全 慧,李相俊,賈學翠,張 楊,王上行,李 波
(1. 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學研究院有限公司),北京市 100192;2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司,浙江省杭州市 310007;3. 國網(wǎng)浙江電動汽車服務有限公司,浙江省杭州市 310007)
近年來,隨著電動汽車的廣泛應用和車聯(lián)網(wǎng)技術的大力推廣,快充電站的規(guī)模化發(fā)展也成為重要趨勢。然而,當前電網(wǎng)在規(guī)劃過程中并未充分考慮快充電站的建設需求,未考慮復雜交通網(wǎng)絡與電網(wǎng)雙向交互的影響,其規(guī)?;尤雽⒔o電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)??斐湄摵傻乃矔r大功率變化使電網(wǎng)更接近極限運行狀態(tài),抵御擾動風險的能力降低[1-3];同時,大規(guī)模充電負荷與常規(guī)負荷疊加,將導致配電網(wǎng)容量不足[4-6]。儲能具有四象限運行、功率靈活可控的特點,通過合理控制快充電站中的儲能系統(tǒng),可實現(xiàn)負荷削峰填谷、離網(wǎng)快速充電和緊急功率支撐等作用[7-8]。
建立適應不同場景的覆蓋毫秒級至小時級的多時間尺度電池儲能系統(tǒng)仿真模型是優(yōu)化控制的基礎。目前,對儲能系統(tǒng)仿真模型和控制策略的研究已有一定積累。在仿真建模方面,文獻[9-10]建立了電池儲能系統(tǒng)機電暫態(tài)模型,但未充分考慮充放電過程中電池模組參數(shù)的緩慢變化,以及其在中長期應用場景中對儲能運行特性的約束作用;文獻[11-12]提出了涵蓋暫態(tài)特性和中長期特性的儲能系統(tǒng)模型,但忽略了充放電功率限制環(huán)節(jié),仿真結果存在偏差。在控制策略方面,文獻[13-16]探討了充儲一體化電站并網(wǎng)提高配電網(wǎng)供電能力和調壓能力等問題,并研究了儲能運行控制方式及其與電網(wǎng)的能量交互過程;文獻[17-18]以含儲能快充電站的整體經(jīng)濟性最優(yōu)為目標,研究了儲能協(xié)調控制策略,探討了儲能在節(jié)約快充電站購電成本方面的應用價值。但上述文獻僅考慮了儲能系統(tǒng)的中長期特性,并針對單個充儲電站的穩(wěn)態(tài)變化情形進行研究,而未考慮快充負荷在啟停瞬間的大功率變化引發(fā)的暫態(tài)問題,未涉及沖擊性負荷對電網(wǎng)穩(wěn)定性的復雜影響,即現(xiàn)有的充儲電站控制策略對電網(wǎng)擾動缺乏良好的響應能力。
針對上述問題,本文提出兼顧中長期特性和暫態(tài)特性的儲能系統(tǒng)多時間尺度仿真模型和控制策略,通過捕捉電網(wǎng)功率、頻率、電壓信號變化,精準控制儲能充放電過程,從而提高含儲能快充電站與配電網(wǎng)的互動能力。
快充電站的直流充電機具有運行功率大、工作時間短、瞬時功率變化率大的特點,規(guī)?;斐潆娬驹诔潆娯摵筛叻鍟r期將使變壓器負載率迅速上升,配電網(wǎng)供電壓力增大,增容擴建需求迫切。而在充電負荷低谷時期,常規(guī)用電負荷功率需求量小,變壓器及線路負載率較低,使得電力資產(chǎn)利用率低、運行經(jīng)濟性差的問題較為突出[19-20]。含儲能快充電站中的儲能系統(tǒng)既作為分布式電源,又作為可控負荷,從而實現(xiàn)直流快充系統(tǒng)與電網(wǎng)的部分解耦運行。充電負荷高峰,儲能系統(tǒng)放電,為快充電站供能并進行短時功率支撐,減小配電網(wǎng)的傳輸功率,從而達到減小快充電站規(guī)模化運行對電網(wǎng)的沖擊、緩解配電網(wǎng)供電壓力的目的,同時降低了快充電站購電成本。充電負荷低谷,儲能系統(tǒng)接受電網(wǎng)統(tǒng)一調度,作為可控負荷吸收電能,或向電網(wǎng)饋電,達到削峰填谷的目的,不僅能實現(xiàn)電站與電網(wǎng)功率的雙向流動,提高電力資產(chǎn)利用率,而且能提高電網(wǎng)運行可靠性和經(jīng)濟性。
