结合微电网应用的大电网 需求响应管理是怎样的？

项目背景

需求响应是电力需求侧管理在电力市场中的最新发展。根据美国能源部的研究报告，按照需求(终端用户)的市场参与行为，电力需求响应项目可以分为以实时电价、峰谷电价等为引导的基于价格和根据系统需要或电力紧张时减少电力需求以此获得直接补偿或其他时段的优惠电价的基于激励两类。目前针对需求响应的研究主要以激励用户参与电网调峰和引导用户科学、合理用电为目的。传统的需求响应为不影响普通用户的正常使用，在协议中都会对控制的响应次数、频率、总时间等予以限制。因此往往只能在分钟/小时级别的调峰控制中发挥作用，而对秒级的频率控制则无能为力。随着电动汽车等大规模储能可控负荷的出现，该类负荷参与响应的控制次数、频率、总时间等方面的限制将变得宽松，将可以满足参与响应频率控制的需要。因此，提出可将需求响应的定义延伸至根据系统需要或间歇性电源冲击时用户参与频率控制以此获得直接补偿或其他时段的优惠电价。从而，将调峰和调频控制均纳入需求响应的范畴。

目前对可控负荷的研究均以用户可控负荷为主，而且一般以大电网理想条件作为背景，同时认为有足够的可控负荷参与电网的运行控制，为此，微电网需要在需求响应中有可控空间更高的负荷出现，对这类负荷，电网拥有完全自主的调控权。同时对电动汽车参与电网频率调节需要有更加经济的运行控制策略以克服蓄电池造价过高的缺点，提高微电网的经济性。

现实可行性分析

传统的需求响应技术主要针对具体的管理对象、生活习惯和生产工艺的特点，以节能技术为主实现避开电力需求高峰的功能。随着智能电网技术的发展，需求响应有了新的意义，包括自动需求侧响应技术、智能有序用电等，使得需求侧可控负荷可以迅速参与电网运行控制，为提升电力系统稳定性提供了技术可能。

面向用户的这一新技术依然存在诸多不足之处，为此，提出将需求响应按负荷所有权分为用户需求响应和电网需求响应，用户需求响应即为传统意义的需求响应，对应用户参与调节的可控负荷，该负荷由用户和电网协调控制称为普通可控负荷。而电网需求响应则是对应由电网运营公司直接运营管理的可控负荷，该负荷具有高度的可控空间，电网运行部门对其拥有完全自主的控制权，属于高度可控负荷。电动汽车充电站则为电网需求响应提供了现实可行的运营对象，电网企业作为电能的批发和零售单位，同时销售通过蓄电池等储能介质储存好的电能亦与其业务保持了一致性。当由电网公司统一运营时，经济补偿亦可以用运营业绩补偿来代替。同时，电动汽车充电站不仅可以为电网企业维持微网稳定提供良好的支撑，而且有利于电动汽车充电设备产生谐波的集中治理，电动汽车作为用户需求响应的普通可控对象虽然具有一定的调节能力，但用户的用车习惯依然具有一定的随机性，大规模电动汽车随机性接入、退出调节都将给电网带来一定的冲击。电动汽车充电站受电网内部运行网络控制，不像作为用户需求响应的电动汽车那样存在针对用户的外部网络接口，其网络安全性大大提高。这些优势都为电动汽车充电站作为电网需求响应的高度可控负荷出现提供了现实可能。

电动汽车作为分布式电源，其服务对象为电网公司，在此过程中，将根据电网运行情况对电池进行不断的充放电，其消耗的电动汽车电池寿命将由电网公司承担。美国特立华大学Kempton教授在2007年对提出的V2G模型将一辆ACPropulsionEbox(丰田Scion改装车)作为分布式电源接入电网，经测算每车每年可以为电网带来大约4000$的效益。但该效益中并未包括电网对消耗电动汽车电池所负担的代价。考虑到目前电动汽车高昂的造价，储能装置作为分布式电源接入电网的性价比依然不乐观。目前，仍需研究技术可靠、成本低廉的满足V2G商业化运行的设备。而电动汽车充电站作为高度可控负荷，其服务对象为用户，将由其对应的商业需求为电池造价买单。作为负荷则只需在充电单一模式下运营，将负荷来等效为电源的负作用，降低了运行控制的难度。而且电池在充放电状态之间过于频繁的切换将严重影响电池的寿命。因此，将电动汽车作为可控负荷参与电网的频率控制将更具经济实用性。

技术手段模型

传统的电动汽车控制方法是通过控制正弦脉宽调制器(SPWM)来控制充电电流，进而对充电功率进行控制，SPWM实际上就是一个交直流可控的四象限变流器。但这种方式将强制电动汽车的充电电流随电网运行情况而变化。这对于充电电池的寿命和充电能耗都是不利的。

如图1所示，IB为充电电流。大量的实验证明，在整个充电过程中，若能使实际充电电流始终等于或接近蓄电池可接受的最佳充电电流，则可大大缩短充电时间，并且蓄电池内部的副反应可以控制在很低的范围内。因此，通过控制接入电网的充电电池的规模比控制电池充电电流来控制电动汽车充电站的吸收功率更具有经济性，更符合其商业运营的特点。

