基于电动汽车充放电特性的交直流微网控制策略

电动汽车充放电特性，维持系统内功率平衡,提出了基于电动汽车充放电特性的交直流微网频率控制策略。通过模拟包括风

力发电、光伏和柴油发电机等分布式电源的功率出力，调节微电网中电动汽车充放电频率,来平衡微电网负载。仿真给出了在 一天的时间内调节含电动汽车的微电网上频率系统,改善了微电网的供电质量。仿真结果验证了系统的有效性。关键词：电动汽车；V2G ；分布式电源；交直流微电网；MATLABDOI：10.3969/j. issn. 1000 - 3886.2020.02.005［中图分类号］TM619 ［文献标志码］A ［文章编号］1000 - 3886(2020)02 - 0013 - 03AC/DC Micro-grid Control Strategy Based on Charge/Discharge

Characteristics of Electric VehiclesZhao Long, Zhao Xingyong, Ren Shuai, Kang Jiachao(Department of Electrical Engineering, Shanxi University, Taiyuan Shanxi 030013 , China)Abstract: Power fluctuation in the micro-grid has a great impact on the safe stable operation of micro-grid systems. In order to make full use of

distributed energy generation in the AC/DC micro-grid, considering charge/discharge characteristics of electric vehicles as well as

maintenance of power balance in the system, a frequency control strategy was proposed for the AC/DC micro-grid on the basis of

charge/discharge characteristics of electric vehicles. Through simulation of power output of distributed power sources including wind

power, photovoltaic generation and diesel generators, the charge/discharge frequencies of electric vehicles in the micro-grid were adjusted to balance the load of the micro-grid. Through simulation, a system was given for adjustment of frequencies on the micro-grid containing electric vehicles in one day, thus improving the power quality of the micro-grid. Simulation results verified the effectiveness of the proposed system.Keywords:electric vehicle; V2G; distributed power supply; AC/DC micro-grid; MATLABo引言近年来，随着我国经济平稳高速的发展，能源危机和环境污

车作为分布式储能单元参与平抑电网的负荷波动，有利于维持系 统功率平衡。通过调节微电网中电动汽车充放电频率，模拟各种

染问题日益严重，作为可再生能源低成本规模化开发利用方式，

分布式电源功率出力，最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了

以光伏和风电等新能源为主的分布式发电具有初期投资小、供电 可靠、输电损失小及负荷灵活等优点，其规模化接入有助于促进

所提控制策略的可行性。1系统结构图1为含电动汽车的微电网结构图，微电网分为四个重要部 分:柴油发电机作为微电网的基础发电机;光伏电站与风电场相

能源的可持续发展，将带来电力系统运行方式的巨大变革⑴作为 一种新型电网，基于分布式电源的微电网可以更好地适应各种分

布式电源的接入，为用户提供高质量的电源\"T o微电网可以看 作是一个小型电力系统，具有完整的电力，传输和分配功能，用于

结合生产可再生能源；一个V2M ( vehicle-to-micro-grid)系统安装

在系统的最后一部分旁边;负载主要包含小区住宅。断路器连接 到每个微源，随时断开它与主网络的连接，防止故障范围扩大。 当计划外负荷波动如负载上沽导致电网频率不稳定时，发电响应

本地电力平衡和能源优化⑷。在微电网中,DG和能量存储装置连接在一起并直接连接到 用户侧。能量存储技术作为微电网的重要组成部分，解决了电力

不够快，无法为负载提供所需的功率。负载变化使频率变化时，

供需不平衡的问题⑶。特别是近年来，我国的偏远地区和岛屿地 区开展了一些典型的微电网示范项目。对微电网的容量分配和 能效管理技术进行了进一步的研究⑹。而且近年来，由于新能源 汽车产业在我国的极大发展.电动汽车的保有量将会是一个庞大

频率调节不能将频率保持在正常工作频带之间。在事件结束时, 负载稳定但频率难以维持到正常值，此时需要电动汽车为负载变

化提供快速响应，进行频率二次调节，与微电网中各分布式电源

互动。由于微电网可能发生高水平的负荷波动，而电网中现有的 常规能源无法抵消随后的频率偏差，在电网有需要时，可将电动

的集群，据相关调査结果显示，近90%的电动汽车在白天闲置，

电动汽车的动力电池将是一个巨大的分布式储能系统，将电动汽

定稿日期：2019 - 05 - 29汽车作为临时的电源参与到微电网的频率调节，共同维持系统的

稳定。Electrical Automation 13mm inrM iframrifftiniEMMMWBBIMKMHnKM《电气自动化》2020年第42卷第2期电动汽车技术 _________________________________________

