一种基于有功-电压耦合特性的电动汽车负荷参与电网辅助调峰方法及系统

本发明属于电力系统运行与控制，尤其涉及一种基于有功-电压耦合特性的电动汽车负荷参与电网辅助调峰方法及系统。

背景技术：

1、随着社会经济、技术水平进步，电网源侧新能源接入规模不断增大，荷侧用电需求同样逐年增长，而光伏等新能源出力和负荷水平具有典型的时序特征，光伏出力在一天中的正午达到峰值，而负荷水平因生产生活的规律也在日时间尺度上呈现出“峰谷交替”的现象，二者共同加剧了电网调峰困难的问题。与此同时，电动汽车因其类储能特性被广泛认为具有参与电网辅助调峰的潜力，但其具体控制方式尚不清晰，一般仅以其计划负荷值作为控制量，以调度的方式参与电网调控。因此，从电动汽车及其充电桩的层面出发，研究具体的电动汽车负荷功率直接控制方法，以及参与电网调控的方法流程，对提升电网辅助调峰能力及提高新能源消纳率具有重要的意义。

2、综上所述，研究基于有功-电压耦合特性的电动汽车负荷参与电网辅助调峰方法，以电动汽车充电端口电压为控制量，基于馈线负荷普遍存在的有功-电压耦合特性实现负荷功率直接控制，是一种高效可行的负荷控制方法。新能源侧保障了自身的消纳率；电网公司进一步明晰电动汽车参与电网调控的方法；电动汽车用户在生活条件许可的情况下获得一定经济补偿；总体上实现了源-网-荷总体效益的提升。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于有功-电压耦合特性的电动汽车负荷参与电网辅助调峰方法：以电动汽车及充电桩为控制对象，以电动汽车充电端口电压为控制量，提出涉及充电端口电压调整方法、电动汽车调节特性辨识方法及电动汽车与电网互动策略三方面的全流程方案。全面考虑电动汽车充电方式和充电桩特点，明确充电桩调压方法，以试验形式辨识电动汽车充电过程中的有功-电压耦合特性，量化电动汽车负荷调节潜力，实现电动汽车参与电网调峰辅助服务。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于有功-电压耦合特性的电动汽车负荷参与电网辅助调峰方法，其具体包括以下步骤：

3、步骤1、确定充电桩调压方法。根据充电桩与电网接入端口处电压的可控与否，选择不同的调压方式，作为电动汽车调节特性辨识和参与电网互动的直接控制手段；

4、步骤2、辨识电动汽车负荷调节特性。在电动汽车接入充电桩伊始，根据电动汽车充电阶段的不同，分别通过试验获取数据，计算电动汽车的cvr系数，表征电动汽车负荷对电压变化的灵敏度，量化电动汽车负荷的调节特性；

5、步骤3、参与电网调峰辅助服务。基于特性辨识结果，衡量充电桩下电动汽车的可调节能力，根据上级控制指令，本地计算端口电压调控量，实现电动汽车与电网的互动。

6、在上述的基于有功-电压耦合特性的电动汽车负荷参与电网辅助调峰方法，步骤1的具体实现包括：

7、步骤1.1、调压设备选择

8、对于自身具备充电桩端口调压能力的充电桩，无需外接辅助试验装置或设备，可直接通过本地手动电压控制实现充电端口电压调控。

9、步骤1.2、辅助调压设备部署

10、对于经判断得出不具备充电桩端口主动调压能力的充电桩，采取并联小型无功补偿装置的形式，实现就地电压调控，仅为电动汽车负荷调节特性辨识试验提供可靠调压手段，试验装置结构图如图1所示。

11、步骤2的具体实现包括：

12、步骤2.1、基于有功-电压耦合特性的cvr系数负荷模型构建

13、馈线负荷的有功-电压耦合特性是一种用于描述馈线内负荷有功功率响应电压变化的固有属性，而电动汽车作为从属于馈线的柔性负荷，必然也存在上述特性，因此需要对其特性进行辨识，以量化电动汽车负荷的调节能力。

14、对于电网的调峰辅助服务，仅需关注可调资源在长时间尺度(分钟级以上)上的稳态特性，故建立基于降压节能系数(conservation voltage reduction,cvr)的负荷模型，常以静态负荷模型中的幂指数模型表示负荷有功功率与负荷节点电压的关系，如式(1)所示：

15、

16、p,p0分别为负荷有功功率与负荷初始时刻有功功率；v,v0分别为负荷当前时刻与初始时刻电压；α模型参数。参数α近似等于v＝v0时负荷模型斜率(即δp/δv)，对于一般负荷而言，参数α通常在0.5～1.8范围内变化，该参数可以反应不同负荷的有功功率响应电压变化的灵敏度，为简洁的描述电动汽车负荷功率调节特性，本发明中按照式(2)来表征cvr系数，也即电动汽车负荷的调节特性。

