车联网作用下的电网调节新形势

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And these services may significantly reduce the social and economic benefits brought by the renewable energy. With the promotion of electric vehicles, which will be plugged into the grid for more than 20 90% of the time, the problem of ancillary services has a solution. This article will firstly introduce the operation of the V2G network, and the profits that the V2G clients could get. Then an IEEE-30 buses transmission network will be employed to reveal how the charging loads will improve the integration of the wind power from perspective of grid's frequency stability. Finally, the V2G will be taken as distributed generators, whose impact to the power flow will be discussed. 25 Keywords: V2G; electric vehicle; renewable energy; ancillary service; generation tracking 0 引言 人类一直在试图掌控更多的能量为己所用。当发展到内燃机逐渐惠及所有个体，大电网 的触角伸向每一个角落的今天，问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 才刚刚开始。环境污染、停电事故、核泄漏危机，离我30 们并不遥远，而给我们带来了不可估量的损失。提高可再生能源利用比例，加强电网的可靠 性是当下十分紧迫的任务。传统电力系统的自动化建设为其自身可靠性和经济效益做了很大 贡献，但面对可再生能源的加入显得不相共融。文献[1]认为 500 MW 的风电装机需要 470 MW 的备用容量，每兆瓦的光伏发电需要 750kWh 到 1MWh 的储能设备，不解决好辅助服 务的问题，可再生能源难以大规模使用。 35 另一方面石油资源正在枯竭，但全世界汽车销量却快速增长。许多国家的政府和企业都 在加速电动汽车的开发，已取得较大的突破，纯电动的 Tesla Roadster 可以保证 350 公里的 满充行驶里程 ，每公里耗电 135Wh。充电桩、换电站等电动汽车基础设施建设即将大规模 展开[2]。 让电动汽车在电网中成为电源的观点早在 1997 年就被美国特拉华州立大学的 W. 40 Kempton 提出[3]。Kempton 于 2002 年在文献[4]中建立起车联网(vehicle to grid)的概念。互联 网、通讯技术在近十几年的普及更加强了这一想法的可行性。于是，一幅可再生能源与电动 汽车共同改变现有能源结构的蓝图呈现在我们面前。 http://www.paper.edu.cn - 2 - 中国科技论文在线 1 车联网概述 1.1 车联网运行 45 文献[5]认为电动汽车在电网里既是可调负荷，又是可以是储能单元，必要时还可以让 发动机启动作为应急电源（针对混合动力的车型而言）。 当千千万万电动汽车融入电网提供辅助服务的时候，电网不可能与每辆车一一交易。这 时需要有一个实体来扮演中间角色，一方面接受电网的指令，另一方面对车辆进行控制。我 们姑且将这个实体称作集电站(aggregator)。对于电网而言，整个集电站既是一个能快速响应50 的电源，又是一个快速可调的负荷。集电站与电网签订协议，提供提前一天或提前一小时的 调节容量。电网和集电站之间建立一个保密的数据交换通道，用于调节指令的传输。集电站 通过 GPS 跟踪那些正在充电的汽车，得知某辆车处在某一控制区域，然后从电网那里接收 指令（AGC 信号），再把这些任务分配给正在充电的汽车。如图 1 所示： 55 图 1 车联网运行总图 Fig. 1 A visionay picture for V2G 集电站同时也和车辆使用者形成互动。比如在集电站的公司网站上，人们可以登录填写 车辆类别，设置自己的偏好，注明能接受的最低荷电状态等等。还能及时获知车辆的充电状60 态，看到充电费用和从辅助服务中得到的利益。 用户的设置包括了车辆接在电网上的起始时间。按照通常的用车习惯，非上班时间（包 括周末）车辆接在家里，上班时间接在单位。用户可以注明不同接入场所的最低荷电状态， 因为有时可以允许荷电值很低，但在特定时间一定的荷电状态必须有保证（比如临下班的时 候要保证车能开回家）。这样的设置可以帮助集电站进行调频容量预测。 