基于电动汽车与温控负荷的电力系统调频控制策略研究

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

为了应对能源危机和环境危机，近年来新能源发电得到了世界各国的高度重视，这推动了风电、光伏发电在世界各国规模化、产业化的发展。在世界范围内，可再生能源发电容量正在不断增加，所占比例也在不断扩大。在欧洲国家荷兰，2014 年可再生能源总发电量为 117 亿千瓦时，占总用电量比重约 10%，其中风力发电量 49.8 亿千瓦时，同比增长 8%;在丹麦，政府计划在 2020 年前实现清洁能源占总发电量比重 50%的目标，并在 2050 年前完全脱离化石燃料。

而根据美国市场研究机构最新发布的报告，2014 年拉丁美洲光伏市场装机量达 625 兆瓦，较 2013 年上涨 370%。 我国幅员辽阔，风能、太阳能等可再生能源丰富。新能源发电在我国也得到了快速发展。数据显示，截至 2014 年底，我国光伏发电累计装机容量 2805 万千瓦，同比增长 60%，其中，光伏电站 2338 万千瓦，分布式 467 万千瓦，年发电量约 250 亿千瓦时，同比增长超过 200%。同时，国家能源局公布的相关数据表明，2014 年，我国风电并网装机已超 9000 万千瓦，预计年发电量 1500 亿千瓦时。

可再生能源发电的规模不断扩大，为电力系统提供了大量的清洁能源，缓解了环境压力，促进了经济社会的可持续发展。然而，从电力系统的供需平衡的角度，可再生能源具有间歇性的特点，大规模可再生能源的并网给电力系统稳定性带来了巨大的挑战。可再生能源的不稳定性既会增加系统的备用容量，增大了系统的运行成本，同时也会对电能质量产生很大的负面影响，如电网频率更加难以维持稳定。

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1.2 国内外研究现状

电动汽车作为一种典型的能够与电网互动的柔性负荷，除交通功能外，还可以通过 V2G 技术参与电力系统需求侧响应。在大规模新能源并网环境下，通过对电动汽车负荷的需求响应控制能够提高电力系统对间歇性新能源的消纳能力。同时，电动汽车还能够为电力系统提供旋转备用，提高电网的应急控制能力。电动汽车负荷具有以下特征：

(1) 可控时间长。一般电动汽车在全天当中出行时间仅占 4%，其余 96%的时间处于闲置状态。在闲置期间，电动汽车具有很大的用电弹性，能够作为储能装置为电力系统提供辅助服务[1-3];

(2) 能量双向流动。基于 V2G 技术，电动汽车既能够作为电力负荷从电网吸收电能，又能够作为分布式电源将电能向电网回馈，根据电力系统功率需求动态调整充放电功率[4-5];

(3) 响应速度快。电动汽车的充放电在本质上是化学过程和电磁过程，不包含机械过程。因此，电动汽车车载电池具有较快的响应速度，其充放电状态改变时间能够达到毫秒级[6].

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第二章 考虑用户参与度的电动汽车集中式频率控制策略

2.1 引言

在电动汽车快速普及的背景下，集中式充电站、换电站是公共区域应对大规模电动汽车接入电网的有效商业模式。在电动汽车集中接入方式下，基于Vehicle-to-Grid(V2G)技术，电动汽车能够通过集中控制为电力系统提供辅助调频服务[38-40]。在系统频率高于额定值场景下，电动汽车增加充电功率以增加系统负荷;在系统频率低于额定值场景下，电动汽车降低充电功率或向系统反供电，等效降低系统负荷，维持系统频率稳定。 电动汽车作为一种移动式储能装置，与传统储能有显著的区别，主要体现在其可用容量受出行特性的影响，是实时动态变化的[41-43]。

电动汽车负荷特性与用户充电方式有密切的联系，在实时电价等激励措施的刺激下，电动汽车能够通过改变充电模式(如无控充电和智能充电等)实现充电负荷在时间尺度上的变换，实现负荷的削峰填谷。 本章首先构建电动汽车充电桩与电池的数学模型。为了构建电动汽车负荷群体模型，研究电动汽车群体的出行特性，包括出行时间、出行距离以及车载电池容量特性。针对电动汽车的集中式接入方式，提出一种考虑用户参与度的电动汽车集中式频率控制策略。在集中控制下，首先根据电动汽车车载电池 SOC 对其进行实时排序，再依据系统频率信号控制电动汽车的充放电状态，调整充放电功率，为电力系统提供辅助调频服务。

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2.2 电动汽车负荷单体建模

电动汽车电池模型是一个与电阻相串联的可控电压源。该模型仅仅将 SOC作为电池的状态参数，能够精确地反映不同类型电动汽车电池(锂离子、铅酸、镍金属氧化物、镍镉电池)的充电过程。 作为电池的状态参数，能够精确地反映不同类型电动汽车电池(锂离子、铅酸、镍金属氧化物、镍镉电池)的充电过程。

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第三章 电动汽车分散式频率控制策略与调频能力评估方法 .... 21

3.1 引言 ....... 21

3.2 考虑用户需求的电动汽车分散式频率控制策略 ..... 21

3.3 基于动态分类的电动汽车调频能力评估方法 ......... 26

3.4 算例分析 ...... 29

3.5 本章小结 ...... 33

第四章 温控负荷与电动汽车的集中式协同频率控制策略初探 ....... 35

4.1 引言 ....... 35

4.2 温控负荷建模 ..... 35

4.3 温控负荷集中式频率控制策略 ..... 37

4.4 温控负荷与电动汽车协同频率控制策略 .......... 38

4.5 算例分析 ...... 39

4.6 本章小结 ...... 42

第五章 结论与展望 ......... 43