基于电动汽车V2G的柔性直流供电系统灵活资源调控策略研究

陈 娜，陈 琛，周 强

（南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院），南京 211106）

0 引言

2020 年9 月中国明确提出2030 年“碳达峰”与2060 年“碳中和”目标。实现“双碳”目标需要大力发展清洁能源，降低碳排放［1—2］。随着新能源发电的占比增加，电力系统中的灵活调度资源（例如储能和电动汽车）将发挥越来越重要的作用。

相比交流电网，直流电网可更高效更可靠地接纳风、光等分布式可再生能源［3］。为最大化消纳清洁能源，提高能源转换效率，降低碳排放，可以建设含光伏发电、储能、汽车充放电的交直流混合微电网供电系统［4—6］。在直流系统中，系统的功率平衡将直接影响母线电压的稳定［7］。在能量调度层面，研究的重点在于通过储能优化调度，提升储能使用寿命，实现系统的经济运行［8］。文献［9］建立了交直流混合系统能量优化管理模型，采用需求响应的方式实现系统的经济运行控制。

在“整县光伏”等政策的推动下，光伏发电量占建筑负荷比例逐步增加，因此需要探索更高效、更灵活的分布式电源消纳方法。本文通过储能、电动汽车等调节手段的加入，构建了自平衡的供用电系统，具体表现为电动汽车在夜间通过居民充电桩以低价电充电，在白天空闲时间作为灵活资源支撑系统供电，提升光伏发电消纳率。本文提出一种柔性直流供电拓扑，该拓扑采用直流母线实现光、储、电动汽车的功率互动，支持电动汽车对系统放电，并给出了该系统的数据采集和控制方案。结合电力电子端口特性，给出一种多时间尺度的系统控制策略。该策略在不同时间尺度上均有对应的控制方法，保证了系统的安全稳定运行，提高了电动汽车在系统调控中的作用。

1 柔性直流供电系统结构

1.1 一次系统

本文给出柔性直流供电系统如图1所示。该系统的主要一次设备包括光伏发电设备及光伏优化器、储能设备、双向DC∕DC功率变换器、电动汽车双向充电桩设备，以及满足系统交流供电需求，与交流电网实时互动的双向AC∕DC设备。

图1 柔性供电系统拓扑Fig.1 Topology of flexible power supply system

光伏发电单元、储能单元和汽车充放电单元通过直流母线进行能量的交互，直流母线和交流母线之间通过双向AC∕DC设备进行能量双向互动，系统通过交流开关和大电网相连，在交流侧也有部分交流负荷。

1.2 二次系统

二次通信组网图如图2所示。图中最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）能够侦测太阳能板的发电电压。

图2 二次通信组网图Fig.2 Secondary communication network diagram

该系统的二次设备包括就地智能控制器和调控系统。

就地智能控制器可实现多路电流采样和直流系统中的快速控制，其通过直流霍尔传感器直接采集直流母线电压、光伏单元、储能单元、汽车充放电单元及四象限单元直流端口的直流电流。通过设备的通信和光伏优化器、储能变流器、汽车充放电单元及双向AC∕DC 设备进行通信，实现各个设备运行参数的读取及控制指令的下发。

调控系统是部署在远方的电网控制系统，与就地智能控制器通过网络通信，实现更广阔范围内电网的整体优化控制。

2 系统控制策略研究

2.1 三级控制架构

为实现系统在全部时间尺度范围内的安全稳定经济运行，本文给出三级控制架构，如图3所示。

图3 三级控制架构图Fig.3 Three level control structure diagram

一级控制，即为电力电子级快速控制，实现毫秒级的有差控制，由于不同特性的电力电子设备端口特性的差异，表现出灵活参与母线电压控制的特性。

二级控制，即为直流系统级稳定控制，实现毫秒级稳定控制，在一级控制的基础上，当母线电压超过控制边界，选择合适的电力电子设备进行下垂曲线调整，保证系统电压控制在设定的范围内。