17、cvrfac＝δp/δv  (2)

18、步骤2.2、考虑充电阶段差异的电动汽车负荷调节特性辨识试验

19、电动汽车的充电负荷功率由车载充电机直接控制，而充电桩仅作为电力供应来源，一般保持其母线电压恒定。车载充电机根据电动汽车动力电池的bms系统监测充电状态，自适应地通过恒压或恒流充电方式动态调整充电功率。而基于步骤1中确定的调压方法，可以从本地改变充电桩接入电网端口处的电压值，从而影响车载充电机控制下的充电负荷功率，对电动汽车负荷的有功-电压耦合特性进行辨识试验。具体试验手段如下：

20、1)电压控制：在电动汽车接入充电桩充电后，基于步骤1的调压手段，在安全裕度内从初始母线电压开始先等量调增母线电压5次，再等量调减母线电压5次；

21、2)数据采集：从充电桩调取调压过程中充电桩端口电压与功率数据；

22、3)数据处理：对数据进行预处理，包括异常值剔除、滤波与标幺化等；

23、4)特性辨识计算：采用基于比较的方法分析负荷调节效果。计算调控前、后半分钟内的电压平均值与功率平均值，计算相应的电压变化量与功率变化量得到馈线负荷功率调节特性

24、公式2是基于特性原理的建模，本步骤的馈线负荷功率调节特性公式是实际辨识过程中基于量测数据的计算过程，本质上并无区别，但从逻辑上来说是要先有数学模型再有参数辨识过程的，这属于基于实际量测的辨识方法

25、5)充电阶段判断：考虑到电动汽车充电过程存在显著的电流或电压变化过程(一般以恒压或恒流方式充电)，需要根据充电方式的不同，在不同充电阶段分别进行调节特性辨识。

26、实际上，电动汽车的车显充电功率pc与充电桩端口功率pport并不相同，而应满足公式(3),但二者的变化趋势相近，因此，为便于电网调度或虚拟电厂运营商获取监测采集信息，本发明定义充电桩端口处功率变化率为辨识判断指标，当指标大小超出阈值rt时，认为电动汽车充电阶段发生变化，重复实验步骤1)～4)，判断表达式如式(4)。至此，实现电动汽车负荷调节特性准确辨识。

27、pport＝pc+ploss  (3)

28、

29、式中，ploss代表充电损耗，代表t时刻充电桩端口功率变化率，代表t时刻充电桩端口功率，代表t时刻前30秒内端口功率的平均值。

30、本步骤是为了判断电动汽车的充电阶段，因为电动汽车在整个充电过程中可以分为不同的充电阶段，其模型参数，也即cvrfac可能会发生变化，考虑这个因素定义一个指标来判断是否发生阶段变化，进而判断并更新cvrfac的值，保证参数辨识结果的实时有效性。

31、步骤2.3、基于特性辨识的电动汽车负荷可调能力量化评估

32、基于步骤2.2辨识得到的特性参数cvrfaci，进一步考虑电动汽车自身负荷约束和电压调节约束，量化电动汽车负荷的可调能力。其中，考虑充电桩调压范围的可调能力计算方法如下所示：

33、δui,max＝ui,max-ui,port  (5)

34、δui,min＝ui,port-ui,min  (6)

35、δpi,max＝cvrfaci·δui,max  (7)

36、δpi,min＝cvrfaci·δui,min  (8)

37、其中，ui,port为电动汽车充电桩的端口电压，ui,max和ui,min分别表示第i个充电桩允许运行的最大电压和最小电压，δui,max和δui,min则分别为相应的最大上调电压和最大下调电压，δpi,max和δpi,min为对应的可上调容量和可下调容量。

38、步骤3的具体实现包括：

39、步骤1和步骤2分别明确了电动汽车充电桩的控制手段和可调能力，进而可以根据电网调峰辅助服务的调控需求，反向求解实际调压量。电动汽车负荷参与电网辅助调峰的具体步骤如下：

40、1)电动汽车充电桩经由plc等负荷控制终端本地计算可调能力后，向虚拟电厂主站或调度部门上报所接如电动汽车负荷的可调能力δpi,max和δpi,min，以及当前端口母线电压值ui,port；

41、2)调度部门或虚拟电厂运营商由控制主站计算决策得到各电动汽车充电桩的目标调控量δpi，并将控制指令下发至plc等负荷控制终端；

42、3)由plc等负荷控制终端于本地反向计算电动汽车充电桩端口电压的调控量δui，并下发至电动汽车充电桩的调压设备；

43、4)电动汽车充电桩调压设备执行电压控制指令，通过电动汽车负荷功率对电压变化的自发响应，实现电动汽车负荷参与电网调峰辅助服务。

44、通过上述方法步骤即可实现电动汽车负荷通过直接功率控制参与电网辅助服务。基于有功-电压耦合特性的电动汽车负荷参与电网辅助调峰的流程如图2所示：