微電網(wǎng)中以新能源汽車為分布式儲能的價格引導機制

呂耀文 馬越超

包頭職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 內(nèi)蒙古包頭市 014030

1 以石化能源為基礎的大電網(wǎng)存在的問題

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，全球工業(yè)生產(chǎn)力突飛猛進，同時能源供給矛盾也日益突顯。其主要問題表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）能源結(jié)構(gòu)。目前世界能源結(jié)構(gòu)仍舊以化石能源為主，石油、煤炭、天然氣等化石能源占比較高，清潔可再生能源占比較低，隨著工業(yè)化進程的發(fā)展，產(chǎn)生大量溫室氣體，對自然環(huán)境造成嚴重影響。（2）供電質(zhì)量。伴隨電能需求的迅猛增長和電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的擴大，對電力系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和控制能力方面也提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，一旦局部故障發(fā)展成為大規(guī)模停電事故，其對社會秩序和經(jīng)濟所造成的損害也會更加嚴重。（3）電能存儲。電力系統(tǒng)包括：發(fā)電、變電、輸電、配電、用電五個過程，而且這幾個過程是同時進行的，即要時刻保證用多少電就發(fā)多少電，多余的電能必須通過化學能、動能、勢能等方式儲存起來，如采用電池儲能方式，則需要根據(jù)最大富余容量配置電池，使用效率低，維護陳本高。

2 新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)可成為大電網(wǎng)系統(tǒng)的補充

因此，針對傳統(tǒng)大電網(wǎng)所面臨的問題，以新能源為基礎的分布式發(fā)電和儲能技術(shù)將成為今后研究的重點。面對嚴峻的能源危機和生態(tài)問題，我國提出了“碳中和、碳達峰”目標，以我國國情為基礎，開始提升可再生新能源的占比，尤其是風能和光能，在我國分布廣、儲量大，是不可多得的清潔能源，不僅能緩解化石能源對環(huán)境的負面影響，還能解決國家的能源安全問題。而在改變能源結(jié)構(gòu)的同時，為了進一步提升電力系統(tǒng)的可靠性，我國目前正著重研究以新能源為基礎的分布式發(fā)電技術(shù)。并且為了使分布式電源可以更好的接入電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對分布式電源進行統(tǒng)一控制、保護和管理，由此微電網(wǎng)系統(tǒng)應運而生。微電網(wǎng)系統(tǒng)可以看作是一個由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、可控負荷、保護裝置及電力電子設備等一起組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，它既可以作為一個可控單元并入主電力網(wǎng)，又可以獨立離網(wǎng)運行，是大電網(wǎng)系統(tǒng)最理想的補充和延伸。

3 以電動汽車為基礎的分布式儲能系統(tǒng)

目前以風光互補為主的微電網(wǎng)，由于電源本身的間歇性和隨機性，存在較為嚴重的用電不平衡問題，在接入主網(wǎng)時會對系統(tǒng)的潮流分布、頻率特性等產(chǎn)生較大影響，而在微電網(wǎng)中接入分布式儲能設備能有效提升微電網(wǎng)的經(jīng)濟性，抑制可再生能源出力產(chǎn)生的波動以及負荷變化所引起的波動。而電動汽車作為系統(tǒng)中的重要負荷，則正好具有儲電功能，可擴展微電網(wǎng)系統(tǒng)儲能設備的容量。它既可以以負載形式接入電網(wǎng)中吸收電能，又可以做為分布式儲能設備的一部分，通過雙向功率變換器來實現(xiàn)電網(wǎng)與電動汽車的雙向電能交換，從而提高能源利用率。針對于此，人們提出了電動汽車與電網(wǎng)對接技術(shù)（V2G）的概念，電動汽車通過交換站接入電網(wǎng)系統(tǒng)，通過合理的調(diào)度和充放電控制策略，實現(xiàn)電動汽車與電力系統(tǒng)之間電能的雙向流動。微電網(wǎng)系統(tǒng)管理中心在滿足電動汽車車主的日常需求的情況下，對電動汽車進行實時調(diào)配，在此過程中雙方都可受益。一方面，當電力系統(tǒng)的負荷用電功率較低時，電動汽車進行充電，將電動汽車作為分布式儲能設備，從而將微電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的多余電量儲存起來，從而降低了系統(tǒng)造價和維護成本；另一方面，當電力系統(tǒng)的負荷功率接近峰值時，電動汽車又可以向微電網(wǎng)系統(tǒng)進行反向放電，這不僅降低了微電網(wǎng)的供電負擔，改善微電網(wǎng)的運行狀態(tài)，提高電能的利用率，同時也能讓電動汽車車主在經(jīng)濟上獲得一定補貼。

4 微電網(wǎng)中電動汽車有序充放電優(yōu)化控制策略

微電網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上可以分為交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)，本文以直流微電網(wǎng)為基礎，將電動汽車接入110V 微電網(wǎng)后結(jié)構(gòu)如圖所示，供電單元由光伏陣列、風力發(fā)電機和大電網(wǎng)組成，750V 直流母線采用了主從控制，而110V 母線采用了基于母線電壓的分層控制。電動汽車在未啟動或者車主下班回家后，通過V2G 技術(shù)與微電網(wǎng)相連接，若電動汽車采取無序充放電策略時，由于電動汽車本身的充電高峰與微電網(wǎng)日負荷曲線負荷高峰時段基本重疊，通過蒙特卡羅法構(gòu)造的概率模型發(fā)現(xiàn)，這將會導致系統(tǒng)的峰谷差明顯加劇。而通過充放電控制策略對電動汽車充放電行為進行一定約束，可以有效降低系統(tǒng)的峰谷差，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。在電動汽車的有序充放電系統(tǒng)中，車主可以先制定好私人的出行計劃，然后將計劃傳送到汽車策略控制中心，最后由控制中心通過優(yōu)化策略分析，安排電動汽車的充放電時間。從而在保證車主正常出行的前提下，讓電動車參與到整個微電網(wǎng)電能的優(yōu)化配置中來，在用電高峰期電動汽車可及時向微電網(wǎng)進行電能反饋，在用電低峰期時從微電網(wǎng)補充電能做儲能吸收，并在交互的過程中獲得一定的經(jīng)濟收益。

