CN110571855A - 含储能设备和ev充电站的园区微电网联合功率响应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，通过在园区微电网内建设EV充电站，在微电网孤岛运行时，微电网与EV充电站间功率互动；计算可再生能源发电输出功率和负荷需求功率；当可再生能源发电输出功率大于等于负荷需求功率时，对网内储能设备和EV充电站内连接的电动汽车充电；当小于时，网内可再生能源发电、储能设备和EV充电站内连接的电动汽车联合向负荷供电；当储能设备、EV充电站内连接的电动汽车联合可再生能源发电总的输出功率小于负荷需求功率时，根据负荷的重要级别依次负荷削减，直至发受电功率平衡至稳定运行。本发明能实现园区微电网内部的储能设备与EV充电站功率平衡，平滑可再生能源发电出力的波动。

Description

含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法

技术领域

本发明涉及一种含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其属于微电网联合控制技术领域。

背景技术

当前，电力发展进行着新一轮的能源变革，清洁能源大规模开发利用是新一轮能源革命的标志。随着国家发展改革委、国家能源局印发《推进并网型微电网建设试行办法》，多项微电网示范项目得到推进，大量微电网接入配电***将会是未来配电网的新形态。微电网技术的发展在很大程度上解决了清洁能源发电出力不稳定性对配电网的影响，有力促进了清洁能源发电的高渗透率接入。

随着近几年电动汽车(Electric Vehicle，EV)的迅猛发展，大量的EV充电设备接入配电网。同时，EV充电设备也已成为微电网内部的新入元素。考虑到电动汽与电网互动技术(V2G)技术的应用，微电网的运行状况分析也变得更为复杂。而对于电动汽车作为交通工具第一属性的考虑，需对车辆的行驶时间特性进行分析来判定电动汽车能够与电网互动的时间段，也要根据用户的行驶需求，车辆动力电池的容量，荷电状态(SOC)等因素来分析电动汽车参与互动响应的力度，同时，不同类型的电动汽车的行驶特性也各有差异。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其包括：

在园区微电网内建设有EV充电站，EV充电站用于将电动汽车接入微电网，在微电网处于孤岛运行状态时，微电网与EV充电站间进行功率互动；

计算微电网内可再生能源发电输出功率和微电网内负荷需求功率；所述可再生能源发电包括光伏发电、小型风力发电和生物质发电；

当微电网内可再生能源发电输出功率大于等于微电网内负荷需求功率时，微电网对网内储能设备和EV充电站内连接的电动汽车进行充电；

当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率时，网内可再生能源发电、储能设备和EV充电站内连接的电动汽车联合向微电网内负荷供电；

当储能设备、EV充电站内连接的电动汽车联合可再生能源发电总的输出功率都小于微电网内负荷需求功率时，微电网将根据微电网内负荷的重要级别依次进行负荷的削减，直至微电网内发受电功率平衡至稳定运行。

进一步的，当微电网内可再生能源发电输出功率大于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，微电网优先对储能设备进行充电。

进一步的，当微电网内可再生能源发电输出功率大于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，微电网优先对储能设备进行充电，在满足储能设备的最大输入功率时仍有富裕功率的情况下，则微电网再对EV充电站内的电动汽车进行充电。

进一步的，当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，优先安排EV充电站内连接的电动汽车进行放电操作。

进一步的，当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，优先安排EV充电站内连接的电动汽车进行放电操作；在EV充电站内连接的电动汽车联合可再生能源发电总输出功率都小于微电网内负荷需求功率时，则储能设备参与放电操作。

进一步的，所述电动汽车包括私家电动汽车和电动班车。

进一步的，对于储能设备联合EV充电站内连接的电动汽车与微电网间的功率响应情况分时段，分为四个顺次排列的时段N₁,N₂,N₃,N₄：

在N₁时段，私家电动汽车从停驻状态启动开往公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；电动班车从公司所在园区出发到各个站点接上员工后并返回公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；

在N₂时段，私家电动汽车在公司所在园区内停驻接入微电网，在保证N₃时段的行车电量需求的前提下，私家电动汽车接受电动汽车与微电网联合功率响应控制；电动班车停放在园区的EV充电站内接入微电网，接受电动汽车与微电网联合功率响应控制，但电动班车的动力电池须保留N₃时段所需的最小电量；