含儲能快充電站主要包含直流充電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)。其中,直流充電系統(tǒng)為核心部分,電動汽車通過直流充電機獲取電能,進行快充服務;多臺直流充電機并接于0.4 kV 交流母線,并通過變壓器接入10 kV 配電網(wǎng)。儲能系統(tǒng)包含電池組、變流器(PCS)和能量管理系統(tǒng)(EMS);變流器是儲能電池組與電網(wǎng)之間的能量轉換通道,由整流/逆變模塊及直流變換模塊組成,完成交直流變換及直流電壓變換工作;能量管理系統(tǒng)檢測儲能系統(tǒng)運行狀態(tài),接收電網(wǎng)調度指令,并通過控制變流器調節(jié)電池儲能系統(tǒng)出力。監(jiān)控系統(tǒng)負責站內各部分運行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)信息采集及交互、調度指令接收及傳遞、含儲能快充電站充放電計劃制定等,協(xié)調控制電站內各子系統(tǒng)間的運作。供配電系統(tǒng)是含儲能快充電站的主要電源,由線路、變壓器、開關等一次設備和監(jiān)測、控制、保護等二次設備組成。含儲能快充電站的結構如圖1 所示。
圖1 含儲能快充電站結構Fig.1 Structure of fast charging station with energy storage
能量管理系統(tǒng)是含儲能快充電站與配電網(wǎng)之間實現(xiàn)信息交互與能量控制的中間環(huán)節(jié)。能量管理系統(tǒng)通過直流充電終端(充電機)獲取電動汽車充電需求信息,包括動力電池剩余電量、指示狀態(tài)、需求能量等;與此同時,通過儲能電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)采集電池組的電壓、電流、估算容量、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù);然后,通過“低時延、大帶寬、高可靠”的5G 通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)實時傳輸至主控中心。主控中心根據(jù)儲能裝置的運行狀態(tài),評估規(guī)?;斐潆娬局蟹稚⒌膬δ苜Y源的可調度潛力,同時結合當前負荷水平和電網(wǎng)狀態(tài)信息,針對快充電站優(yōu)化充電、削峰填谷、功率支撐等多類型應用場景,以減小規(guī)模化快充電站運行對電網(wǎng)的沖擊,提高電網(wǎng)安全性為目標,綜合考慮快充電站購電成本和經(jīng)濟效益,制定含儲能快充電站的優(yōu)化充放電計劃,并進行安全性和技術經(jīng)濟性評估。最后,逐級下達校核后的儲能系統(tǒng)響應計劃,并通過調整儲能變流器的運行策略控制儲能裝置的輸出/吸收功率。同時,能量管理系統(tǒng)也可根據(jù)應用場景的特點,開展用電計劃、需量管理、削峰填谷、負荷預測等服務,實現(xiàn)多元儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理。此外,當快充負荷近似或超過區(qū)域配電網(wǎng)容量時,大功率缺額將引起電網(wǎng)電壓和頻率跌落,為維持配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,可斷開固態(tài)開關以切除直流充電負荷,甚至斷開并網(wǎng)開關將部分含儲能快充電站以整體形式切除。含儲能快充電站的能量管理方式及其與配電網(wǎng)交互過程的流程圖如圖2 所示,其中一、二、三級是依據(jù)信息顆粒度劃分的過程層級。儲能能量充足的情況下,優(yōu)先調度站內儲能資源,以減少配電網(wǎng)傳輸功率,從而降低快充電站購電成本。負荷高峰時段,配電網(wǎng)容量不足的情況下,聚合可調度的分布式儲能資源補充系統(tǒng)所需功率,以維持并網(wǎng)母線的電壓穩(wěn)定[21-22]。當系統(tǒng)可調節(jié)范圍所提供的能量無法滿足負荷需求時,則需通過切除負荷維持區(qū)域配電網(wǎng)的功率平衡。
