電動汽車在微電網(wǎng)運行于孤島方式時的調(diào)頻研究目錄TOC\o"1-3"\h\u25934電動汽車在微電網(wǎng)運行于孤島方式時的調(diào)頻研究 1134501.1.前言 1285241.2.微電網(wǎng)調(diào)頻的特性 2168163.2.1.分布式電源和負荷以及同步發(fā)電機組的頻率特性的研究 230953.2.2.微電網(wǎng)的一次調(diào)頻研究 3193241.3.電動汽車參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整控制策略 4191901.4.基于電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)頻模型 518533.4.1.微電網(wǎng)系統(tǒng)結構 518503.4.2.電動汽車的充放電的靜態(tài)頻率模型 6312273.4.3.電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)頻的模型 6220151.5.算例與分析 7163323.5.1.微電網(wǎng)頻率調(diào)整時在負荷突增情況下頻率變化動態(tài)過程 7309173.5.2.微電網(wǎng)頻率調(diào)整時在負荷突減情況下頻率變化動態(tài)過程 9232803.5.3.不同數(shù)量電動汽車參與調(diào)頻對微電網(wǎng)頻率的影響 10前言頻率是可用來衡量電力系統(tǒng)的電能質量，也可以用來判斷電力系統(tǒng)所具有的穩(wěn)定性。在以前，電力系統(tǒng)當中，發(fā)電手段唯一，其頻率的變化是由于電源側負載側功率的不平衡引起的。然而，微電網(wǎng)中有眾多種類的發(fā)電機組，包括發(fā)電機組和許多聯(lián)網(wǎng)設備，并且頻率響應差異很大[33]。在微電網(wǎng)采用并網(wǎng)的模式來運行的情況下，其并不做出頻率與電壓的調(diào)節(jié)；在微電網(wǎng)的運行方式屬于孤島方式時，微電網(wǎng)能夠使得其頻率保持穩(wěn)定。調(diào)整內(nèi)部能源生產(chǎn)和消費。隨著時間的推移，微電網(wǎng)運行于孤島狀態(tài)時，其狀態(tài)點也會發(fā)生改變，導致微電網(wǎng)頻率偏離標稱值甚至更差。因此，微電網(wǎng)運行于孤島狀態(tài)下，需要能夠控制自身頻率的變化。與傳統(tǒng)發(fā)電機組對比下，每臺微電網(wǎng)分布式發(fā)電機組在節(jié)能、變頻調(diào)速、變頻調(diào)速特性等方面都存在很大差異，無法按照傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方式分析微電網(wǎng)變頻調(diào)速。微電網(wǎng)調(diào)頻的特性3.2.1.分布式電源和負荷以及同步發(fā)電機組的頻率特性的研究(1).微電網(wǎng)負荷的頻率特性微電網(wǎng)與大電網(wǎng)負的荷類型差別較小。根據(jù)電力負荷的功能，微電網(wǎng)負荷按其功能可分為照明、電氣、整流等。在負荷利用方面，微電網(wǎng)以電力和熱負荷為主。微電網(wǎng)負荷的有功隨功率變化情況如下圖3.1。圖3.1微電網(wǎng)的有功負荷的頻率特性曲線從上圖3.1中的曲線1可以得到，如果微電網(wǎng)中的傳統(tǒng)負荷在總負荷中占比相對過大時，負荷所需有功功率，在頻率變化的情況下也相應出現(xiàn)改變，在頻率提升的情況下，負荷所耗費有功有所提升。設定負荷頻率調(diào)節(jié)效應系數(shù)是KL，也叫做負荷阻尼常數(shù)D，用來檢測負荷調(diào)頻的效果的優(yōu)劣，如下式所示。 KL=?PL?f （3.1）式3.1中，?PL是負荷所消耗有功功率變化量，單位是MW；?f為系統(tǒng)頻率偏差，單位是Hz。從上圖3.1中的曲線2可以得到，如果微電網(wǎng)中負荷占的比例過大，此類負載消耗的功率受頻率變化影響較小，顯著降低了總負載的頻率調(diào)節(jié)效果。（2）分布式電源的頻率特性微電網(wǎng)當中的分布式電源包含了變流器連接類以及柴油發(fā)電機組電源這兩個種類。（a）變流器接入電源此電源可以劃分成兩個類型，包括穩(wěn)壓發(fā)電分布式電源，包括電動汽車、儲能等等。還有發(fā)電功率存在波動性新能源，例如風電、光伏發(fā)電機組等自然資源。由于風電和光伏發(fā)電功率波動大，它們的頻率特性過于繁瑣，因此本文主要考慮儲能系統(tǒng)的頻率特性。微電網(wǎng)變頻調(diào)速所涉及的蓄能器要通過采取有效控制措施，同時要有著相應的可控容量。