在N₃时段，私家电动汽车驶离公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；电动班车从公司所在园区出发将员工送至各个站点后返回公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；

在N₄时段，私家电动汽车在公司所在园区外停驻无法接入微电网，不参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；电动班车停放在园区的EV充电站内接入微电网，接受电动汽车与微电网联合功率响应控制。

进一步的，四个时段N₁,N₂,N₃,N₄中相应时刻下电动汽车的动力电池的荷电状态需满足以下约束条件：

SOC(T₃/T'₃)≥SOC_min (4)

式中，SOC(T₀/T'₀)表示电动汽车上班出发时刻所对应时间点的荷电状态；

SOC(T₁)表示电动汽车上班抵达公司所在园区时刻所对应时间点的荷电状态；

SOC(T₂)表示电动汽车下班驶离公司所在园区时刻所对应时间点的荷电状态；

SOC(T₃/T₃')表示电动汽车下班行驶结束时刻所对应时间点的荷电状态；

S₁、S₂分别为电动汽车上、下班的行驶距离，其单位是kM；

W为电动汽车的每公里耗电量；

W_ed为电动汽车的动力电池的额定容量；

SOC_min为电动汽车的动力电池保有的最低荷电状态。

进一步的，当微电网内可再生能源发电输出功率大于微电网内负荷需求功率时，微电网对EV充电站内连接的电动汽车进行充电，其充电功率P_EV·ch(t)为：

P_EV-ch(t)＝N_car-ch(t)P_car-ch+N_bus-ch(t)P_bus-ch (7)

其中，P_car·ch、P_bus·ch分别为t时刻私家电动汽车和电动班车的单辆充电功率；

N_car·ch(t)、N_bus·ch(t)分别为私家电动汽车和电动班车参与充电的数量；

进一步的，当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率时，储能设备和EV充电站内连接的电动汽车将进行放电操作，EV充电站内连接的电动汽车的放电功率P_EV·dis(t)为：

P_EV-dis(t)＝N_car-dis(t)P_car-dis+N_bus-dis(t)P_bus-dis (8)

其中，P_car·dis、P_bus·dis分别为t时刻私家电动汽车和电动班车的单辆放电功率；

N_car·dis(t)、N_bus·dis(t)分别为私家电动汽车和电动班车参与放电操作的数量。进一步的，微电网内可再生能源发电包括光伏发电、小型风力发电和生物质发电能源。

进一步的，在N₁时段和N₄时段，EV充电站内接入的电动汽车数量为零。

本发明的有益效果如下：

本发明通过分析园区微电网内的私家电动汽车和电动班车的行驶时间特性，以及对应时间段内的荷电状态及约束条件，在微电网孤岛运行状态下，控制储能设备联合EV充电站与园区微电网的功率互动响应，EV充电站参与微电网互动响应力度的变化影响着储能***的充放电功率的变化状况，实现园区微电网内部的储能设备与EV充电站平滑可再生能源发电出力的波动，维持微电网***功率平衡的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为实施例中不同类型电动汽车在工作日不同时段的行驶状态。

图2为实施例中储能设备联合EV充电站与微电网的功率响应控制方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合图1-图2和具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

如图1和图2所示，本实施例涉及一种含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，是以含有储能设备及EV充电站的工业园区微电网为控制对象，分析了EV充电站内不同类型电动汽车的行驶时间特性，根据可再生能源发电与负荷间的功率平衡状况，提出了储能***联合EV充电站与微电网间的功率响应控制策略。

园区微电网内部的储能***与EV充电站可以平滑可再生能源发电出力的波动，维持***功率平衡的作用。EV充电站参与电网互动响应力度的变化影响着储能***的充放电功率的变化状况。而由于一天内不同时段，EV充电站内的车辆数根据EV车辆的行驶时间特性而不断变化，EV充电站内车辆数和各车辆的后续行驶需求将直接影响着EV充电站的响应力度。因此，应对微电网内的EV车辆行驶时间特性进行分析。