65 蓄电池充电或向电网放电荷电状态会有波动，长时间的正向调频（向电网放电）会导致 电量达到用户填写的下限。这时集电站就需要终止该车的正向调频，在其控制范围内重新找 一辆车提供辅助服务。 http://www.paper.edu.cn - 3 - 中国科技论文在线 以上的操作是在互联网上进行的，也就是说用户使用一台个人电脑甚至一部智能手机用 可以掌控车辆的充电状态。 70 1.2 车联网用户的经济效益分析 每辆车的调频份额为自身接入功率和总调频容量之比。例如一辆车有 7kW 的正向调频 能力，全网调频高峰需要 70 万千瓦(700 000kW)的正向调频功率，那么此辆车的份额为 7/700 000=0.01‰，所有时候它的调频能力都按 0.01‰计算。 按照美国的规划 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，车辆在居住区可以以 32A, 240V(7.68kW)正常功率或者 80A, 75 240V(19.2kW)大功率的方式接入。在单位也可以接入，在创造价值的同时也为更远的行程 提供了保障。车辆在 90%的周末时间和工作日的全部下班时间（大约从 17 点 30 到次日 7 点 30）在家，工作日的 8 点到 17 点在单位。总之，94.2%的时间车辆都可以处在连接状态。 如果一个区域有 10 万辆电动汽车，每辆车占调频总量的 0.01‰，那么用户全年可以因此得 利 3900 美元[6]。 80 当然实际经济效益取决于提供辅助服务的时间和时机。也跟电网的经营方式有关。美国 的研究估计，每辆车每年的辅助服务收益从 1000 到 5000 美元不等。 考虑到辅助服务对电池寿命的消耗，1000 美元对于用户而言可能微不足道。倘若电池 归集电站所有，用户只要如约将车辆接入网中，集电站就保证用户能用到状态良好的电池， 坏了免费更换。一组铅酸电池有 28 个蓄电单元，每个 150 美元。总价 4200 美元。如果电池85 组有两年半的使用寿命，那么每年的电池成本，或者说用户的车联网收益至少为 1680 美元。 如果用充放电的能量来量化蓄电池在电网服务中的贡献和驱动汽车行驶的贡献，那么蓄 电池对车联网服务的贡献值为驱动汽车行驶的两倍都属正常情况。具体地说，一辆车一年跑 2 万公里，每公里耗电 150Wh 是很容易实现的，年耗电 3000kWh。以 32A 电流提供电网服 务，每年多进行 2500kWh 的充放电；以 80A 电流提供服务，每年多了 6200kWh 的充放电。90 看上去电网服务让电池使用更频繁，会降低它的寿命。但实际上参加电网服务的利润率比电 池折旧率要高，所以电池使用越频繁，收益越丰厚。 车辆在居住地接入电网的时间长度为单位的 2.5 倍，所以在家创造的价值更多。单纯在 家以 80A 连接所创造的价值也比在家和单位以 32A 连接所创造的更多。当然在单位参加车 联网服务的利润率没变，而且保证了车辆的行驶距离，对用户而言也是有价值的。 95 如果（人为规定的）电池使用年限比其生命周期短，那么这就更鼓励人们加入到电网服 务中来，在让电池在使用周期内尽其所用。以一块铅酸电池为例，它可以充放电 800 次，每 次够让车辆行驶 120 公里，总共可以行驶 120×800 = 96 000 公里。如果每年行驶 2 万公里， 那么三年之后电池到达报废期，共让车辆行驶 6 万公里，仅为其真实寿命的 62.5%. 参加车 联网服务就可以在电池报废之前将它的寿命用满。实际情况可能比这复杂一点，但原理是一100 样的。 2 充电负荷对风力发电的跟踪 考虑到分布式发电可能对传统电网带来逆向潮流，本文单纯研究集电站作为可调负荷参 与辅助服务时，含有风力发电的电力系统可靠性。 2.1 算例描述 105 如果人们养成不用车时就将车接上电源的习惯（这对于延长铅酸电池的寿命是有帮助 的，锂离子电池也不希望深度放电），白天的充电负荷多集中在工、商业用电侧，夜间充电 http://www.paper.edu.cn - 4 - 中国科技论文在线 负荷点集中在居民侧。而风机则多处在风能资源丰富的郊外甚至更偏远的地区。用电区域和 发电区域的地理距离比较远。 所以这里考虑一个 IEEE-30 节点的高压输电网络，如图 2 所示，系统总负荷为 283.4MW，110 电压等级 100kV。主发电机接在 1 号节点，功率 261MW，次发电机 40MW 接在 2 号节点， 其余为调相机。 图 2 IEEE-30 节点输电网络 Fig. 2 A transmission grid with 30 buses according to IEEE 115 假设 30 号节点风能资源丰富，在这里接入一座小型风电场，14 号节点有一个变电所将 电送往一工座业区，29 号节点有一片居民小区，在这两个节点处都有较大规模的充电设施。 现在有一台 REPower MM82 异步双馈风机在工作，额定装机容量为 2MW，根据文献[7] 随机得出 10 钟的时间间隔内的风速，进而得到风机的输出功率[8]序列如图 3 所示： 120 图 3 600 秒内风机输出序列 Fig. 3 The output of a wind turbine (WT) within 600 seconds 以 1 号节点为平衡节点，用牛拉法进行基态潮流计算，得到网络在当前负荷状态下的各125 节点的电压情况以及平衡节点输入的有功和无功功率。