在并網(wǎng)運行狀態(tài)下，當儲能系統(tǒng)對應受控電流源時，儲能裝置可以對電網(wǎng)側輸出有功與無功功率加以有效的控制，稱為PQ控制；在網(wǎng)絡獨立運行期間，儲能設備充當穩(wěn)壓電源。此時，儲能裝置可以看作為空控制的電壓源。主電源可以調(diào)節(jié)市電側的電壓以及頻率,即所謂的VF調(diào)節(jié)。因為用同步發(fā)電機建立的控制模型能夠很好的控制電力系統(tǒng)的頻率特性，所以被大量用于儲能系統(tǒng)的控制模型，其工作原理是用同步發(fā)電機模擬儲能系統(tǒng)，建立相應的控制仿真模型，來保持電網(wǎng)的穩(wěn)定。實際上，微電網(wǎng)功率、電壓和頻率等數(shù)據(jù)之間變化關系主要是由微電網(wǎng)的負荷特性來決定，部分的儲能系統(tǒng)使用無功—頻率、功率—電壓控制模型和防靜電模式來控制逆變器的運行。但是不管使用什么模型進行分析，它們核心都是必須根據(jù)頻率、電壓以及功率之間的關系來管理儲能系統(tǒng)的有功功率和無功功率，這與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比差距很大。在微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)內(nèi)，微電網(wǎng)頻率控制方法是取決于其控制仿真模型，本質上是對自身的功率的調(diào)節(jié)以及分配。（b）柴油發(fā)電機組微電網(wǎng)獨立運行時的主要能源通常是柴油發(fā)電機組、燃氣輪機與燃氣發(fā)動機廠。對于柴油發(fā)電機組來說，燃料控制受到發(fā)電機組的一次調(diào)頻的直接影響，發(fā)單機組調(diào)整頻率的結果達到了燃料/發(fā)電功率的平衡。當系統(tǒng)負載波動引起頻率變化時，改變發(fā)電機氣門的打開成都和電機齒條的不同位置來改變油量的提供，從而維持其轉速的不變。可知發(fā)電機轉子的轉速與其頻率成正比的關系，因此可以通過改變發(fā)電機轉速的快慢來調(diào)節(jié)同步發(fā)單機組的頻率變化，從而使得發(fā)單機組的轉速維持在恒定值附近。柴油發(fā)電機的頻率控制器通常使用電子調(diào)速器來控制速度。這種方法建立時間長，容易過沖。當系統(tǒng)啟動或負載在短時間內(nèi)因偏差較大而發(fā)生較大變化時，頻率調(diào)整也會相應延遲。3.2.2.微電網(wǎng)的一次調(diào)頻研究微電網(wǎng)一次調(diào)頻是為了防止系統(tǒng)頻率發(fā)生偏差時，對能得能夠進行一次調(diào)頻的功率電氣元件進行調(diào)頻，維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。微電網(wǎng)一次調(diào)頻的所用時間極短，大概在毫秒與秒之間，是由其內(nèi)部的電源控制。當以同步發(fā)電機為主要電源的微電網(wǎng)的頻率突然發(fā)生改變時，同步發(fā)電機可以利用自身的調(diào)速系統(tǒng)進行對應的調(diào)頻。當以儲能元件作為主要的能源的微電網(wǎng)中，當微電網(wǎng)的頻率突然改變時，因為儲能系統(tǒng)的調(diào)頻方式多樣靈活，其可以用于恒定頻率控制或者頻率下垂的控制。如果儲能的可調(diào)功率足夠，中央微電網(wǎng)控制系統(tǒng)可以隨時協(xié)調(diào)和分擔各個分散電源的發(fā)電負荷，則可以將儲能控制在恒定頻率。如果儲能元件的可調(diào)用容量不夠大時，那么可以依據(jù)自身的調(diào)諧能力調(diào)整對應的特性曲線，同時其他分布式電源也可以調(diào)整降頻。調(diào)整系數(shù)根據(jù)自身的適應性和額定頻率的調(diào)整功率波動根據(jù)微電網(wǎng)頻率的變化按比例分配。微電網(wǎng)一次調(diào)頻的用途主要是是防止電網(wǎng)中負荷突然增加或者減少引起頻率的波動，頻率控制的結果是維持原來系統(tǒng)的平衡或者達到全新平衡。電動汽車參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整控制策略電動汽車可以作為受控負載和分散式電源，在微電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)中扮演重要的角色。電動汽車參與微網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制是通過控制變流器來模仿對發(fā)電機一次頻率的控制，并根據(jù)微網(wǎng)頻率發(fā)生偏差時負荷響應來達成的。