在针对于工业园区微电网内建设的EV充电站，考虑到EV用户主要为上班工作人员，因此充电站内的EV种类以私家车和公司班车为主。

如图1所示，为不同类型电动汽车工作日不同时段的行驶状态示意图。电动汽车参与V2G响应的状态以及荷电量，可根据不同时段EV的工作状态来判断。

(1)针对私家电动汽车在一天内不同时段的行驶状态描述：

①n₁时段为私家电动汽车用户早上上班开车所用的时间。即用户从家到公司，动力电池处于放电状态，无法参与微电网V2G响应。

②N₂时段为私家电动汽车在公司的停止时间。在保证N₃时间段的行车电量需求的前提下，私家电动汽车可接受V2G调度中心的控制。

③n₃时段为私家电动汽车用户下班回家所用的时间。该时段私家电动汽车特性与时段n₁相同，动力电池处于放电状态，无法参与V2G响应。

④n₄时段为私家电动汽车在家的停始时间。该时段，私家电动汽车不参与园区微电网的V2G响应。用户可根据第二天的行车需求和动力电池的现有电量在家进行对私家电动汽车的动力电池的充电行为。

(2)针对电动班车一天内不同时段的行驶状态描述：

①N₁为早上电动班车处于行驶状态的时间段。电动班车从公司出发到各个站点接上员工后并返回公司。该时段内电动班车的动力电池处于放电状态，不能参与V2G响应。

②N₂时段为上班时间电动班车停放在工业园区的电动汽车充电站内。该时段电动班车接入微电网***，服从V2G***的调度。但动力电池必须保留N₃时段所需的最小电量。

③N₃为下班后电动班车处于行驶状态的时间段。该时段电动班车从公司出发，将员工送至各个站点后返回公司，电动班车的车辆处于行驶状态，不能参与微电网的V2G响应。

④N₄为电动班车处于停止状态的时间段。该时段内电动班车接入微电网，接受V2G***的调度。

从对私家电动汽车和电动班车一天内车辆使用的状态分析，不同时间点的荷电状态受前后时间段内的用电情况以及后续的行驶需求的约束，因而各时刻的电动汽车的动力电池的荷电状态需满足以下约束条件：

SOC(T₃/T'₃)≥SOC_min (4)

上式中：SOC(T₀/T'₀)、SOC(T₁)、SOC(T₂)、SOC(T₃/T'₃)分别为电动汽车的动力电池在T₀或T'₀、T₁、T₂、T₃或T'₃时间点的荷电状态；S₁、S₂分别为用户上、下班的行驶距离，单位为kM；W为电动汽车的每公里耗电量，不同类型及品牌的电动汽车的每公里耗电量也不同；W_ed为电动汽车的动力电池的额定容量；SOC_min为动力电池保有的最低荷电状态。

在微电网孤岛运行情况下，微电网内部可再生能源发电出力与负荷需求功率间的平衡状况，决定着EV充电站与微电网***间的功率流向。因此，微电网内源荷间的功率平衡状况可做如下分析：

P_ph(t)＝P_G(t)-P_L(t) (5)

其中，

P_G(t)＝P_WT(v)+P_PV(t) (6)

式(5)-式(6)中：P_G(t)为可再生能源发电的实时发电功率；P_L(t)为微电网内的实时负荷功率；P_WT(v)为风电发电机组发电功率，P_PV(t)为光伏发电机组发电功率。

微电网与EV电站间的功率互动，主要考虑微电网处于孤岛运行状态时的情况。并且，通过上述对不同类型车辆在工作日内不同时段行驶状况分析可知，在工作日的N₂和N₄时间段EV充电站内有电动汽车接入。为简化分析，可认为在其他时间段EV充电站内的电动汽车数量为零。

在N₂时段：

若不考虑个别人员乘车外出的情况，此时私家电动汽车和电动班车都已停在园区的EV充电站内并接入V2G调度***。此时段EV充电站与微电网间的功率互动情况可做如下分析：

1)当微网内可再生能源发电出力大于等于微电网内常规负荷功率需求，即P_ph(t)≥0时，将会对EV充电站内的电动汽车进行充电。充电功率为：

P_EV-ch(t)＝N_car-ch(t)P_car-ch+N_bus-ch(t)P_bus-ch (7)

2)当微电网内可再生能源发电出力不能满足网内常规负荷功率需求，即P_ph(t)≤0时，EV充电站内的电动汽车将会进行放电。放电功率为：

P_EV-dis(t)＝N_car-dis(t)P_car-dis+N_bus-dis(t)P_bus-dis (8)