圖1

4.1 電動汽車電池的荷電狀態(tài)SOC 可用如下公式表示：

S為日行駛公里數(shù)；W100為百公里耗電量；C為電池總?cè)萘俊?/p>

電動汽車有序充放電策略選擇在實時電價的基礎上進行設計，通過經(jīng)濟補貼機制激勵車主將電動汽車納入分布式儲能系統(tǒng)。在對微電網(wǎng)日負荷曲線分析的基礎上，將系統(tǒng)用電量分為三類時段：用電高峰、用電低峰、普通時段。用電高峰期實時購（賣）電單價最高，用電低峰期實時購（賣）電單價最低，普通時段購（賣）電單價居中。同時，選取電動汽車儲能電池的荷電狀態(tài)SOC 最大值為0.75，最小值取0.25，兩個閾值結(jié)合微電網(wǎng)工作時段，實現(xiàn)電動汽車的有序充放電控制，使電車用戶實現(xiàn)正向盈余。其具體策略如下表1 所示。

表1

4.2 微電網(wǎng)運行成本分析

基于上述分時電價下電動汽車接入微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略可知，電動汽車在微電網(wǎng)中的協(xié)調(diào)優(yōu)化應首先考慮到電網(wǎng)運行的各種成本，應以微電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性為前提，建立直流微網(wǎng)和電動汽車在1 天中運行維護費用最小的目標函數(shù)。其運行成本主要包括以下五個方面：新能源發(fā)電成本、微電網(wǎng)運行成本、分布式儲能器件運行成本、電動汽車充放電費用、微電網(wǎng)與主網(wǎng)交易成本。

4.2.1 新能源發(fā)電成本Cn（t）

微電網(wǎng)中各類分布式發(fā)電成本主要來源于以下兩個方面：風力發(fā)電成本和光伏發(fā)電成本，由于風電和光伏都屬于自然界的可再生能源，不消耗其它資源，因此可認為成本為零，即：

4.2.2 微電網(wǎng)運行成本Cw（t）

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜，規(guī)模不一，包含發(fā)電系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，其中電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的運行成本較為固定，發(fā)電系統(tǒng)運行維護成本與運行成本系數(shù)成正比，即：

CD（t）為電力系統(tǒng)維護成本；CK（t）為控制系統(tǒng)維護成本；i為發(fā)電類型，ki為對應成本系數(shù)，Pi（t）為發(fā)電系統(tǒng)在t時刻的發(fā)電功率。

4.2.3 分布式儲能器件運行成本Cb（t）

在減小系統(tǒng)波動的過程中，分布式儲能系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，目前常見的儲能方式有蓄電池、超級電容、氫能、飛輪儲能、超導儲能等，由于蓄電池技術(shù)成熟、價格低廉，是目前微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)所采用的主流儲能方式。然而，受制于蓄電池的生產(chǎn)技術(shù)和工作原理，頻繁的充放電會造成蓄電池存儲容量的下降，影響儲能系統(tǒng)作用分發(fā)揮。因此，儲能設備的成本主要為蓄電池的折舊成本，主要與蓄電池的充放次數(shù)和充放電深度有關，在平時使用過程中應盡量減少過充和過放，其成本表達式為：

Pb為蓄電池的額定輸出功率；Tmax為蓄電池年最大運行時間；Cbat為蓄電池的成本；R為年利息率；n為電池壽命；Pbat（t）為蓄電池在t 時刻的瞬時功率。

4.2.4 電動汽車充放電費用Cc（t）

電動汽車以雙重屬性特征參與到微電網(wǎng)的運行中，即負荷屬性或電源屬性，作為分布式儲能設備的補充，電動汽車的參與無形中降低了系統(tǒng)的建設成本，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，同時電動車車主也可以獲得一定的補貼。

A1（t）是可調(diào)度部分電動汽車參與微電網(wǎng)調(diào)節(jié)時，電動汽車售電價格；A2（t）為電動汽車充電的平均價格；Xn為參與售電的電動汽車數(shù)量；Pc（t）是t時刻第n輛汽車的充放電功率。

4.2.5 微電網(wǎng)與外電力網(wǎng)交易成本Ce（t）

考慮到負載的用電可靠性和經(jīng)濟性，本微電網(wǎng)系統(tǒng)可分別工作于并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下，如前所述，在孤島模式下電能主要來源于風力和光伏，而接入外部大電網(wǎng)后，當微電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)電力盈余或缺額時可與外部電力網(wǎng)進行能源交互，實現(xiàn)出售或購買部分電量。其交易成本可表示為：

其中，CIN（t）為t 時間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的購電價格，PIN（t）為t 時間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的購買電量；COUT（t）為t時間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的售電價格，PIN（t）為t 時間內(nèi)微電網(wǎng)向外部電網(wǎng)的出售電量。

綜合以上各成本因素，以微電網(wǎng)和電動汽車的綜合維護費用最低為目標而建立的函數(shù)關系如下所示：