三级控制，即为优化调度控制，接受调控系统的控制指令，提升系统运行的经济性。

三级控制模块实现系统分钟-小时级控制及交直流混合系统的经济运行控制，输出柔直系统与交流系统交互功率控制值给二级控制模块。二级控制模块实现系统毫秒-秒级控制，在满足交互功率控制值的前提下，实现柔直系统的电网稳定控制，输出柔直系统中各设备的功率设定值。一级控制模块为直流设备的本体控制，可实现毫秒级控制，并实现设备可控的功率输出，执行二级控制输出的设备功率设定值。

2.2 一级控制

下面分别说明光伏优化器、双向充放电DC∕DC、双向AC∕DC 设备的一级控制方法，最后引入下垂有差控制，提升系统惯性。

2.2.1 光伏优化器

光伏优化器采用单级BOOST拓扑电路，如图4所示。图4中采用脉冲亮度调制（pulse width modula，PWM）。

图4 单级BOOST拓扑图Fig.4 Topology diagram of single stage boost

光伏稳定工作在MPPT状态。光伏的发电功率会随着天气变化发生大范围的波动。

2.2.2 双向充放电DC∕DC设备

双向充放电DC∕DC设备采用具有升降压功能的四开关BUCK-BOOST电路，A端口用于接电动汽车或者储能，B端口用于接直流母线，具备电压源和电流源2种控制模式。相比常规的电动汽车充电桩的两级拓扑结构，该拓扑采用单极拓扑设计，效率较高，如图5所示。

图5 DC∕DC控制逻辑Fig.5 Logic diagram of DC/DC control

从控制的角度看，电动汽车和储能特性是一致的，区别在于能量调度过程中需要考虑电动汽车交通工具的移动特性。

本文所描述的应用场景主要是电动汽车驻地应用，也就是电动汽车白天放在工作场所，夜里开回家充电，所以其控制模型只需要考虑预留一部分电，保证车可以正常开回家即可。

2.2.3 双向AC∕DC设备

AC∕DC 变换器采用T 型三电平逆变电路结构，在系统中需要处于2种工作模式。

模式一：离网工作模式

离网工作模式下，AC∕DC 变换器处于独立逆变工作模式。AC∕DC 对交流负载呈现为电压源特性。模块按照给定的交流有效值进行控制，并通过输出电压进行反馈，产生交流电压的幅值。

模式二：并网工作模式

在并网工作模式下，AC∕DC 模块以稳定直流母线电压为目标，其控制逻辑和DC∕DC 类似，不再赘述。图6是并离网模式下的控制逻辑图。

图6 AC∕DC控制逻辑图Fig.6 Logic diagram of AC/DC control

2.2.4 一次下垂控制

从一次控制控制原理可以看出，凡是接入到直流母线，同时采用电压源控制模式的设备，在电压外环的外部均增加了下垂环，定义下垂控制环的表达式为

式中：U为电压外环的参考电压；U为电力电子设备设定的额定电压；k为下垂系数；Uout为当前输出功率；ΔP为系统调节的功率变化率。

可以看到，当ΔP设定为0 时，电压外环的实际参考电压会随着输出电流的增大而减少，即表现出下垂的控制特性，当ΔP不为0时，电压外环的实际参考电压不仅会随着输出电流的增大而减少，同时表现出电力电子设备设定的额定电压发生变化，即下垂曲线发生了平移。

2.3 二级控制

二级控制用于保证直流母线的电压稳定。

二级控制的核心思路是通过直流母线电压的变化计算出直流母线系统功率的变化值，并通过选择合适的电力电子设备补偿功率的变化值，最终实现直流母线电压波动平抑控制的目的。母线电压稳定控制如图7所示。

图7 母线电压稳定控制图Fig.7 Stability control diagram of bus voltage

其控制过程描述如下。

（1）就地智能控制器实时采集母线电压，取当前母线电压为U，设定电压偏差值为ΔUset，母线额定电压为Un，则，当|U-Un|＞Uset时启动二级调整。

（2）实时计算系统总下垂曲线，本文认为每个电力电子设备由于其虚拟阻抗导致端口呈U∕P下垂，那么直流母线系统也是U∕P下垂的，其阻抗为3个电力电子模块阻抗的并联。据此可以计算出系统的下垂曲线。