接着分别单独在 14、29 号节点接入 200 辆充电的汽车(2MW)，得到平衡节点（1 节点）的有功和无功。 http://www.paper.edu.cn - 5 - 中国科技论文在线 随后将 30 号节点改为为平衡节点。令 1 号节点为 PQ 节点，输入功率为基态潮流计算 结果。以上述方法在 14、29 号节点接入 200 辆车的充电负荷，得到平衡节点（30 节点）的 有功和无功。数据见表 1。 130 表 1 平衡节点功率 Tab. 1 Power at the swing bus 平衡节点 1 号节点（无风机） 30 号节点（有风机） 车辆接入位置 无车（基态） 14 号节点 29 号节点 14 号节点 29 号节点 平衡节点有功(MW) 261.1330 263.4058 263.4860 1.904066 1.956755 平衡节点无功(MVAR) -11.361 -10.684 -10.436 0.00000 0.00000 从表 1 中可以发现，在 30 号节点接入风机以后，只要不到 2MW 的额外输入，即可满135 足 2MW 充电负荷的需求；如果使用主发电机来满足同样的需求，则分别需要 2.273MW 和 2.353MW 的能量。这从某种程度上反映了分布式发电具有减小网损的优越性。而同样情况 下 14 和 29 号节点的差异则是由电气距离造成的。 将表 1 前三种情况下各节点电压幅值绘成折线图（图 4）可以表明，加入充电负荷对电 压幅值没重大影响，不会有闪变的情况出现。 140 图 4 风机不同的接入方式下 1-30 节点电压(p.u.)： EV14SW1 表示集电站接在 14 节点，以 1 节点为平衡节点 Fig. 4 Voltage of all the buses beneath different means of WT connection 145 2.2 风电决定下的充电负荷修正曲线 下面不改变其它节点的负荷状态，令工业区（节点 14）的充电负荷从 0 开始逐辆增加， 也就是节点有功功率每次增加 10kW。由于仍然以 30 号为平衡节点，每增一辆车以后潮流 计算在平衡节点的有功功率 P0即为风机功率，此时车辆数目为 n；反过来讲，当风机出力为 P0时，需要有 n 辆车正在充电。倘若 n 随 P0的值动态变化，就可以在不需要任何发电机组150 动作的情况下，保证全网的负荷-发电平衡，即频率稳定。 风机在 10 分钟（2400 点序列）内的输出功率从 682.438 到 2000kW 不等。而针对 14 号 节点进行的研究表明，车辆数目和风机输出功率几乎成线性关系。在最低风速下需要 73 辆 汽车的充电负荷，在风机满发状态下，需要 210 辆汽车的充电负荷。以同样的方法对 29 号 节点进行计算，所有结果见表 2，以此绘得的拟合曲线见图 5。 155 http://www.paper.edu.cn - 6 - 中国科技论文在线 表 2 风机功率与充电汽车数量的关系 Tab. 2 The relation between the WT output and the number of recharging vehicles 160 节点 14 节点 29 车辆数目 充电负荷 (kW) 风机出力 (kW) 车辆数目 充电负荷 (kW) 风机出力 (kW) 73 730 682.6293 69 690 676.4973 93 930 873.5860 89 890 872.9382 113 1130 1064.848 109 1090 1069.534 133 1330 1256.416 129 1290 1266.285 153 1530 1451.942 149 1490 1453.419 173 1730 1644.128 169 1690 1650.694 193 1930 1836.621 189 1890 1848.114 210 2100 2000.482 205 2050 2006.152 P0 = 9.6283n-21.9071 P0 = 9.7538n+ 4.5554 图 5 风机功率与充电汽车数量的关系（拟合后的 P0-n 曲线） Fig. 5 The relation between the WT output and the number of recharging vehicles 165 需要声明的是，以上计算的前提是网络其它节点的负荷不变。虽然实际过程中负荷每分 每秒都在变，然而在任意给定的负荷和网络参数条件下，都可以通过潮流计算得到一份图 5 所示的 P0-n 关系，这可以在 AGC 每次指令发送之前基于超短期负荷预测产生。即使负荷发 生了很大的变化，以至于运用了一些调压手段，改变了网络参数，但每次总能确定地计算出 线性的 P0-n 曲线，每当风机出力发生变化时，按照最新的 P0-n 曲线向集电站发布充电负荷170 指令即可。 