態(tài)調 頻，同時實現(xiàn)電動汽車用戶的最大化收益，實現(xiàn)多方共贏。
【附圖說明】
[0045] 圖1基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法流程圖；
[0046] 圖2為頻率下垂控制示意圖；
[0047] 圖3為充放電可行域示意圖；
[0048] 圖4為實施例中提供的電網(wǎng)頻率測試系統(tǒng)示意圖；
[0049] 圖5為實施例中提供的頻率控制效果示意圖。
【具體實施方式】
[0050] W下結合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。
[0051] 為了應對大規(guī)模新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)造成的有功供需不平衡問題，在電動汽車 日益普及的環(huán)境下，V2G技術能夠利用電動汽車作為需求側響應負荷為電力系統(tǒng)提供輔助 服務。
[0052] 頻率是反映電力系統(tǒng)有功平衡的指標。當發(fā)電廠有功出力大于有功負荷時，系統(tǒng) 頻率升高；當發(fā)電廠有功出力小于有功負荷時，系統(tǒng)頻率降低，頻率偏差有可能會危及到電 力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。而電動汽車作為一種典型的柔性負荷，能夠W系統(tǒng)頻率信號作為輸入 信號調整充放電功率，支撐電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。
[0053] 本發(fā)明提出一種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法，將電動汽車參與系 統(tǒng)，即在原有電動汽車充電模型基礎上裝有可控參與度的電力系統(tǒng)輔助頻率控制器；W系 統(tǒng)頻率f W及參與度k為輸入量，通過調整電動汽車電池的狀態(tài)(充電/放電/閑置），控制電 動汽車參與系統(tǒng)頻率響應。
[0054] 該控制器內部采用分散控制策略，從而節(jié)約集中控制充電站的建設成本。此外，僅 采集系統(tǒng)頻率信號作為輸入信號，無需通信系統(tǒng)的支持。在參與系統(tǒng)頻率響應的同時，充分 考慮電動汽車車主的用車需求，避免傳統(tǒng)頻率控制過程中易出現(xiàn)的系統(tǒng)"二次擾動"問題。
[0055] 根據(jù)電網(wǎng)功率需求，控制電池充放電。在控制過程中：首先考慮用戶的出行時間需 求，僅在電動汽車?？繒r間段內對其進行充放電控制;其次，避免由于過度充電和過度放電 造成的電池損耗;最后，引入強制充電邊界，保證在用戶預設出行時刻車載電池電量達到用 戶預設需求值。
[0056] 下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。
[0057] 首先根據(jù)系統(tǒng)頻率f W及參與度k動態(tài)確定頻率控制器的工作模式，并計算電動汽 車SoC可接受區(qū)間（SoCmin，SoCmax);其次根據(jù)電動汽車荷電狀態(tài)SoC確定電池的充放電狀 態(tài)。
[0058] 如圖1所示，其方法的具體步驟包括：
[0059] (1)設置用戶需求參數(shù);包括:將電動汽車接入時間設置為電動汽車充電初始時間 ts;將電動汽車預計出行時間設為te，電動汽車充電目標值設為SoCtarget; W及，
[0060] 設置W防止過度放電為目標的最小荷電狀態(tài)SoCmin,-般設為20%;設置W防止過 度充電為目標的最大荷電狀態(tài)SoCmax, -般設為90 % ;
[0061] (2)識別電動汽車充放電控制參數(shù);包括車載電池實時荷電狀態(tài)SoC(t);車載電池 可接受最大充電功率Pmax和車載電池容量E。
[0062] (3)計算初始充電功率Po的表達式如下式所示：
[0063]
[0064] (4)識別電力系統(tǒng)實時頻率f，通過與目標值進行比較，獲得系統(tǒng)實時頻率偏差A f;
[0065] (5)構建充放電可行域，如圖3所示，確定電動汽車充放電曲線位置；
[0066] 步驟(5)中，構建充放電可行域的方法包括：