式(7)-式(8)中：P_car·ch、P_bus·ch、P_car·dis、P_bus·dis分别为t时刻私家电动汽车和电动班车的单辆充、放电功率，一般取为定值；N_car·ch(t)、N_bus·ch(t)分别为参与充电的私家电动汽车和电动班车的数量；N_car·dis(t)、N_bus·dis(t)分别为私家电动汽车和电动班车参与放电操作的数量。

其中，EV充电站内参与V2G响应的电动汽车数量由***富裕或欠缺电量、各电动汽车的荷电状态、车辆后续行驶需求以及储能***的荷电量等因素决定。充电操作时，优先对荷电状态较低的电动汽车进行充电。放电操作时，要考虑电动汽车用户后续的用车需求来限定放电的下限荷电状态，即确保T₂时刻的荷电量满足约束要求。

在N₄时段在该时段内只有园区的电动班车参与园区微电网的V2G调度。因此，该时段充电站参与V2G响应的功率应只计及电动班车的参与情况，即将式(7)、(8)中的N_car·ch(t)、N_bus·dis(t)取零进行计算。其他分析思路与N₂时段的相同。电动汽车接入微网***后，其与储能设备具有相同的特性，既可以作为网内电源进行放电操作，也可作为负荷进行充电。

微电网孤岛运行时，配备储能设备与电动汽车组成的联合储能***，将平滑可再生能源发电出力，有效提高***的稳定运行。当微网内可再生能源发电输出功率大于负荷需求时，***将对储能设备和电动汽车进行充电；当发电功率不能满足负荷的需求时，储能设备和电动汽车将进行放电操作，联合可再生能源发电一起向负荷供电。当储能设备、EV充电站联合可再生能源发电一起都无法满足负荷需求时，***将根据负荷的重要级别依次进行负荷的削减，直至***稳定运行。通过对微电网内私家电动汽车和电动班车行驶时间特性的分析，在工作日的N₂和N₄时段内微电网孤岛运行时，储能设备联合EV充电站共同与微电网进行功率互动。而在N₁和N₃时段内，EV充电站则不参与互动响应。因此，对于储能设备联合EV充电站与微电网间的功率互动情况分时段分析：

第一步：判定微电网孤岛运行在哪个时段，即N₁,N₂,N₃,N₄中哪个时段

第二步：根据微电网孤岛运行所在时段，计算微电网内电力平衡状况，即计算P_ph(t)的值；

第三步：若P_ph(t)＞0：在N₁和N₃时段时，微电网将仅对储能设备进行充电。在N₂和N₄时段，为使在无电动汽车参与V2G响应时，储能设备尽可能的保证***运行的稳定，应首先向储能设备进行充电。当储能设备内的荷电量达到某一设定值SOC_bat·sd，该值设定原则为：在尽量保证储能设备后续工作的前提下，兼顾电动汽车的充电需求，该值设定原则或者说为P_ph(t)-P_bat·ch·max＞0，即满足储能设备的最大输入功率时仍有富裕功率，则对EV充电站内的电动汽车进行充电。

第四步：若P_ph(t)＜0：在N₁和N₃时段时，储能设备进行放电操作。在N₂和N₄时段，同样为使在无电动汽车参与V2G响应时，储能设备尽可能的保证***运行的稳定，应首先安排电动汽车进行放电操作。

若P_ph(t)+P_EV·dis(t)＜0，即EV充电站联合可再生能源发电也无法满足负荷需求时，则储能设备参与放电操作。

若P_ph(t)+P_EV·dis(t)+P_{bat·dis·max}＜0，即储能设备、EV充电站以及可再生能源发电联合出力都无法满足负荷需求时，需进行负荷削减。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于包括：

在园区微电网内建设有EV充电站，EV充电站用于将电动汽车接入微电网，在微电网处于孤岛运行状态时，微电网与EV充电站间进行功率互动；

计算微电网内可再生能源发电输出功率和微电网内负荷需求功率；所述可再生能源发电包括光伏发电、小型风力发电和生物质发电；

当微电网内可再生能源发电输出功率大于等于微电网内负荷需求功率时，微电网对网内储能设备和EV充电站内连接的电动汽车进行充电；

当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率时，网内可再生能源发电、储能设备和EV充电站内连接的电动汽车联合向微电网内负荷供电；当储能设备、EV充电站内连接的电动汽车联合可再生能源发电总的输出功率都小于微电网内负荷需求功率时，微电网将根据微电网内负荷的重要级别依次进行负荷的削减，直至微电网内发受电功率平衡至稳定运行。