Electric Vehicle Technology<列”或(1)切入风速％和额定风速之间时，输出功率值由控制需求决

定，桨距角为0时达到最大，代表空气密度；当风力达到额定值 时，风电场产生额定功率；当风速超过最大风值％，时，风电场从 电网跳闸，直到风速回到其标称值。2.3电动汽车频率控制模型2分布式电源与电动汽车控制建模考虑在微电网中引入V2G技术,更确切的来说应该是V2M 2.1柴油发电机组频率控制模型模式，即电动汽车通过电力电子装置与微电网进行能量交换，其 柴油发电机是一种小型发电设备，当电网发生功率波动时，

具有两个功能:控制与其连接的电池的充电，并在白天有需要时

通过在短时间内调节阀门位置来调节燃油量，进而满足电力需 使用可用功率来调节电网，降低储能成本。利用电动汽车(EV) 求。在含电动汽车的微电网系统中，柴油发电机作为主要电源为 动力电池来平抑可再生能源发电的功率波动，提升可再生能源消

负载供电。本系统柴油发电机组可在微电网故障时作为应急电 纳、改善用户经济效益和减少网损。文献［9］列举了电动汽车电

源⑺，用于电网支持和电网输出。图2为柴油发电机的传递函数

池的充放电特性。根据普通家庭日常情况，电动汽车用户常出现 模型。五种情景，所示如下：(1) 日常上班的人群在工作的时候给电动汽车充电。仿真

设置这种情况的电动汽车为35辆。(2) 在上班的人有可能在单位给电动汽车充电但离家比较

远，下班后回家行驶时间较长，假设处于此状态的电动汽车数量

为25辆。(3) 上班的人无法在工作时为其电动汽车充电，处于此种状

态的电动汽车数量为10辆。图2柴油发电机组传递函数模型(4) 长期住在家里的人，其电动汽车充电频率不是特别频

图繁，可以用来平衡微电网负载、削减峰值负载，甚至产生社会收

2中:M为微电网系统的频率偏差；M/g为控制输入；

益，其电动汽车数量为20辆。AXC为调速器阀门位置增量;7；为调速器时间常数；为发电机

时间常数;为(5) 上夜班的人，一般电动汽车在白天峰谷期进行充电，数

RDG系统的速度调节系数;APw为发电机机械功 率输出；士 “皿、±3”；分别为发电机机械功率输出偏差变化率

量为10辆。为实现上述所提的5种情景，保证微电网系统内功率平衡,

约束和机械功率输出偏差约束。在实际系统中，柴油发电机平衡

提出一种电动汽车充放电控制策略，其充放电基本模型如图4 消耗的功率和产生的功率。2.2风力发电简化控制模型所示。图3为风力发电场简化控制模型。图4电动汽车充放电基本模型电动汽车初始荷电状态和插入状态可以表示出当前电动汽 风电场的简化模型控制是根据与风的线性关系产生电力，由 车的工作状态，电动汽车初始荷电状态设为SOG ,则其接入电网

于风力机输岀的机械功率P”主要是由风速的变化决定的，为了 中的实时荷电状态S0Co确保风扇的稳定运行，它不得超过可接受的范围，对于不同的风 Q 士 [p©速条件,需要对设备进行控制和保护，其分段函数如下：SOC0”(2)14 Electrical Automation—--------------------------------------------------------------

■ramM_________________________________________ 电动汽车技术Electric Vehicle TechnologyQi 二SOC] xQn

《电气自动化:>2020年第42卷 第2期(3)电网中跳闸，功率变为0，为保障微电网整体安全稳定运行，此时

式中:P*为电动汽车充电功率;Qv为电动汽车动力电池额定容 量;Q为电动汽车电池的初始容量。需由柴油发电机补充功率。图5(c)是柴油发电机的有功功率随 时间变化的曲线，从图5(c)微电网系统发电总功率曲线可以看

3仿真分析结合电动汽车的充放电特性，将其作为分布式储能单元，针 对正常家庭消费的典型模式，其中微电网的大小近似代表有一千 个家庭的社区。基本型号中有100辆电动汽车，电动汽车和家庭 之间的比例为1:10,在可预见的未来，这是一种可能的情况。仿

