項目背景

需求響應是電力需求側管理在電力市場中的最新發展。根據美國能源部的研究報告，按照需求(終端用戶)的市場參與行為，電力需求響應項目可以分為以實時電價、峰谷電價等為引導的基于價格和根據系統需要或電力緊張時減少電力需求以此獲得直接補償或其他時段的優惠電價的基于激勵兩類。目前針對需求響應的研究主要以激勵用戶參與電網調峰和引導用戶科學、合理用電為目的。傳統的需求響應為不影響普通用戶的正常使用，在協議中都會對控制的響應次數、頻率、總時間等予以限制。因此往往只能在分鐘/小時級別的調峰控制中發揮作用，而對秒級的頻率控制則無能為力。隨著電動汽車等大規模儲能可控負荷的出現，該類負荷參與響應的控制次數、頻率、總時間等方面的限制將變得寬松，將可以滿足參與響應頻率控制的需要。因此，提出可將需求響應的定義延伸至根據系統需要或間歇性電源沖擊時用戶參與頻率控制以此獲得直接補償或其他時段的優惠電價。從而，將調峰和調頻控制均納入需求響應的范疇。

目前對可控負荷的研究均以用戶可控負荷為主，而且一般以大電網理想條件作為背景，同時認為有足夠的可控負荷參與電網的運行控制，為此，微電網需要在需求響應中有可控空間更高的負荷出現，對這類負荷，電網擁有完全自主的調控權。同時對電動汽車參與電網頻率調節需要有更加經濟的運行控制策略以克服蓄電池造價過高的缺點，提高微電網的經濟性。

現實可行性分析

傳統的需求響應技術主要針對具體的管理對象、生活習慣和生產工藝的特點，以節能技術為主實現避開電力需求高峰的功能。隨著智能電網技術的發展，需求響應有了新的意義，包括自動需求側響應技術、智能有序用電等，使得需求側可控負荷可以迅速參與電網運行控制，為提升電力系統穩定性提供了技術可能。

面向用戶的這一新技術依然存在諸多不足之處，為此，提出將需求響應按負荷所有權分為用戶需求響應和電網需求響應，用戶需求響應即為傳統意義的需求響應，對應用戶參與調節的可控負荷，該負荷由用戶和電網協調控制稱為普通可控負荷。而電網需求響應則是對應由電網運營公司直接運營管理的可控負荷，該負荷具有高度的可控空間，電網運行部門對其擁有完全自主的控制權，屬于高度可控負荷。電動汽車充電站則為電網需求響應提供了現實可行的運營對象，電網企業作為電能的批發和零售單位，同時銷售通過蓄電池等儲能介質儲存好的電能亦與其業務保持了一致性。當由電網公司統一運營時，經濟補償亦可以用運營業績補償來代替。同時，電動汽車充電站不僅可以為電網企業維持微網穩定提供良好的支撐，而且有利于電動汽車充電設備產生諧波的集中治理，電動汽車作為用戶需求響應的普通可控對象雖然具有一定的調節能力，但用戶的用車習慣依然具有一定的隨機性，大規模電動汽車隨機性接入、退出調節都將給電網帶來一定的沖擊。電動汽車充電站受電網內部運行網絡控制，不像作為用戶需求響應的電動汽車那樣存在針對用戶的外部網絡接口，其網絡安全性大大提高。這些優勢都為電動汽車充電站作為電網需求響應的高度可控負荷出現提供了現實可能。

電動汽車作為分布式電源，其服務對象為電網公司，在此過程中，將根據電網運行情況對電池進行不斷的充放電，其消耗的電動汽車電池壽命將由電網公司承擔。美國特立華大學Kempton教授在2007年對提出的V2G模型將一輛ACPropulsionEbox(豐田Scion改裝車)作為分布式電源接入電網，經測算每車每年可以為電網帶來大約4000$的效益。但該效益中并未包括電網對消耗電動汽車電池所負擔的代價。考慮到目前電動汽車高昂的造價，儲能裝置作為分布式電源接入電網的性價比依然不樂觀。目前，仍需研究技術可靠、成本低廉的滿足V2G商業化運行的設備。而電動汽車充電站作為高度可控負荷，其服務對象為用戶，將由其對應的商業需求為電池造價買單。作為負荷則只需在充電單一模式下運營，將負荷來等效為電源的負作用，降低了運行控制的難度。而且電池在充放電狀態之間過于頻繁的切換將嚴重影響電池的壽命。因此，將電動汽車作為可控負荷參與電網的頻率控制將更具經濟實用性。

技術手段模型

傳統的電動汽車控制方法是通過控制正弦脈寬調制器(SPWM)來控制充電電流，進而對充電功率進行控制，SPWM實際上就是一個交直流可控的四象限變流器。但這種方式將強制電動汽車的充電電流隨電網運行情況而變化。這對于充電電池的壽命和充電能耗都是不利的。

如圖1所示，IB為充電電流。大量的實驗證明，在整個充電過程中，若能使實際充電電流始終等于或接近蓄電池可接受的最佳充電電流，則可大大縮短充電時間，并且蓄電池內部的副反應可以控制在很低的范圍內。因此，通過控制接入電網的充電電池的規模比控制電池充電電流來控制電動汽車充電站的吸收功率更具有經濟性，更符合其商業運營的特點。