如果微電網(wǎng)上的負載增加從而引起系統(tǒng)頻率改變時，那么可以通過該百年電動汽車充電時候的功率從而達到減少負荷的作用。如果微電網(wǎng)發(fā)生頻率改變，其降幅較大時，那么則可以將電動汽車的電池看作是分布式電源，對系統(tǒng)進行放電，增大電能的提供。相反，如果微電網(wǎng)中的負荷降低從而導致頻率升高時，那么此時電動汽車又可作為負荷對電網(wǎng)進行能量的消耗，從而達到對電網(wǎng)調(diào)頻的控制要求。與大電網(wǎng)相比，在微電網(wǎng)中，如果負載消耗的有功功率發(fā)生急劇變化時，那么微電網(wǎng)的有功功率也將會失去平衡，同時頻率的不波動會嚴重影響到微電網(wǎng)的平衡。當大型電動汽車上線時，它們的可用功率非常重要。圖3.3電動汽車參與電網(wǎng)頻率調(diào)整的模型在電動汽車參與系統(tǒng)進行一次頻率調(diào)整時候，儲能單元只用一個頻差信號代替它所輸入的信號。調(diào)頻電動汽車所具有的衰減特點，就是參與調(diào)頻電動汽車充電與放電的電極的極限值。對應上圖3.3中的頻率死區(qū)環(huán)節(jié)。圖3.4電動汽的車頻率響應特性曲線電動汽車可以利用圖3.4所示的頻率響應曲線參與微電網(wǎng)的頻率控制。圖中引入了電動汽車參與電網(wǎng)頻率調(diào)整的頻率死區(qū)，防止電動車反應過度，影響電池壽命。FM死區(qū)是頻率偏差很小，電動汽車沒有響應的時候。鑒于電動汽車的可用容量有限，該圖引入了充放電功率方面所存在的限制。若是電動汽車的電池所具有的充電周期只考慮電動汽車提供的電網(wǎng)頻率調(diào)整服務，那么在系統(tǒng)沒有頻率差的情況下，充電的功率就是0，不過由于其屬于交通出行工具，其需要對電力進行耗損，即便是把頻率差設定在0，但其依然會被充電。且以Pmax2的進行充電。 Pc=Pmax,Dc?f>PmaxPmax2,?f≤f0Dc?f （3.2）式3.2中，f0表示頻率死區(qū)最大值的絕對值；Pc表示電動汽車的充電功率；Pmax表示其的最大的充電功率；Dc其充電頻率的響應系數(shù)?；陔妱悠噮⑴c微電網(wǎng)調(diào)頻模型3.4.1.微電網(wǎng)系統(tǒng)結構微電網(wǎng)是集電源、負載、儲能和控制設備于一體的控制單元。在我國內(nèi)相對偏僻地區(qū)，因為受到地理的制約，常采用光伏發(fā)電機、風力發(fā)電機等。這些可再生能源會隨環(huán)境氣候的變化而有所不同，這會對微電網(wǎng)頻率以及電壓造成影響，引起其波動，這將對微電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運行帶來不好的影響。因此，為了減少這些影響，將電動汽車參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整那中能夠提高其運行穩(wěn)定。具體的結構模型可見下面圖。圖3.4獨立微電網(wǎng)的結構3.4.2.電動汽車的充放電的靜態(tài)頻率模型一定數(shù)量的的電動汽車共同參與到系統(tǒng)的頻率調(diào)整時，將整個參與的電動汽車當作是充放電靜態(tài)頻率模型，如式3.4和式3.5所示。需要指出，該模型是根據(jù)電力系統(tǒng)本身的頻率變化來搭建，從而使電動汽車進行充電或放電時能夠有效參與微電網(wǎng)的調(diào)頻服務。 ?Pd=Kd1+sTd?ω （3.4） ?Pc=Dc1+sTc?ω （3.5）在上面兩個公式當中：?Pc代表著充電的功率所發(fā)生的變化情況；?Pd代表著放電的功率所發(fā)生的變化情況；Kd代表著放電頻率響應系數(shù)的情況；Td代表著電池的放電所需時間的常數(shù)情況；Tc代表著電池充電的所需時間的常數(shù)情況；Dc代表著充電負荷阻尼系數(shù)情況。文獻[34]中闡述了頻率特性系數(shù)的兩種評估方法，其中一種方法是對需求頻率特性系數(shù)Kl進行評估。對應頻率特性系數(shù)的估算值Kl為頻率響應系數(shù)Kd與負荷阻尼系數(shù)D之間相加。所以可利用下面的公式來進行運算： Kd=Kl-D （3.6）另外一個辦法則是求每一輛電動汽車的頻率特性從而的出對應的頻率特性系數(shù)，然后用其總和作為系統(tǒng)電動汽車的負荷頻率特性，如下式3.7： Kd=i=0NKdi （3.7）式子3.7中，其中i表示對應的電動汽車的序數(shù)，N表示參與調(diào)頻電動車輛總數(shù)。3.4.3.電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)頻的模型本文主要同步發(fā)電機的參與過程中的整體特性，忽略每個機組之間振蕩的影響。