对电动汽车充电站采用负荷Droop控制。Droop控制是模拟发电机组工频特性的一种方法，其对应负荷控制的原理图如图2所示。

Droop控制可根据相应的Droop特性系数自动分配各电动汽车充电的有功吸收。控制系统不需要过多的通信支持，电动汽车充电站参与频率调节最大的特点就是其不需要克服电机的旋转惯性，可以快速响应电网的波动，迅速将微电网较大的频率波动控制在比较低的范围内，然后由微网的调频机完成二次调频任务。同时为防止电动汽车在基准运行点附近频繁的投退，应设置一个死区，即电动汽车充电站不响应微网的微小频率波动。这样，该控制策略能对延长蓄电池寿命起到积极的作用。

该系统详细的控制流程图如图3所示。该系统采用数字离散控制，首先由数字电压表采集到离散的母线电压信号Vabc，然后由0阶保持器对采集信号进行保持，由离散三相锁相环提取出系统的频率信号f，将系统频率和参考频率fref对比得到频率偏差Δf，由设置的死区环节对频率偏差进行判断微网扰动是否属于微小扰动，如果不是则将信号传递给Droop控制器处理，由Droop控制器的Droop特性控制电动汽车充电站电池的负荷容量。将该负荷容量作为功率参考信号Pref输入系统的CPU处理器，由CPU处理器根据各电池的状态参数(包括电池荷电状态SOC、电池衰老系数、电池顺序编号、环境温度等)计算出一组二进制开关控制信号，通过开关信号的高低电平来控制执行机构对充电电池进行投切。CPU逻辑控制如图4所示。对已经投入运行的蓄电池，采用“恒流—限压—浮充”三阶段充电控制策略，该控制策略可以比较理想地接近蓄电池可接受的最佳充电电流曲线。同时考虑到电池的非线性特性，在不同阶段的充电状态下其吸收功率不一样，将系统的输出功率作为内环反馈信号反馈给CPU进行功率差值控制。同时，电动汽车充电站的分布式电源特性依然不容忽视，其可以在微电网出现较大故障时，提供备用电源支撑。关于这些内容的研究已相当多，本文不作分析。对由于频率回落退出充电的蓄电池，则用浮充方式以平衡电池自放电，待前面电池完成充电后继续充电。

图3 电动汽车充电站电池规模Droop离散控制图

图4 CPU处理器逻辑控制图

仿真验证

在Matlab/Simulink平台搭建的简化微网结构图如图5所示。为简化分析，文中只采用了风力发电机作为间歇性波动功率的输出电源。对小型水电机组、燃气轮机机组等可控电源等效用同步发电机代替。在微网孤岛运行时，开关K4断开。风力发电机组容量为300kW，小水电、燃气轮机机组容量为600kW，间歇性电源的穿透率为33.3%，符合未来微网间歇性可再生电源高穿透率的趋势。微网中负荷总容量为500kW，电动汽车充电站的初始运行功率为50kW，单台电池在恒电流充电初期功率为1kW。用一个阶跃信号模拟冲击最大的阵风输入。在1s时风速由10m/s阶跃为11m/s。仿真结果如图6~图8所示。

如仿真结果所示，在1s时风力发电机组有功输出迅速增加时，电动汽车充电站能快速响应系统的变化。在不采用电动汽车充电站参与调解的情况下，对电动汽车充电站的初始功率，用一个50kW的恒定负荷代替。在0.1s时风速由10m/s阶跃为10.3m/s。系统在仅依靠可控同步发电机组的调节时频率变化如图9所示。

电动汽车充电站不参与调节时，在间歇性电源冲击更小的情况小，其调整时间和最大超调量却明显大于电动汽车参与调节时在更大冲击时的情况。仿真结果验证了电网需求侧高度可控负荷出色的调频性能。

如图11所示，L1为微网正常并网时的曲线，在a点运行。L2为微网转向孤岛运行时的曲线。L3为电动汽车充电站参与响应下的曲线。由图可得，在电动汽车充电站参与响应后加速面积减小，减速面积增大。通过迅速减小功率差的作用使系统具有更大的暂态扰动极限。在K4断开后，采用电动汽车充电站参与响应和不参与响应的同步发电机功角时间曲线仿真结果分别如图12、图13所示(当δ/rad>3.15后认为系统已经失去同步，仿真立即结束)。

仿真结果显示，在电动汽车充电站参与系统响应时，系统能保持暂态稳定，而不参与时系统在扰动下失去稳定。验证了该控制策略在面对大扰动下表现出的良好的稳定性。

总结

电动汽车充电站在时间上的负荷特性以及其在运营上与电网的巨大关联，其参与电网需求响应的约束将变得宽松，使需求响应得以能对秒级以下的频率控制发挥作用，从而将频率控制纳入需求响应的范畴。对此，提出了对需求响应定义的新延伸，并在分类上提出了电网需求响应的概念。

针对传统用户需求响应在应对微网波动时的不足，利用电动汽车充电站在时间上的灵活性和高度可控性，提出了基于Droop控制的电动汽车充电站电池接入规模控制策略。通过仿真显示，该方法可以通过控制电动汽车消耗有功的方式平抑微网的分布式电源波动以及微网运行状态切换过程中的大扰动。可以有效控制微网频率维持在安全范围内，提高微网的抗扰动能力使微网表现出更加出色的稳定性。

限于篇幅有限，文中只研究了电网需求响应的技术手段。与此配套的经济引导手段和行政手段还有待共同完善。

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