圖2 含儲能快充電站的能量管理方式及其與配電網(wǎng)交互過程流程圖Fig.2 Flow chart of energy management mode of fast charging station with energy storage and its interaction process with distribution network
總體而言,主控中心是構建車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈的核心,是連接配電網(wǎng)和交通網(wǎng)的關鍵樞紐,可實現(xiàn)全時空動態(tài)交通信息采集融合,以及儲能電站全壽命周期管理與數(shù)字化決策。一方面,主控中心通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)設備實時采集配電網(wǎng)的負荷水平、電網(wǎng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息,通過智能傳感技術、無線通信設備有效識別車聯(lián)網(wǎng)的在網(wǎng)車輛、可用充電機等基礎設施的動靜態(tài)信息。另一方面,主控中心向配電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)下發(fā)計劃指令和實時指令,聚合可控負荷、快充電站、儲能站,實現(xiàn)負荷側資源可觀測、可調度,促進含儲能快充電站與配電網(wǎng)的有效互動。
儲能系統(tǒng)通常包括電池組、變流器以及控制系統(tǒng)。電池單體經(jīng)過串并聯(lián)后形成電池組,再經(jīng)儲能變流器接入交流電網(wǎng)。與此同時,控制系統(tǒng)為實現(xiàn)特定工況下對變流器有功、無功功率的調節(jié),需采集交流電網(wǎng)的電壓、頻率、功率信號,并對各組成模塊加以相應的控制策略,儲能系統(tǒng)并網(wǎng)控制結構如圖3所示。針對快速充電、削峰填谷等中長期尺度應用場景,增設優(yōu)化計算接口,綜合考慮充電需求、負荷功率、計劃出力、儲能容量、荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)等參數(shù),建立儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略;針對頻率、電壓調節(jié),緊急功率支撐等短時間尺度應用場景,主要通過調節(jié)控制器參數(shù),實現(xiàn)快速響應的作用。
圖3 儲能系統(tǒng)并網(wǎng)控制結構圖Fig.3 Grid-connection control structure of energy storage system
電池模型中計及電池壽命、溫度等影響因素,描述了儲能電池端電壓、SOC 等緩慢變化的外特性參數(shù),反映儲能系統(tǒng)的中長期特性??刂葡到y(tǒng)模型包括頻率控制器、功率控制器(以下簡稱“PQ控制器”)和充放電控制器3 個主要模塊,描述儲能系統(tǒng)的快速響應能力,反映其暫態(tài)特性。其中,頻率控制器中包含并網(wǎng)控制策略,可依據(jù)頻率測量值fmeas計算系統(tǒng)頻率偏差,并對站級儲能系統(tǒng)進行有功控制;結合電網(wǎng)計劃出力指令功率值Pplan,輸出電池儲能系統(tǒng)的有功功率參考值Pref。