出柴油发电机基本承担了微电网中由于分布式电源的不稳定型 与间歇性所带来的功率波动,使整个系统安全稳定运行。图6是电动汽车在一天中的充电功率状态曲线，可以看出其 基本上和2. 3小节中所列举的电动汽车用户的5种情景相对应, 仿真结果中电动汽车出现负的充电功率状态表示电动汽车在路

真模型所设定的光伏装机容量为8 MW,光伏电站模块面积设为

8万平方米，电池板的效率为10%，太阳强度基本遵循正态分布，

上并没有接人微电网中。500其中在中午达到最高强度。风电场装机总容量为4.5 MW,模拟 模型中的最大风速为15 m/s,额定风速设为13.5 m/s0根据第1

0100500123

节的系统模型，在仿真软件MATLAB/Simulink中搭建如图1所示 的含有电动汽车的微电网系统，对上节所提的微电网中各部分控

4 //(xKTs)(a)5678制模型和电动汽车控制策略进行仿真验证。微电网中各部分容 量参数设置如表1所示。表1仿真参数设置

参数容量15MW柴油发电机光伏发电风机8挨笑莊担

4.5100500---------1--------H—H------1------1——0123 4 5\"(xlBs)(c)4//(xKTs)(b)%DOSA—d----------1678电动汽车(100 辆)4(100x4)1090.089.9负载012J|------

3 4

//(xio^s)5678图5(a)是微电网中光伏有功功率曲线，由仿真结果可以看

出光伏板在早上6点钟基本开始工作,到中午1点钟，光照辐射 达到最强，功率最大。考虑到云层遮挡的影响，功率出现稍微的 波动,属于正常情况，但持续时间较短，对系统影响不大。图5

(b)是风力发电有功功率出力曲线,从波形图可以看出一天内由

1050(d)4 r/(xi(rs)(e)图6电动汽车充电功率状态曲线图7(a)和图7(b)分别表示微电网总的负荷消耗曲线和微5 0 5 0

于风速的不稳定，其有功功率输出也不是特别稳定，在晚上十点

钟,风速超过风机所能承受的额定风速，为保护叶片，风电场从微密

-d0 I 234 56789\"(xlBs)(a)0123456789

〃&1叽)(a)5 O5 OO

01 230 1 2 3

4 5 \"(xlBs)6 7 8 95 O

5 O

4 5\"(xlBs)(b)6 7 8 9柴油机(1),光伏(2),风;芳

2O

11 23

Nd图5各分布式电源发电功率曲线4 5 Z/(xl04s)(c)67 8 9图7系统发电总功率曲线(下转第18页)Electrical Automation 15■■■■■■■■■■■《电气自动化》2020年第42卷第2期电动汽车技术Electric Vehicle Technology表5城市短途线路的两种充电方案结果对比项目车型公交线路的研究得到以下结论：(1) 对于城市短途线路而言，采用无线充电比常规方式虽然

常规慢充无线充电快充电动公交车慢充电动公交车1919少购买电动公交车，但是快充电动公交的单价更贵，因此投资成 本要增加。(2) 对于城市跨区长距离专线而言，采用无线充电比常规方

配车数/辆充电桩数量/个1523 011.00一次性投资成本/万元1 909.5式节约了更多辆电动公交车，因为常规方式也采用快充电动公交

充电站容量需求/kWh2 047车，所以投资成本可以大量减少。(3) 无论是哪种公交线路，采用无线充电方式都可以减少充

2.2城市跨区长距离专线仿真结果实际投运的电动公交车与单日充电次数的关系如表6所示。表6充电次数与公交数量关系充电次数/次公交数量/辆电站(停保场)总容量设置，以缓解局部电网运行压力。参考文献：[1 ]王環，王利利，郭勇，等.计及电动汽车的微电网经济调度方法344030[JJ.电力系统保护与控制，2016, 44(17) : 111 -117.[2 ]田立亭，张明霞，汪奂伶，等.电动汽车对电网影响的评估和解决

方案[J].中国电机工程学报，2012, 32(31)： 43 -49.[3 ]贾龙，胡泽春，宋永华，等.高速路网上电动汽车充电站布点优化

选择40辆最优。通过计算得出常规快充投资成本为8 033 万元,该条线路对充电站总容量的需求为6 767 kWh。[J].电力系统自动化,2015, 39(15)： 82 -89.[4 ]陈立兴，黄学良.高速公路充电站电动汽车有序充电策略[J].电