http://www.paper.edu.cn - 7 - 中国科技论文在线 图 6 600 秒内充电汽车数量 Fig. 6 Number of recharging vehicles during 600 seconds 175 当工业区有 210 辆以上，或居民区达到 205 辆以上的汽车正在充电时，就可以承担针对 风机的调频任务。由于 AGC 指令 4 秒钟一次[9]，以上风速序列的抽样间隔为 0.25 秒，所以 车辆计算频率只需和 AGC 同步（图 6）。经济调度的计算周期为 5 分钟，所以这里也选取 5 分钟作为一轮集电站调频的时长。 当站内车辆足够时，风机完全可以按照实时风况来发电。在图 6 的前 5 分钟内，原计划180 集电站的负荷为 2050kW，5 分钟需要 170.83kWh。在调频任务下，每个 Δt 的 AGC 间隔的 实际充电功率为 Pj，则第一轮实际充电能量为： 75 1 113.3778 kWhj j W P t = = Δ =∑ 下一个 5 分钟的周期，集电站需预报增加 57.4522kWh 的电能需求，在第二个 5 分钟以 20kW 快冲的方式补给那些因提供调节服务而一度暂停的车辆，全站充电负荷增加185 689.4264kW。 当站内充电负荷不充足时，例如在第一个 5 分钟仅有 150 辆车正在充电，这时风机仅可 以以 P0=9.6283×150-21.9071kW=1422.338kW 的上限进行发电。低于此功率集电站可以进行 调节，高于此功率风机需要限制输出。按原计划 5 分钟需要 125kWh 电能，实际充电 110.1kWh，下一个 5 分钟预报增加 169.2kW 负荷。这些以负荷预测形式增加的充电功率，190 在下个 5 分钟的潮流计算时需要考虑，但不纳入集电站下一轮的调节能力。 3 车辆分布式电源对潮流的影响 在 Kempton 的电动汽车参与电网调节的原始概念里，车辆是作为电源出现的，像其它 分布式电源一样接在网内。这样就产生了人们一直关注的分布式发电向电网回送能量所带来 的一系列问题。因为电网初生的时候没有这些问题，一直按照单向潮流的思路发展，从未没195 考虑有一天要接入分布式电源。配网结构是发射式或网状的。发射式结构是从变电站拉一根 线，通过降压变压器向负荷供电，某个负荷只能由一台确定的变压器供电。网状结构中有很 http://www.paper.edu.cn - 8 - 中国科技论文在线 多节点，线路交错。潮流可以从不同的支路同时流向负荷，这比发射式结构更加灵活稳健。 分布式电源可能使原来的负荷节点具有功率输出，这在配网中会带来两大问题： 1、使保护装置误动； 200 2、使电压控制系统丧失工作能力。 保护装置就是检测到逆向潮流以后阻断线路用的，因为线路维护时需要及时切断逆向潮 流线路，确保人员操作区间无电（正向潮流已被隔离开关切断，只要保证无逆向潮流即可）。 如果有大量分布式电源接入电网中，很可能在一些线路出现反向潮流导致保护装置的动作， 但参与调频的电动汽车不大可能导致以上问题。全网总调频容量大约为总负荷容量的 2%，205 如果车辆接入点分散在各处，并且与负荷分布大致相同，那么几乎可以肯定潮流是单向的， 电动汽车造成的功率波动也会仅为百分之几。 车联网（或者分布式电源）还可能影响到配网的电压控制系统。一些变压器具有自动调 节变比的功能，当配网中的负荷增加时，电压会因为线损而普遍跌落。自动装置的工作会使 用户端的电压尽量不受负荷增加的影响。而变比只能离散地调节。图 7 显示了节点电压的闪210 变情况。小的闪变是参与调频造成的，大的闪变可能来自于变比调节或是其它负荷的波动。 所以网内节点电压固有的波动会比电动汽车调频大得多。但在居民测还是有顾虑的。一个小 区里的汽车如果接在同一台变压器下，很可能会出现逆向潮流，尤其是在夜间，小区内的其 它负荷较低的时候。这些变压器一般都不设保护装置，所以出现了逆向潮流也不会跳闸，但 是电压会快速提升，甚至车辆功率的变化会造成变比的自动调节，从而引起那一变压器节点215 电压剧烈闪变。 图 7 电压闪变[6]：小闪变由充电负荷的切出或切入造成，较大的闪变是电网固有的。 Fig. 7 Flickers that derive from the EV loads 220 4 结论 无论是作为负荷还是电源，电动汽车都具有对电网的调节能力。如果车辆在网内足够分 散，它们作为电源使用不仅具有分布式发电降低网损的优点，而且不会有反向潮流的隐患。 集电站是大规模的车辆聚集，如果仅作为负荷存在，也不会有潮流流向的担忧。 充电负荷可以在大体不影响充电速率的情况下对风力发电进行跟踪，保证电网频率稳225 定。但是集电站内充电负荷总容量决定了调节能力。由于人们会在工作、居住地聚集，所以 车辆一般也会集中在某个节点的集电站，而全网的车辆总数大体不会改变，因而某个集电站 http://www.paper.edu.cn - 9 - 中国科技论文在线 容量较小的情况下，该站可以不参与调节，而由网 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 量足够的节点接受这一任务。通过这 样的方式，风力发电所需要的辅助服务可以得到部分满足。 230 [参考文献] (References) [1] Ronan Doherty. 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