PQ控制器和充放電控制器分別作為外環(huán)系統(tǒng)和內環(huán)系統(tǒng)共同組成具有雙環(huán)控制結構的變流器控制器模型。外環(huán)系統(tǒng)采用定功率控制方式,以當前電網(wǎng)狀態(tài)下的有功功率和母線電壓的測量值Pmeas、Umeas分別與并網(wǎng)控制的參考值的差值作為輸入量,計算dq坐標系下的有功電流參考值Id,ref和無功電流參考值Iq,ref,并將其作為控制量輸出至內環(huán)系統(tǒng)。內環(huán)系統(tǒng)的充放電控制器結合電池外特性參數(shù),向變流器輸出考慮電池容量限制的電流控制參考值Id,lim,ref和Iq,lim,ref,從而實現(xiàn)并網(wǎng)控制指令。此外,電池模型根據(jù)電池組直流側電流測量值Idc計算其端電壓Udc及SOC。
電池的充放電特性具有高度非線性,電氣參數(shù)具有較強時變性,在動態(tài)仿真中為確定電池運行狀態(tài)及控制方式,往往重點關注其端電壓和SOC 等外特性參數(shù),計算公式如式(1)—式(4)所示。本文基于安時積分法,兼顧老化、溫度修正模型對SOC 進行估算。
式中:S為電池SOC,S0為其初值;Ccell為單體電池容量(單位為Ah);η為計及并聯(lián)電池數(shù)量及電池充放電效率的比例常數(shù);I為充放電電流(單位為kA);t為積分變量(單位為s);Sage,loss和Cage,loss分別為由于電池老化引起的SOC 損失和容量衰減;ST,loss和CT,loss分別為溫度影響引起的SOC 損失和容量衰減;m為充放電循環(huán)次數(shù);Ucell(S,T)為電池單體電壓(單位為V);U0為初始狀態(tài)電池電壓(單位為V);Ri為電池內阻(單位為mΩ);T為溫度;K1(m)和K2(T)至K5(T)分別為考慮循環(huán)次數(shù)和溫度影響的修正系數(shù),通常依據(jù)電池實驗數(shù)據(jù)進行擬合[23-24]。
為使儲能變流器依據(jù)電網(wǎng)功率需求靈活調整控制目標,充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)快速響應、功率四象限調節(jié)的優(yōu)勢,本文將儲能變流器的控制系統(tǒng)模型分為3 個部分:PQ控制器、充放電控制器,以及生成站級儲能有功功率參考值的附加頻率控制器。
PQ控制器模型見附錄A 圖A1,由于控制系統(tǒng)采用定功率控制策略,且將有功功率P和無功功率Q進行解耦控制,故控制變量P和電壓U(或Q)形成兩條獨立的控制路徑。該模型將控制量的目標值與測量值進行差值計算,經(jīng)過一階濾波環(huán)節(jié)后作為輸入量進入比例-積分(PI)控制環(huán)節(jié)。儲能變流器的有功控制環(huán)根據(jù)電網(wǎng)功率測量值的變化動態(tài)調整目標值,從而控制儲能系統(tǒng)的出力,滿足特定應用場景需求。有功控制路徑中的PQ控制器的直軸電流參考值Id,ref與充電邏輯控制器的直軸電流修正值Id,lim,ref的差值ΔI信號來自充放電控制器,該反饋調節(jié)的目的是為了防止PI 控制器飽和而失去誤差調節(jié)作用;電壓(或無功功率)控制路徑中的電流控制環(huán)節(jié)一部分用于設置定點跟蹤,另一部分用于生成一個基于比例電壓支撐的帶死區(qū)的斜率。
此外,雖然儲能系統(tǒng)具備功率四象限調整的能力,且有功容量與電池有關,而無功容量與變流器有關,但由于變流器價格高昂,并不適合采用增大變流器容量以增加儲能系統(tǒng)無功調節(jié)能力的方式,故針對儲能變流器可采取有功控制為主、無功控制為輔的調控策略,當儲能系統(tǒng)的有功功率處于非滿功率運行工況時,充分利用其無功容量,發(fā)揮電壓調節(jié)能力。由于此模型采用PQ解耦控制方式,有功電流和無功電流Id和Iq各自形成獨立的控制環(huán),使儲能系統(tǒng)具有無功電流支撐特性,故在過電壓或欠電壓的狀態(tài)下,可自動調節(jié)無功電流以縮減電壓偏差,提高電壓穩(wěn)定性。
