李博雄,黃紹平,武文斌
(湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,湘潭 411104)
隨著電動汽車(EV)的迅速發(fā)展,V2G(vehicle-to-grid,汽車入網(wǎng))越來越受到關(guān)注.在V2G架構(gòu)下,電動汽車同時具備源、荷二重屬性,以其“雙向輸能”的特性同時惠及電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè),實現(xiàn)平抑電網(wǎng)負荷、提升可再生能源消納、改善用戶經(jīng)濟效益、減少網(wǎng)損等優(yōu)點[1].在微網(wǎng)中實現(xiàn)V2G是國內(nèi)外V2G工程應(yīng)用的重要方向[2],它將電動汽車的動力電池集成到微網(wǎng)中,實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和集中管理,為微網(wǎng)內(nèi)的分布電源提供支持,并為相關(guān)負載供電.近年來,國內(nèi)研究人員對V2G策略進行了一些研究[3-6].
為了掌握電動汽車動力電池的源-荷運行特性,本文在MATLAB/Simulink平臺搭建了一個由風(fēng)、光、柴分布式電源、V2G電動汽車和常規(guī)負荷組成的獨立微電網(wǎng)仿真模型,然后對這一微電網(wǎng)在一天24 h(8.64×104 s)內(nèi)的運行情況進行仿真分析.
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.微電網(wǎng)交流母線額定工作電壓為25 kV,所有電源和負荷都經(jīng)過變壓器接在25 kV交流母線上.電源和負荷情況如下:
圖1 風(fēng)-光-柴電動汽車獨立微電網(wǎng)模型圖
(1)柴油發(fā)電機.柴油發(fā)電機作為微電網(wǎng)的基礎(chǔ)電源,額定功率為15 MW,額定電壓為25 kV,通過三相變壓器接入微電網(wǎng)中.
(2)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).是一個給定了24 h風(fēng)速變化曲線的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),風(fēng)電場額定輸出功率為4.5 MW,風(fēng)機額定電壓為575 V,通過25 kV/575 V變壓器接入微電網(wǎng)25 kV交流母線.
(3)光伏發(fā)電系統(tǒng).它是一個給定了日照情況的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),其峰值功率為8 MWp.
(4)電動汽車.微電網(wǎng)有100個電動汽車充電樁,每臺電動汽車動力電池功率為40 kW.動力電池既是負荷,也作為電源向微電網(wǎng)提供電能.
(5)常規(guī)負荷.常規(guī)負荷包括功率因數(shù)(PF)為0.9的10 MW住宅負荷和0.16 MW異步電動機(ASM)負荷.
電動汽車動力電池具有源-荷雙重特性,V2G有兩種功能:1)控制與其相連的動力電池充電;2)控制與其相連的動力電池放電,參與獨立微電網(wǎng)功率調(diào)節(jié),平衡獨立微電網(wǎng)功率,并充分利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電.
電動汽車參與V2G運行可劃分為以下5種不同的行為:
行為1:人們上班時可能會給自己的車充電.
行為2:人們上班時可能會給自己的車充電,但開的時間更長.
行為3:人們上班時不可能給自己的車充電.
行為4:待在家里的人.
行為5:上夜班的人.
在本例仿真中,100輛電動汽車參與V2G運行,設(shè)定行為1的汽車35輛,行為2的汽車25輛,行為3的汽車10輛,行為4的汽車數(shù)量20輛,行為5的汽車10輛.
以下對風(fēng)-光-柴電動汽車獨立微電網(wǎng)24小時(8.64×104s)運行情況進行仿真.
2.2.1 分布式電源發(fā)電情況
(1)柴油發(fā)電機
柴油發(fā)電機在一天(24 h,8.64×104s)的發(fā)電情況如圖2所示.
圖2 柴油發(fā)電機發(fā)電情況仿真波形圖
由圖2可知,柴油發(fā)電機作為獨立微電網(wǎng)的基礎(chǔ)電源,它根據(jù)負荷和其他分布式電源發(fā)電情況,起到獨立微電網(wǎng)有功功率和無功功率平衡的支撐作用,由它調(diào)節(jié)整個微電網(wǎng)的頻率和電壓.
(2)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在一天(24 h,8.64×104s)的發(fā)電情況如圖3所示.
圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電情況仿真波形圖
由圖3可以看出,風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓保持恒定,這也說明在整個運行過程中,微電網(wǎng)無功功率保持平衡.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電流和有功功率依風(fēng)電場風(fēng)速變化而產(chǎn)生較大波動.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的無功功率為0,系統(tǒng)電壓依靠柴油發(fā)電機輸出無功功率來支撐.
(3)光伏發(fā)電(PV)系統(tǒng)
光伏發(fā)電系統(tǒng)在一天(24 h,8.64×104s)的發(fā)電情況如圖4所示.太陽被遮擋的時間(5×60 s)內(nèi)輸出設(shè)置為0.7 p.u.,正常照射時間輸出將保持為1.0 p.u..
圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電情況仿真波形圖
由圖4可知,光伏的輸出電壓穩(wěn)定,太陽強度服從正態(tài)分布,中午達到最高強度.PV輸出的電流和有功功率隨光照情況亦呈正態(tài)分布,在4×104s后出現(xiàn)了短暫的遮陽現(xiàn)象,PV的輸出電流和有功功率也發(fā)生短暫變化.
2.2.2 V2G運行情況
V2G運行情況可用電動汽車動力電池充放電情況與荷電狀態(tài)(SOC)來表示.
(1)電動汽車動力電池放電情況
電動汽車動力電池作為電源,在一天(24 h,8.64×104 s)的放電情況如圖5所示.
圖5 電動汽車動力電池放電情況
由圖5可知,在電動汽車放電的情況下,電壓穩(wěn)定在500 V,電流由于受到太陽光照強度的影響出現(xiàn)短暫波動.電動汽車放電對電網(wǎng)有一定的影響但比較微弱,電壓和電流都在很小的范圍內(nèi)波動.
(2)電動汽車動力電池充電情況
電動汽車動力電池作為負荷,在一天(24 h,8.64×104 s)的充電情況如圖6所示.
圖6 電動汽車動力電池充電情況
由圖6可知,電動汽車充電對電網(wǎng)有一定的影響但比較微弱,電壓和電流在很小的范圍內(nèi)出現(xiàn)波動.
(3)電動汽車動力電池荷電狀態(tài)(SOC)
不同行為的電動汽車有不同的充放電行為和不同的荷電狀態(tài)(SOC).5種不同行為的電動汽車,其電力電池在一天(24 h,8.64×104s)的SOC如圖7所示.
圖7 電動汽車動力電池SOC
由圖7可以看出行為1~5個的電動汽車的充放電行為時間點,中午和晚上充放電行為比較頻繁.
在MATLAB/Simulink平臺上搭建風(fēng)-光-柴電動汽車獨立微電網(wǎng)的仿真模型,對其在1晝夜的運行情況進行仿真分析,仿真結(jié)果表明,通過合理配置分布式電源容量;有效利用電動汽車動力電池的電源特性,讓其參與微電網(wǎng)功率平衡;合理調(diào)度和優(yōu)化微電網(wǎng)的運行策略,能保證獨立微電網(wǎng)可靠和優(yōu)質(zhì)地運行,既能為電動汽車和常規(guī)負荷提供高質(zhì)量的電能,又能充分利用光伏、風(fēng)電可再生能源.