[0067] 從步驟(2 )和(3 )中獲得參數(shù)ts，te，SoCmin，SoCmax，Pmax構建電動汽車充放電可行域； 該可行域利用直角坐標系進行描述;其中，橫軸為時間，縱軸為車載電池 SoC值;該直角坐標 系下，通過充放電曲線描述電動汽車SoC值隨時間變化情況，判斷是否已到達預設充電時 間，若未到達，則返回步驟(4);若到達，則充電結束。
[0068] 充放電可行域由上邊界、下邊界、左邊界、右邊界和強制充電邊界五個邊界圍成； 其中，上邊界描述如式（1)所示：
[0069] SoC = SoCmax (1)
[0070] 下邊界描述如式(2)所示：
[0071] SoC = SoCmin (2)
[0072] 左邊界描述如式(3)所示：
[0073] t = ts (3)
[0074] 右邊界描述如式(4)所示：
[0075] t = te (4)
[0076] 強制充電邊界描述如式(5)所示：
[0077]
巧)；
[0078] 根據(jù)式（1)-式(5)確定充放電曲線位置包括:若當前t時刻滿足5〇(：(*) = 5〇山3、，貝。 充放電曲線位于上邊界;若當前t時刻滿足So(Xt) = SoCmin,則充放電曲線位于下邊界;若當 前t時刻滿巧
I則充放電曲線位于強制充電邊界;若W上均不 滿足，則充放電曲線位于充放電可行域內。
[0079] (6)根據(jù)下垂控制策略計算充放電功率P;如圖2所示，
[0080] 首先，計算充放電功率設置控制死區(qū)[-Afdb, Afdb] W及k+和k-數(shù)值;其中，k+為系 統(tǒng)頻率增加時用戶增加充電功率的參與度，k-為系統(tǒng)頻率降低時用戶減少充電功率或增大 反供電功率的參與度;-A fdb和A fdb分別為系統(tǒng)實時頻率偏差的下限值和上限值；
[00川若 A f e [ - A f 化，A f 化]，貝化=Po;若 A f〉A f 化，貝化=Po+k+ X A f;若P〉Pmax，貝化= Pmax ;若A f < A f db，貝化=Po+k-X A f ;，貝化=Pmin ;其中，Po、Pmax和Pmin分別為車載電池 的初始充電功率、可接受最大充和最小充電功率Pmin;
[0082] 其次，根據(jù)上邊界、下邊界、強制充電邊界約束對P進行修正;若充放電曲線位于上 邊界且P〉〇，則將P置0 ;若充放電曲線位于下邊界且P<〇，則將P置0 ;若充放電曲線位于強制 充電邊界，則設定P = PmaXD
[0083] 實施例:下面結合附圖4對大電網(wǎng)測試系統(tǒng)進行描述:本發(fā)明利用簡化的電力系統(tǒng) 頻率控制模型進行對方法的有效性進行測試。測試系統(tǒng)中設置10萬臺電動汽車，其中5萬臺 采用VlG控制模式，5萬臺采用V2G控制模式。W風力發(fā)電為例，模擬大規(guī)模風電并網(wǎng)給電力 系統(tǒng)帶來的頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象。
[0084] 下面結合附圖5對本發(fā)明的控制效果進行描述:通過圖5可見，在大規(guī)模風電并網(wǎng) 環(huán)境下，電力系統(tǒng)出現(xiàn)頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象。在對電動汽車進行頻率響應控制后，電力系統(tǒng)頻率 波動明顯減小?？梢?，本發(fā)明所提控制策略能夠有效抑制電力系統(tǒng)頻率偏差，利用電動汽車 為電力系統(tǒng)提供輔助調頻服務。
[0085] 在對電動汽車進行充放電控制后，其正常充電過程可能會受到影響。本發(fā)明在充 放電控制過程中引入強制充電邊界，保證在用戶出行時刻電池電量滿足用戶出行需求。10 萬輛電動汽車出行時刻的SoC值均在70 % W上，不存在出行時刻SoC值不滿足用戶出行需求 的問題。
[0086] 綜上所述，本發(fā)明所提方法能夠有效利用電動汽車負荷為電力系統(tǒng)提供輔助調頻 服務，同時在控制過程中保證用戶充電需求不受影響。