對電動汽車充電站采用負荷Droop控制。Droop控制是模擬發電機組工頻特性的一種方法，其對應負荷控制的原理圖如圖2所示。

Droop控制可根據相應的Droop特性系數自動分配各電動汽車充電的有功吸收。控制系統不需要過多的通信支持，電動汽車充電站參與頻率調節最大的特點就是其不需要克服電機的旋轉慣性，可以快速響應電網的波動，迅速將微電網較大的頻率波動控制在比較低的范圍內，然后由微網的調頻機完成二次調頻任務。同時為防止電動汽車在基準運行點附近頻繁的投退，應設置一個死區，即電動汽車充電站不響應微網的微小頻率波動。這樣，該控制策略能對延長蓄電池壽命起到積極的作用。

該系統詳細的控制流程圖如圖3所示。該系統采用數字離散控制，首先由數字電壓表采集到離散的母線電壓信號Vabc，然后由0階保持器對采集信號進行保持，由離散三相鎖相環提取出系統的頻率信號f，將系統頻率和參考頻率fref對比得到頻率偏差Δf，由設置的死區環節對頻率偏差進行判斷微網擾動是否屬于微小擾動，如果不是則將信號傳遞給Droop控制器處理，由Droop控制器的Droop特性控制電動汽車充電站電池的負荷容量。將該負荷容量作為功率參考信號Pref輸入系統的CPU處理器，由CPU處理器根據各電池的狀態參數(包括電池荷電狀態SOC、電池衰老系數、電池順序編號、環境溫度等)計算出一組二進制開關控制信號，通過開關信號的高低電平來控制執行機構對充電電池進行投切。CPU邏輯控制如圖4所示。對已經投入運行的蓄電池，采用“恒流—限壓—浮充”三階段充電控制策略，該控制策略可以比較理想地接近蓄電池可接受的最佳充電電流曲線。同時考慮到電池的非線性特性，在不同階段的充電狀態下其吸收功率不一樣，將系統的輸出功率作為內環反饋信號反饋給CPU進行功率差值控制。同時，電動汽車充電站的分布式電源特性依然不容忽視，其可以在微電網出現較大故障時，提供備用電源支撐。關于這些內容的研究已相當多，本文不作分析。對由于頻率回落退出充電的蓄電池，則用浮充方式以平衡電池自放電，待前面電池完成充電后繼續充電。

圖3 電動汽車充電站電池規模Droop離散控制圖

圖4 CPU處理器邏輯控制圖

仿真驗證

在Matlab/Simulink平臺搭建的簡化微網結構圖如圖5所示。為簡化分析，文中只采用了風力發電機作為間歇性波動功率的輸出電源。對小型水電機組、燃氣輪機機組等可控電源等效用同步發電機代替。在微網孤島運行時，開關K4斷開。風力發電機組容量為300kW，小水電、燃氣輪機機組容量為600kW，間歇性電源的穿透率為33.3%，符合未來微網間歇性可再生電源高穿透率的趨勢。微網中負荷總容量為500kW，電動汽車充電站的初始運行功率為50kW，單臺電池在恒電流充電初期功率為1kW。用一個階躍信號模擬沖擊最大的陣風輸入。在1s時風速由10m/s階躍為11m/s。仿真結果如圖6~圖8所示。

如仿真結果所示，在1s時風力發電機組有功輸出迅速增加時，電動汽車充電站能快速響應系統的變化。在不采用電動汽車充電站參與調解的情況下，對電動汽車充電站的初始功率，用一個50kW的恒定負荷代替。在0.1s時風速由10m/s階躍為10.3m/s。系統在僅依靠可控同步發電機組的調節時頻率變化如圖9所示。

電動汽車充電站不參與調節時，在間歇性電源沖擊更小的情況小，其調整時間和最大超調量卻明顯大于電動汽車參與調節時在更大沖擊時的情況。仿真結果驗證了電網需求側高度可控負荷出色的調頻性能。

如圖11所示，L1為微網正常并網時的曲線，在a點運行。L2為微網轉向孤島運行時的曲線。L3為電動汽車充電站參與響應下的曲線。由圖可得，在電動汽車充電站參與響應后加速面積減小，減速面積增大。通過迅速減小功率差的作用使系統具有更大的暫態擾動極限。在K4斷開后，采用電動汽車充電站參與響應和不參與響應的同步發電機功角時間曲線仿真結果分別如圖12、圖13所示(當δ/rad>3.15后認為系統已經失去同步，仿真立即結束)。

仿真結果顯示，在電動汽車充電站參與系統響應時，系統能保持暫態穩定，而不參與時系統在擾動下失去穩定。驗證了該控制策略在面對大擾動下表現出的良好的穩定性。

總結

電動汽車充電站在時間上的負荷特性以及其在運營上與電網的巨大關聯，其參與電網需求響應的約束將變得寬松，使需求響應得以能對秒級以下的頻率控制發揮作用，從而將頻率控制納入需求響應的范疇。對此，提出了對需求響應定義的新延伸，并在分類上提出了電網需求響應的概念。

針對傳統用戶需求響應在應對微網波動時的不足，利用電動汽車充電站在時間上的靈活性和高度可控性，提出了基于Droop控制的電動汽車充電站電池接入規模控制策略。通過仿真顯示，該方法可以通過控制電動汽車消耗有功的方式平抑微網的分布式電源波動以及微網運行狀態切換過程中的大擾動。可以有效控制微網頻率維持在安全范圍內，提高微網的抗擾動能力使微網表現出更加出色的穩定性。

限于篇幅有限，文中只研究了電網需求響應的技術手段。與此配套的經濟引導手段和行政手段還有待共同完善。