建立電動汽車參與微電網(wǎng)的頻率調(diào)整的仿真模型如下圖3.6所示，其中對應模塊的參數(shù)如表3.1中所記錄：圖3.6電動汽車參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整的模型算例與分析為對電動汽車參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整所具有的可行性進行驗證，利用Matlab/Simulink軟件來構建參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整的仿真模型。如圖所示3.6，模型對應的數(shù)據(jù)參數(shù)為死區(qū)頻率上下幅值設置為±0.5Hz，電動汽車的充電和放電的最大功率全部都記作5000W，系統(tǒng)功率為300MW，輸入擾動信號為階躍信號，負載突然增加約15MW。假如電動汽車參與微電網(wǎng)的調(diào)頻其撤裁電池的總的儲存的能量能夠達到對應系統(tǒng)的功率和容量的要求，同時假設電動汽車進行充電或者放電時同樣能夠滿足系統(tǒng)要求，并且不考慮電池本身因素對對電動汽車參與微電網(wǎng)的調(diào)頻所產(chǎn)生的影響狀況。有關參數(shù)具體可見表3.1。表3.1電動汽車參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整對應模型的參數(shù)對應模塊的參數(shù)數(shù)值機組調(diào)差率0.05調(diào)速器時間常數(shù)0.2原動機時間常數(shù)0.3自動發(fā)電控制增益1慣性時間常數(shù)10區(qū)域頻率響應系數(shù)26負荷-阻尼常數(shù)1AGC控制增益0.02383.5.1.微電網(wǎng)頻率調(diào)整時在負荷突增情況下頻率變化動態(tài)過程設置t=1s時，處于孤島運行模式條件下，微電網(wǎng)負荷突然增加擾動時，微電網(wǎng)頻率會發(fā)生波動。根據(jù)圖3.6的電動汽車參與調(diào)頻的模型預計表3.1系統(tǒng)對應模塊的參數(shù)基于Matlab/Simulink軟件仿真，驗證參與微電網(wǎng)的情況。微電網(wǎng)處于孤島運行模式的情況下，其中只有單一種類發(fā)電機組，柴油發(fā)電機組參與調(diào)頻，將兩個發(fā)電機組作為一臺機組來開展軟件的仿真模擬；孤島微電網(wǎng)協(xié)調(diào)柴油發(fā)電機組的調(diào)頻情況在微電網(wǎng)忽然間出現(xiàn)符合的變動并造成相關影響之下，對參與微電網(wǎng)調(diào)頻的狀況對于頻率變化加以分析，下圖3.7當中就是在兩類情況之下，0-50s的微電網(wǎng)頻率發(fā)生的變動狀況的比較圖，在圖3.8當中的兩類情形之下，0-500s之間的微電網(wǎng)頻率發(fā)生的變動狀況比較圖。圖3.7負荷突然增大時有無電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)頻的情況下其頻率的0—50s頻率的變化圖3.8負荷突然增大時有無電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)頻的情況下其頻率0—500s頻率的變化通過圖3.7的情況可知，在微電網(wǎng)負荷忽然間出現(xiàn)明顯的干擾的情況下，在無V2G和有V2G的參與電網(wǎng)調(diào)頻的情況下，其系統(tǒng)品最高降低依次為0.16和0.084赫茲。根據(jù)圖3.8可知，無電動車參與調(diào)頻的情況下，電網(wǎng)頻率就會于209秒時回到最初的額定值上；在參與電網(wǎng)頻率的調(diào)整過程中，頻率就會在197s恢復初始穩(wěn)定值?？梢婋妱悠噮⑴c微電網(wǎng)的調(diào)頻顯著降低了系統(tǒng)的頻率突變時的峰值大小，相比于電動汽車不參與調(diào)頻恢復到穩(wěn)定值所用時間也較短。3.5.2.微電網(wǎng)頻率調(diào)整時在負荷突減情況下頻率變化動態(tài)過程當微電網(wǎng)的運行處于孤島模式的情況下，t=1s的情況下，設定忽然降低負荷量所產(chǎn)生的干擾，微電網(wǎng)狀態(tài)就會出現(xiàn)一定變動。按照圖3.6當中的模型可知，預計表3.1系統(tǒng)對應模塊的參數(shù)基于Matlab/Simulink軟件仿真，當微電網(wǎng)突然受到負荷變化的干擾時，對于有無電動汽車參與微電網(wǎng)頻率調(diào)整的情況對其頻率的改變開展分析研究。圖3.9就是針對兩類不一樣的情形之下，0-50s之間的微電網(wǎng)頻率所出現(xiàn)的變動的比較分析，圖3.10就是針對兩類不一樣的情形之下，0