充放電控制器的模型見附錄A 圖A2,由邏輯判斷模塊和限幅模塊組成。邏輯判斷模塊用于判斷電池SOC 是否達到邊界值,是否可執(zhí)行儲能充放電指令;限幅模塊用于約束有功電流和無功電流幅值,并保證有功控制的優(yōu)先級。圖A2 中:Imax為電流幅值的上限值。
附加頻率控制器模型見附錄A 圖A3,以系統(tǒng)頻率偏移量作為輸入信號,通過設置調差系數(shù)K,計算實現(xiàn)一次調頻任務時所需儲能電站輸出有功功率的目標值。偏差量及其輸出信號P0用于補償輸出功率目標值Pref,并使之等于0,即根據(jù)頻率穩(wěn)定性需求對儲能電站進行相位補償,以適當增加系統(tǒng)阻尼。同時,為避免因變流器頻繁動作、電池淺充淺放次數(shù)過多而導致壽命周期縮短的問題,該模型中增加了死區(qū)環(huán)節(jié),可使儲能系統(tǒng)在有效響應大的頻率擾動時,兼顧儲能電池保護。
為測試所提儲能系統(tǒng)模型及其控制策略的有效性,本文基于DIgSILENT 電力系統(tǒng)仿真平臺構建了區(qū)域電網(wǎng)中含儲能快充電站模型,如附錄A 圖A4所示。為保證多點分散布局的含儲能快充電站即時通信、靈活調度和聚合控制,將位于同一10 kV 變電站供電區(qū)的快充電站劃分為同一集群。附錄A 圖A4 所示的區(qū)域配電網(wǎng)包含兩處快充電站集群,分別為榮城花園站集群和邵大郢站集群。其中,榮城1站中配置儲能系統(tǒng)容量為400 kW/400 kW·h。
快充電站的大功率直流充電負荷變化瞬間,配電網(wǎng)功率波動劇烈,對電網(wǎng)的頻率、電壓沖擊明顯。由于現(xiàn)階段快充負荷的大功率變化是影響儲能模型暫態(tài)特性的主要因素,故設置仿真事件如下:
1)0 min 時,榮城1 站1 號直流快充負荷的有功功率增加60 kW,無功功率增加37 kvar;
2)10 min 時,邵大郢1 站1 號直流快充負荷的有功功率降低15 kW,無功功率降低9 kvar;
3)20 min 時,榮城1 站1 號直流快充負荷的有功功率降低30 kW,無功功率降低18.5 kvar。榮城1站1 號和邵大郢1 站1 號的直流快充負荷功率變化過程如圖4(a)所示。
圖4 功率變化情況對比Fig.4 Comparison of power change
對比文獻[25]中儲能系統(tǒng)的控制方案,結合本文所提儲能系統(tǒng)模型設置多種對比方案,其主要控制參數(shù)如表1 所示,其中:方案2 為既有方案;Kq為表征電壓支撐能力的比例增益系數(shù);Kdroop為頻率調差系數(shù);Kdb為電壓控制環(huán)節(jié)的比例增益死區(qū)。仿真結果如圖4—圖6 所示。
表1 儲能系統(tǒng)控制方案及主要參數(shù)Table 1 Control scheme and main parameters ofenergy storage system
圖6 頻率變化情況對比Fig.6 Comparison of frequency change
對比圖4 中不同控制方案下的功率變化情況可知,相較于無儲能運行場景,含儲能快充電站對配電網(wǎng)的功率需求整體減少,且快充負荷變化對配電網(wǎng)的瞬時功率沖擊大幅降低。其中,采用方案1 的含儲能快充電站比無儲能快充電站對配電網(wǎng)的最大有功、無功沖擊功率分別減小4%和6%。與既有方案(方案2)相比,當Kq增大至100 倍時,儲能系統(tǒng)的電壓調節(jié)能力明顯提高,含儲能快充電站對配電網(wǎng)的無功需求降低2.6%。
由圖5 所示的電壓變化情況可知,位于同一控制集群的含儲能快充電站與配電網(wǎng)的互動能力更強,對并網(wǎng)點電壓的調節(jié)作用更加顯著。且隨著電壓調節(jié)死區(qū)Kdb的增大,儲能系統(tǒng)的電壓控制作用呈現(xiàn)滯后效果。與無儲能應用場景相比,當Kdb放大50 倍,電壓支撐作用降低50%。