（3）由（1）计算得出的电压差值带入（2）计算的总下垂曲线，可以计算出此时的系统功率差值。

（4）根据各个设备的功率备用率可以排序给出每个设备的调节能力，按照调节能力从高到低，分配（3）计算的系统功率差值，并通过通信下发给对应的AC∕DC或者DC∕DC设备，完成二级控制过程。

2.4 三级控制

三级控制用于实现系统运行的经济性，本文主要面向系统最低碳运行场景，最大化发挥电动汽车作为灵活调度资源的作用，设计控制策略。

系统的主要运行模式如下。

（1）模式一：储能平抑光伏和负荷差值模式

需要注意的是，本文所有模型中规定，发电为负，充电为正。

该模式下，储能有足够的调节能力，其控制模型为

式中：Pbat为储能功率；PPV为光伏发电功率；∑Pload为负荷总功率；Pev为电动汽车功率。

（2）模式二：电动汽车放电支撑系统运行

该模式下，储能能量不足，无法支撑系统安全稳定运行，此时主动启动电动汽车放电，支撑系统运行，控制模型为

该模式下，电动汽车平抑负荷和光伏发电的差值，为了减少不必要的储能充放电能量损耗，不将电动汽车的电能充到储能电池中。

（3）模式三：电动汽车充电消纳剩余清洁能源

该模式下，储能能量充足，充电备用率面临不足，启动电动汽车充电，将多余的电能充入电动汽车，其控制模型和模式二相同，只是电动汽车的实际控制潮流反向。

（4）模式四：光伏跟随负荷

该模式下，储能能量充足，充电备用率面临不足，电动汽车也即将充满，此时开始弃光，控制模型为

4个状态的潮流图如图8所示。

图8 4个状态的潮流图Fig.8 Diagram of four state power flows

基于储能实用寿命的考虑，为防止电池放电深度过深导致电池折损过快，首先确定系统运行放电深度荷电状态（state of charge，SOC）不低于20%，而电池的寿命终点通常被认为是电池容量衰减到额定值80%的时间点［10］。因此本文根据SOC的值为20%，80%时进行策略切换，SOC为95%时任务储能达到临近满电状态。

（1）当储能SOCbat∈[0,)20 时，系统工作于模式二，此时系统调频资源能量备用率不足，电动汽车发电，补充储能能量不足。

（2）当储能SOCbat∈[20,)80 时，系统工作于模式一，即光伏最大发电，储能平抑光伏和负荷的差值。

（3）当储能SOCbat∈[80,100]时，系统处于发电过剩的状态，此时如果汽车SOCbat∈[0,95) ，电动汽车未满电，则工作于模式三，即多余光伏发电给电动汽车充电。

（4）当储能SOCbat∈[80,100]时，系统处于发电过剩的状态，此时如果汽车SOCev∈[95,100]，电动汽车满电，则工作于模式四，即多余光伏发电给电动汽车充电。

策略切换如图9所示。

图9 经济控制策略图Fig.9 Strategy diagram of economic control

需要指出的是，上述涉及电动汽车放电的模式均需要考虑电动汽车SOC，当SOC小于车主设定的SOC值开始禁止放电，保证电动汽车的正常使用。

3 仿真与实验

3.1 测试环境

为验证本文提出的柔性直流供电系统及控制策略的有效性，本文基于MATLAB∕Simulink 搭建仿真测试系统，并完成该系统三级控制策略的仿真测试。根据我国电动汽车充电电压标准，本文选用750 V 电压等级建模，并搭建实际的实验验证系统验证运行的经济性。

测试系统如图10所示。

图10 仿真系统图Fig.10 Diagram of simulation system

系统参数如表1所示。

表1 仿真系统参数表Table 1 Table of simulation system parameter

3.2 测试用例

3.2.1 测试用例一：下垂响应特性测试

为验证系统电力电子设备下垂响应特性，我们做了如下工况的测试。

储能DC∕DC 工作于电压源模式，其他设备直流母线端口均工作于电流源模式，退出二级控制及三级控制策略，然后突然增加7.5 kW 交流侧负载，试验结果如图11所示。