若使用无线充电技术，计算可得实际投运数量等于需要的配 车辆为32辆;无线充电一次性投资成本在6 416. 5万元。在首末

力自动化设备，2019 , 39(1)： 112-117.[5 ]付凤杰，方雅秀，董红召，等.基于历史行驶路线的电动汽车充电

车站各设置一个无线充电设备，每个站台充2 min,再在里程中间

站布局优化[J].电力系统自动化，2018, 42(12): 72-80.[6 ]王锡凡，王秀丽，杜超，等.电动汽车充电负荷与调度控制策略综

述[J].中国电机工程学报,2013,33(1)： 1-10.设置站点充电30 s,可基本完成充电需求。仿真结果如表7所示。表7城市跨区长距离专线的两种充电方案结果对比项目车型常规快充无线充电[7 ]赵丽平，郑强，刘明杰.电动汽车充电对电网的谐波影响研究[J].

快充电动公交车40快充电动公交车32电气自动化,2017, 39(5)： 34 -36.【作者简介】范艳红(1976—),*,北京人，硕士，从事企业管理、电力系统,

配车数/辆充电桩数量/个68 033.06 76736 416.50一次性投资成本/万元充电站容量需求/kWh及其自动化等研究工作。杨奕¢(1971-),男，上海人，学士，从事能源互

联网、电力系统及其自动化等研究工作。马苗(1990—)，女，河北保定人， 硕士,从李电力营钠、新能源和智能电网等相关工作。顾玖(1996—), 男，江苏人，硕士生，从事电力系统.分析及优化运有•相关应用研究工作。

3结束语本文通过对城市短途线路和城市跨区长距离专线两种类型解大(1969—),男，黑龙江人，副教授，博士，从事电力系统分析、灵活交沆 输电设备和祈能源的研究工作。(上接第15页)社，2011.电网中电源发电总有功功率曲线，从仿真结果来看，系统消耗的

[4 ] HATZIARGYRIOU N, ASAND H, IRAVANI, et al. Microgrids [J].

IEEE Power and Energy Magazine, 2007, 5(4)： 78-94.[5]刘扬波.储能系统在智能微电网中的研究[J].广东科技,2018,27

功率与总发电功率基本保持一致，微电网足够稳定。4结束语通过建立一种基于电动汽车充放电特性的交直流微电网系

(12): 58 -60.[6 ]李建林，郭斌琪，薛宇石，等.国内微电网示范工程及运行控制能

效管理技术综述[J].电器与能效管理技术，2017,59( 18)： 1 - 7；16.[7]刘民.柴油发电机并联控制器仿真及其设计[D].北京：太原理工

统,研究了微电网中各个模块的频率控制模型，制定了相应的控 制策略。最后通过MATLAB/Simulink对系统进行仿真分析，得

到以下结论：(1) 不同情景下,微电网内各个模块能够根据控制要求作出

大学，2016.[8 ]王冠男，杨镜非，王硕，等.考虑电动汽车换电站调度和区块链存

相应的响应，柴油发电机能够在系统发生功率波动时及时调整功 率出力，维持系功率平衡，改善微网内供电可靠性。(2) 电动汽车荷电状态高于95%时，可以参与微电网功率调

储的电网分布式优化[J].电力系统自动化，2019, 15(8)： 1 -&[9 ] YANG J, HE L, FU S. An improved PSO - based charging strategy of

electric vehicles in electrical distribution grid [J]. Applied Energy,

2014, 128(3): 82 -92.节，平衡微电网负载、削减峰值负载，提高系统经济性。参考文献：[1 ]王成山.微电网分析与仿真理论[M].北京：科学出版社，2013.[2 ]杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述[J].中国电机工程学

【作者简介】赵龙(1993—),男，山西大同人，硕士生，主要研究方向为微 电网控制与运行。 任帅(1995—),男，山西运城人，硕士生，主要研究方

向为直流微电网运行与控制。【通信作者】赵兴勇(1965—),男，山西晋中人，教授，博士，主要研究方向

报，2014, 34(1)： 57-70.[3 ]徐青山.分布式发电与微电网技术[M].北京：人民邮电岀版为智能微电网、分布式发电及电动汽车控制等。18 Electrical Automation