圖5 電壓變化情況對比Fig.5 Comparison of voltage change
此外,含儲能快充電站可使系統(tǒng)頻率快速恢復穩(wěn)定。頻率調差系數(shù)Kdroop表征儲能變流器的有功出力從0 增加到滿功率時,系統(tǒng)頻率的相對變化。故Kdroop越大,單位調節(jié)功率越小,頻率偏移越大。結合圖6可知,Kdroop擴大10倍,頻率偏移增大0.15 Hz。
針對負荷削峰填谷的應用需求,通常采用考慮最大功率限制的恒定容量簡化模型,但該模型忽略了長時間尺度下電池儲能系統(tǒng)的容量衰減效應,以及循環(huán)次數(shù)疊加對加速電池老化的作用。為驗證所提儲能系統(tǒng)模型的中長期特性,本節(jié)針對多種運行方案進行對比。假設電池循環(huán)壽命為5 000 次,每日完全充放電1 次,此前已正常運行1 000 日;由于電池儲能系統(tǒng)通常置于集裝箱內或室內,在削峰填谷場景中,電池所處的環(huán)境溫度單日變化幅度較小,可近似為恒定溫度。圖7 顯示了不同儲能模型下,削峰填谷前后的負荷功率變化情況。
圖7 削峰填谷前后的負荷功率對比Fig.7 Power comparison of load before and after peakshaving and valley-filling
儲能系統(tǒng)接入后可顯著改善負荷峰谷差較大的問題,然而隨著電池容量的衰減,其作用呈現(xiàn)逐級退坡的趨勢。相較于恒定容量模型而言,考慮電池中長期特性的儲能系統(tǒng)模型,可有效提升削峰填谷應用場景中儲能系統(tǒng)容量配置計算的精度。
快充電站中加入儲能將原有的單一電源系統(tǒng)變?yōu)槎嚯娫聪到y(tǒng),儲能與上級電網(wǎng)共同響應負荷需求,可大幅降低配電網(wǎng)供電壓力。針對快充負荷大功率瞬時變化對配電網(wǎng)造成的功率沖擊、電壓和頻率偏移等問題,本文研究了提高含儲能快充電站與配電網(wǎng)互動能力的儲能系統(tǒng)多時間尺度仿真模型,并得出以下結論:
1)構建兼顧暫態(tài)特性和中長期特性的儲能系統(tǒng)模型可有效提高含儲能快充電站與配電網(wǎng)的互動能力。在暫態(tài)應用場景中,改變儲能系統(tǒng)的控制參數(shù)可改善其響應能力。當電壓控制比例增益系數(shù)Kq增大100 倍時,為達到同等電壓水平,含儲能快充電站的無功需求至少增加2.6%;頻率調差系數(shù)Kdroop越大,系統(tǒng)頻率偏移越大,當Kdroop擴大10 倍時,頻率偏移增大0.15 Hz。
2)針對中長時間尺度應用場景,電池循環(huán)壽命、老化程度、環(huán)境溫度等對互動能力的影響明顯,隨著電池容量的衰減,其調節(jié)作用呈現(xiàn)逐級退坡的趨勢。
3)多時間尺度儲能系統(tǒng)控制模型可適應毫秒級至小時級多類型應用場景。暫態(tài)特性控制模塊使其具有自動檢測、快速調差的能力,為規(guī)?;斐潆娬静⒕W(wǎng)時電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供重要保障。中長期穩(wěn)態(tài)特性控制模塊考慮了電池充放電過程中的容量衰退,可提升儲能容量配置計算的精度。
由于現(xiàn)階段快充電站影響配電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的主要因素是負荷的大功率變化,故本文聚焦于直流充電負荷變化瞬間與配電網(wǎng)的互動過程,并進行了仿真分析,對其他仿真事件的魯棒性仍需進一步深入研究。
附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx),掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡全文。