2.根据权利要求1所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，当微电网内可再生能源发电输出功率大于等于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，微电网优先对储能设备进行充电。

3.根据权利要求1所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，当微电网内可再生能源发电输出功率大于等于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，微电网优先对储能设备进行充电，在满足储能设备的最大输入功率时仍有富裕功率的情况下，则微电网再对EV充电站内的电动汽车进行充电。

4.根据权利要求1所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，优先安排EV充电站内连接的电动汽车进行放电操作。

5.根据权利要求1所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率，同时电动汽车通过EV充电站接入微电网时，优先安排EV充电站内连接的电动汽车进行放电操作；在EV充电站内连接的电动汽车联合可再生能源发电总的输出功率都小于微电网内负荷需求功率时，则储能设备参与放电操作。

6.根据权利要求1所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，所述电动汽车包括私家电动汽车和电动班车。

7.根据权利要求6所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，对于储能设备联合EV充电站内连接的电动汽车与微电网间的功率响应情况分时段，分为四个顺次排列的时段N₁,N₂,N₃,N₄：

在N₁时段，私家电动汽车从停驻状态启动开往公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；电动班车从公司所在园区出发到各个站点接上员工后并返回公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；

在N₂时段，私家电动汽车在公司所在园区内停驻接入微电网，在保证N₃时段的行车电量需求的前提下，私家电动汽车接受电动汽车与微电网联合功率响应控制；电动班车停放在园区的EV充电站内接入微电网，接受电动汽车与微电网联合功率响应控制，但电动班车的动力电池须保留N₃时段所需的最小电量；

在N₃时段，私家电动汽车驶离公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；电动班车从公司所在园区出发将员工送至各个站点后返回公司所在园区，其动力电池处于放电状态，其处于行驶状态无法参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；

在N₄时段，私家电动汽车在公司所在园区外停驻无法接入微电网，不参与电动汽车与微电网联合功率响应控制过程；电动班车停放在园区的EV充电站内接入微电网，接受电动汽车与微电网联合功率响应控制。

8.根据权利要求7所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，四个时段N₁,N₂,N₃,N₄中相应时刻下电动汽车的动力电池的荷电状态需满足以下约束条件：

SOC(T₃/T₃')≥SOC_min (4)

式中，SOC(T₀/T₀')表示电动汽车上班出发时刻所对应时间点的荷电状态；

SOC(T₁)表示电动汽车上班抵达公司所在园区时刻所对应时间点的荷电状态；

SOC(T₂)表示电动汽车下班驶离公司所在园区时刻所对应时间点的荷电状态；

SOC(T₃/T₃')表示电动汽车下班行驶结束时刻所对应时间点的荷电状态；

S₁、S₂分别为电动汽车上、下班的行驶距离，其单位是kM；

W为电动汽车的每公里耗电量；

W_ed为电动汽车的动力电池的额定容量；

SOC_min为电动汽车的动力电池保有的最低荷电状态。

9.根据权利要求1-3或6-8任一项所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，当微电网内可再生能源发电输出功率大于微电网内负荷需求功率时，微电网对EV充电站内连接的电动汽车进行充电，其充电功率P_EV·ch(t)为：

P_EV-ch(t)＝N_car-ch(t)P_car-ch+N_bus-ch(t)P_bus-ch (7)

其中，P_car·ch、P_bus·ch分别为t时刻私家电动汽车和电动班车的单辆充电功率；

N_car·ch(t)、N_bus·ch(t)分别为私家电动汽车和电动班车参与充电的数量。

10.根据权利要求1、4、5或6-8任一项所述含储能设备和EV充电站的园区微电网联合功率响应控制方法，其特征在于，当微电网内可再生能源发电输出功率小于微电网内负荷需求功率时，储能设备和EV充电站内连接的电动汽车将进行放电操作，EV充电站内连接的电动汽车的放电功率P_EV·dis(t)为：

P_EV-dis(t)＝N_car-dis(t)P_car-dis+N_bus-dis(t)P_bus-dis (8)

其中，P_car·dis、P_bus·dis分别为t时刻私家电动汽车和电动班车的单辆放电功率；

N_car·dis(t)、N_bus·dis(t)分别为私家电动汽车和电动班车参与放电操作的数量。