基于V2G的風(fēng)-光-柴電動汽車獨立微電網(wǎng)運行特性仿真分析

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）

0 序言

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.

1 系統(tǒng)組成

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.

2 仿真分析

2.1 電動汽車V2G行為設(shè)置

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.

2.2 仿真結(jié)果與分析

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.

3 結(jié)論

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.