图11 下垂响应特性仿真图Fig.11 Droop response characteristics simulation diagram

在0.02 s时，增加7.5 kW负载，储能增加7.5 kW输出，在储能直流母线端口下垂控制的作用下电压下降7.5 V，系统进行稳态。

本实验验证了在电力电子一次控制的作用下，系统可以进行有差的调节，系统功率会迅速平衡。

3.2.2 测试用例二：直流母线稳定测试

试验前，电动汽车以10 kW功率进行充电，交流负载功率为0 kW，光伏发电功率为7.5 kW，直流母线电压控制目标是［748, 752］，试验前直流母线电压控制在748 V。

试验结果如图12所示。

图12 直流母线稳定控制仿真图Fig.12 Simulation diagram of DC bus stability control

在0.02 s时，增加交流负载功率到5 kW，在二级控制的作用下，直流母线电压经过短暂波动后恢复到748 V，储能功率增加5 kW输出，系统恢复到稳态运行状态。

本实验证明，在二次调节的作用下，系统的有差状态会被修复，系统功率平衡，且电压被控制在运行的范围内，母线电压稳定。

相比目前工程使用电压源加电流源的控制策略，该策略中电动汽车充电桩、光伏优化器和储能DC∕DC 均可以自动响应系统功率变化，支持直流稳定，显著提升直流母线的稳定性。

3.2.3 测试用例三：电动汽车支持系统运行

试验前，光伏发电功率为7.5 kW，负载功率15 kW，此时储能输出功率为7.5 kW，系统电压748 V，系统稳定运行。

0.03 s时三级控制策略检测到储能SOC 降低到安全裕度之下，控制电动汽车主动放电，支撑系统运行，如图13所示。

图13 电动汽车支撑系统运行仿真图Fig.13 Simulation diagram of electric vehicle support

可以看到，电动汽车输出功率加上光伏发电可以保证负载供电需求，储能输出功率控制到0，母线电压恢复到750 V，系统稳定运行。

3.2.4 测试用例四：经济运行测试

为验证经济性，搭建了实际的交直流混联实验系统，系统参数如表2所示。

表2 实验系统参数表Table 2 Table of test system parameter

一天的运行曲线如图14所示。

图14 实验系统经济运行曲线图Fig.14 Economic operation curve of experimental system

从测试曲线可以看到：

（1）夜间，储能作为主电源，给负荷供电，在早上6:00左右，光伏发电，储能开始补电；

（2）约9:00，电动汽车接入系统，交流桩开始充电，直流桩开始放电；

（3）储能SOC增加到80%时，电动汽车停止补电，光伏和储能一起供电；

（4）储能SOC增加到95%时，储能停止补电。系统按照经济运行策略运行，保证系统的稳运行。本实验验证了三级策略的有效性。

相比常规控制策略，本策略验证了电动汽车参与微电网经济运行的可行性，通过电动汽车参与削峰填谷，补充储能配置容量，最大化提升系统运行的经济性。

3.2.5 测试用例五：系统能耗及减碳分析

（1）减碳情况分析

按照“每节省1 kWh电能相应节约了0.4 kgce，减少污染排放0.272 kg碳粉尘，等于减少排放0.997 kg二氧化碳”的计算原则，8 月份，日平均发电51 kWh，日平均可节约标准煤20.4 kgce。

（2）系统能耗的降低情况

同样，以8月份的用电量为例。8月份的日平均用电量78.75 kWh，光伏日平均发电51 kWh，电动汽车100 kWh作为补充，可以做到全天不使用电网的电量。

4 结束语

本文给出一种柔性直流供电系统拓扑，引入电动汽车作为供电的灵活调度资源，该系统通过直流母线实现光伏发电、储能及电动汽车充放电单元的能量交互，通过双向AC∕DC 设备实现交直流系统能量互动。此外，本文给出一种多时间尺度调度控制策略，分别在毫秒级、秒到分钟级、小时级到日等不同时间尺度，结合储能、光伏发电、电动汽车电气特性及功率备用率和能量备用率，灵活调度不同资源，保证不同运行工况下系统运行的安全性、稳定性和可靠性，实现了系统低碳运行。D