- 頭條重慶大學科研人員提出面向電力系統靈活性的電動汽車控制策略2022-11-30 作者：姚一鳴、趙溶生 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隨著碳中和目標的不斷推進，我國可再生能源消納面臨的形勢會更加嚴峻，亟須挖掘更多的電力系統靈活性調節資源。電動汽車作為一種新型可變負荷，能夠通過與電網的互動增強電力系統的靈活性，保障系統的經濟安全運行。 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、中國長江電力股份有限公司的研究人員姚一鳴、趙溶生、李春燕、燕智超、謝開貴，在2022年第11期《電工技術學報》上撰文，針對現階段缺乏面向電力系統靈活性的電動汽車充放電控制研究的現狀，對面向電力系統靈活性的電動汽車控制策略進行研究。給出電力系統和電動汽車的靈活性定義，設計了“最大可提供靈活性計算—電力系統靈活性需求計算—電動汽車靈活性控制”的靈活性調度方案，以充分挖掘電動汽車的靈活性調節潛力，促進可再生能源消納。 算例分析表明，該文提出的電動汽車靈活性控制策略能夠極大地改善電力系統的靈活性，同時該文模型的求解時間為秒級，完全可以滿足電力系統地實時靈活性調度需求。
隨著碳中和目標的推進，我國可再生能源占比將逐年攀升。據估計，到2040年，我國光伏裝機量將增加16倍、風電裝機量將增加9倍。屆時，我國電力系統中非水可再生能源的發電比例將高達30%。可再生能源具有波動性和不確定性，其大量并網將給電力系統靈活性帶來嚴峻挑戰。
“電力系統靈活性”指電力系統供需兩側響應系統不確定性變化的能力，主要體現在調度運行環節，是衡量電力系統運行性能的重要指標之一。電力系統靈活性不足將導致棄風和削負荷事件，嚴重威脅系統的經濟安全運行。充裕的靈活性資源有助于緩解甚至消除可再生能源并網帶來的負面影響，對于能源的可持續發展具有十分重要的意義。
電動汽車（Electric Vehicle, EV）作為一種新型交通工具，并網量逐年增加。預計到2030年，電動汽車電池總容量將達57億kW·h，約為全網用電量的1/3。電動汽車是電力系統中的重要用電負荷，其可通過充放電控制調整自身負荷曲線，具有平抑可再生能源波動、提升系統靈活性的巨大潛力。
現階段已有大量文獻對電動汽車的充放電控制策略及其與可再生能源的協調調度進行研究，但是國內外對面向電力系統靈活性的電動汽車充放電控制研究仍屬空白。電力系統靈活性匱乏是導致可再生能源消納率低的主要原因，傳統的電動汽車充放電控制策略沒有計及系統的動態靈活性需求，阻礙了電動汽車靈活性調節潛力的充分挖掘，影響了可再生能源的消納效果。
輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、中國長江電力股份有限公司的研究人員從面向電力系統靈活性的電動汽車實時調度角度出發，提出電力系統和電動汽車的靈活性定義，研究了電動汽車的靈活性控制策略，設計了“最大可提供靈活性計算-電力系統靈活性需求計算-電動汽車靈活性控制”的靈活性調度方案。
圖1 靈活性調度方案
研究人員將電力系統靈活性定義為“系統運用自身資源稟賦應對可再生能源變化的能力”，考慮的可再生能源類型為風電。靈活性具有方向，且需在一定時間尺度下描述。根據方向的不同，靈活性可分為兩類：向上靈活性和向下靈活性。向上（下）靈活性指風電突然減小（增加）時系統最大能增加（減小）的凈出力功率。其中，凈出力功率指常規機組總發電功率和負荷總需求功率的差值。根據時間尺度的不同，靈活性可分為調頻靈活性（秒級）、爬坡靈活性（分鐘級）和調峰靈活性（小時級）等。
他們指出，本課題研究的靈活性時間尺度為15min，主要針對爬坡靈活性。隨著風電滲透率的增加，充裕的電力系統靈活性變得越發重要。向上（向下）靈活性不足將導致切負荷（棄風）事件，嚴重威脅電力系統的經濟安全運行。
此外，研究人員將電動汽車靈活性定義為“電動汽車利用充放電控制調整自身用電負荷的能力”。電動汽車所能提供的最大向上（向下）靈活性指其通過充放電控制最大能滿足的電力系統向上（向下）靈活性缺額。電動汽車有G2V和V2G兩種控制模式。G2V控制是指電力系統通過調節并網后的電動汽車各時刻充電功率的大小來改變負荷側總需求；V2G控制是指與電網連接的電動汽車從其電池中輸送功率給電網。
他們進一步表示，當電力系統向上靈活性不足時，電動汽車可通過G2V控制減小充電功率或通過V2G控制向電網放電；電力系統向下靈活性不足時，電動汽車可通過G2V控制增加充電功率。合理的電動汽車充放電控制有助于增強電力系統靈活性，減少或者避免棄風、削負荷事件的發生。
研究人員認為，合理的電動汽車靈活性調度方案在保證車主利益的同時，也能提升電力系統的靈活性。本課題的電動汽車靈活性調度方案主要設計思想為：各充電站對其能提供的最大靈活性進行評估；電力系統調度中心根據各充電站上報的最大靈活性信息，對系統的靈活性需求進行計算，并向充電站發布靈活性調度指令；各充電站再對站內電動汽車進行靈活性控制，參與控制的電動汽車車主根據實際調度情況獲得相應的補貼。這樣，通過電力系統調度中心、充電站和電動汽車的實時信息交換互動，可最大化地滿足系統的動態靈活性需求。
他們通過IEEE RTS-24節點和實際電力系統算例進行了測試，結果表明該電動汽車控制策略能極大緩解電力系統的靈活性缺額，有助于減少棄風、削負荷量。另外，該模型的求解時間為秒級，完全可以滿足電力系統的實時靈活性調度需求，證明了模型的實用性和有效性。
研究人員最后指出，車主參與電網靈活性控制的單位補貼價格在本課題中被假定為一個給定的常數，該價格的制定需綜合考慮電網及車主的利益分配，其詳細的制定方案將是本課題的下一步研究方向。
本文編自2022年第11期《電工技術學報》，論文標題為“面向電力系統靈活性的電動汽車控制策略”。本課題得到了國家自然科學基金資助項目的支持。