[0087] 最后應當說明的是：W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術策略而非對其限制，盡 管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然 可W對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何 修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種基于可行域的電動汽車輔助調頻控制方法，其特征在于，所述方法包括： (1) 設置用戶需求參數(shù)； (2) 識別電動汽車充放電控制參數(shù)； (3) 計算初始充電功率； (4) 識別電力系統(tǒng)實時頻率f，通過與目標值進行比較，獲得系統(tǒng)實時頻率偏差Δ f; (5) 構建充放電可行域，確定電動汽車充放電曲線位置； (6) 獲取充放電功率P。2. 根據(jù)權利要求1所述的電動汽車輔助調頻控制方法，其特征在于，所述步驟（1)中，設 置用戶需求參數(shù)，包括設置電動汽車充電初始時間t s、電動汽車預計出行時間L，和電動汽 車充電目標值SoCtarget;以及， 設置以防止過度放電為目標的最小荷電狀態(tài)SoUin，設置以防止過度充電為目標的最 大荷電狀態(tài)SoCmx。3. 根據(jù)權利要求1所述的電動汽車輔助調頻控制方法，其特征在于，所述步驟(2)中，電 動汽車充放電控制參數(shù)，包括車載電池實時荷電狀態(tài)SoC(t);車載電池可接受最大充電功 率Pm X和車載電池容量E。4. 根據(jù)權利要求1-3所述的電動汽車輔助調頻控制方法，其特征在于，所述步驟(3)中， 計算初始充電功率P〇的表達式如下式所示：5. 根據(jù)權利要求1所述的電動汽車輔助調頻控制方法，其特征在于，所述步驟(5)中，構 建充放電可行域的方法包括： 從步驟(2)和(3)中獲得參數(shù)ts，te，SoCmin，SoC max，Pmax構建電動汽車充放電可行域;該可 行域利用直角坐標系進行描述;其中，橫軸為時間，縱軸為車載電池 SoC值;該直角坐標系 下，通過充放電曲線描述電動汽車SoC值隨時間變化情況，判斷是否已到達預設充電時間， 若未到達，則返回步驟(4);若到達，則充電結束。6. 根據(jù)權利要求2、3或5所述的電動汽車輔助調頻控制方法，其特征在于，所述充放電 可行域由上邊界、下邊界、左邊界、右邊界和強制充電邊界五個邊界圍成;其中， 上邊界描述如式（1)所示： S〇C=S〇Cmax (1) 下邊界描述如式(2)所示： S〇C=S〇Cmin (2) 左邊界描述如式(3)所示： t = ts (3) 右邊界描述如式(4)所示： t = te (4) 強制充電邊界描述如式(5)所示：根據(jù)式（1)-式(5)確定充放電曲線位置包括:若當前t時刻滿足SoC (t) = S〇Cmax，則充放 電曲線位于上邊界;若當前t時刻滿足S〇C(t) = S〇Cmin，則充放電曲線位于下邊界;若當前t，則充放電曲線位于強制充電邊界；若以上均不滿 足，則充放電曲線位于充放電可行域內。7.根據(jù)權利要求4所述的電動汽車輔助調頻控制方法，其特征在于，所述步驟(6)充放 電功率P的獲取過程包括： 首先，設置控制死區(qū)[_ A fdb，Δ fdb]以及k+和k-數(shù)值;其中，k+為系統(tǒng)頻率增加時用戶增 加充電功率的參與度，k-為系統(tǒng)頻率降低時用戶減少充電功率或增大反供電功率的參與 度;-△ fdb和△ fdb分別為系統(tǒng)實時頻率偏差的下限值和上限值； 若系統(tǒng)實時頻率偏差 Δ f E [ - Δ fdb，Δ fdb]，則P = P〇;若 Δ f > Δ fdb，則P = P〇+k+ X Δ f;若 P>Pmax，則P = Pmax;若 Δ f〈 Δ fdb，貝丨JP = P〇+k- X Δ f;若P〈Pmin，則P = Pmin;其中，P〇、Pmax和Pmin分 別為車載電池的初始充電功率、可接受最大充和最小充電功率Pmin; 其次，根據(jù)上邊界、下邊界、強制充電邊界約束對P進行修正;若充放電曲線位于上邊界 且P>0，則將P置0;若充放電曲線位于下邊界且P〈0，則將P置0;若充放電曲線位于強制充電 邊界，則設定P = Pmax。
【文檔編號】H02J3/32GK105826934SQ201610270857
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】王曉輝, 陳乃仕, 葛賢軍, 蒲天驕, 于建成, 屈富敏, 穆云飛, 吳磊, 王旭東
【申請人】中國電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)天津市電力公司, 天津大學