微电网中以新能源汽车为分布式储能的价格引导机制

吕耀文 马越超

包头职业技术学院 电气工程系 内蒙古包头市 014030

1 以石化能源为基础的大电网存在的问题

随着经济的发展和人口的增长，全球工业生产力突飞猛进，同时能源供给矛盾也日益突显。其主要问题表现在以下几个方面：（1）能源结构。目前世界能源结构仍旧以化石能源为主，石油、煤炭、天然气等化石能源占比较高，清洁可再生能源占比较低，随着工业化进程的发展，产生大量温室气体，对自然环境造成严重影响。（2）供电质量。伴随电能需求的迅猛增长和电网互联规模的扩大，对电力系统整体的稳定性和控制能力方面也提出了更高的要求和挑战，一旦局部故障发展成为大规模停电事故，其对社会秩序和经济所造成的损害也会更加严重。（3）电能存储。电力系统包括：发电、变电、输电、配电、用电五个过程，而且这几个过程是同时进行的，即要时刻保证用多少电就发多少电，多余的电能必须通过化学能、动能、势能等方式储存起来，如采用电池储能方式，则需要根据最大富余容量配置电池，使用效率低，维护陈本高。

2 新能源分布式发电系统可成为大电网系统的补充

因此，针对传统大电网所面临的问题，以新能源为基础的分布式发电和储能技术将成为今后研究的重点。面对严峻的能源危机和生态问题，我国提出了“碳中和、碳达峰”目标，以我国国情为基础，开始提升可再生新能源的占比，尤其是风能和光能，在我国分布广、储量大，是不可多得的清洁能源，不仅能缓解化石能源对环境的负面影响，还能解决国家的能源安全问题。而在改变能源结构的同时，为了进一步提升电力系统的可靠性，我国目前正着重研究以新能源为基础的分布式发电技术。并且为了使分布式电源可以更好的接入电网，能够实现对分布式电源进行统一控制、保护和管理，由此微电网系统应运而生。微电网系统可以看作是一个由分布式电源、储能装置、能量转换装置、可控负荷、保护装置及电力电子设备等一起组成的小型发配电系统，它既可以作为一个可控单元并入主电力网，又可以独立离网运行，是大电网系统最理想的补充和延伸。

3 以电动汽车为基础的分布式储能系统

目前以风光互补为主的微电网，由于电源本身的间歇性和随机性，存在较为严重的用电不平衡问题，在接入主网时会对系统的潮流分布、频率特性等产生较大影响，而在微电网中接入分布式储能设备能有效提升微电网的经济性，抑制可再生能源出力产生的波动以及负荷变化所引起的波动。而电动汽车作为系统中的重要负荷，则正好具有储电功能，可扩展微电网系统储能设备的容量。它既可以以负载形式接入电网中吸收电能，又可以做为分布式储能设备的一部分，通过双向功率变换器来实现电网与电动汽车的双向电能交换，从而提高能源利用率。针对于此，人们提出了电动汽车与电网对接技术（V2G）的概念，电动汽车通过交换站接入电网系统，通过合理的调度和充放电控制策略，实现电动汽车与电力系统之间电能的双向流动。微电网系统管理中心在满足电动汽车车主的日常需求的情况下，对电动汽车进行实时调配，在此过程中双方都可受益。一方面，当电力系统的负荷用电功率较低时，电动汽车进行充电，将电动汽车作为分布式储能设备，从而将微电网系统中产生的多余电量储存起来，从而降低了系统造价和维护成本；另一方面，当电力系统的负荷功率接近峰值时，电动汽车又可以向微电网系统进行反向放电，这不仅降低了微电网的供电负担，改善微电网的运行状态，提高电能的利用率，同时也能让电动汽车车主在经济上获得一定补贴。

4 微电网中电动汽车有序充放电优化控制策略

微电网从结构上可以分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网，本文以直流微电网为基础，将电动汽车接入110V 微电网后结构如图所示，供电单元由光伏阵列、风力发电机和大电网组成，750V 直流母线采用了主从控制，而110V 母线采用了基于母线电压的分层控制。电动汽车在未启动或者车主下班回家后，通过V2G 技术与微电网相连接，若电动汽车采取无序充放电策略时，由于电动汽车本身的充电高峰与微电网日负荷曲线负荷高峰时段基本重叠，通过蒙特卡罗法构造的概率模型发现，这将会导致系统的峰谷差明显加剧。而通过充放电控制策略对电动汽车充放电行为进行一定约束，可以有效降低系统的峰谷差，使系统更加稳定。在电动汽车的有序充放电系统中，车主可以先制定好私人的出行计划，然后将计划传送到汽车策略控制中心，最后由控制中心通过优化策略分析，安排电动汽车的充放电时间。从而在保证车主正常出行的前提下，让电动车参与到整个微电网电能的优化配置中来，在用电高峰期电动汽车可及时向微电网进行电能反馈，在用电低峰期时从微电网补充电能做储能吸收，并在交互的过程中获得一定的经济收益。

图1

4.1 电动汽车电池的荷电状态SOC 可用如下公式表示：

S为日行驶公里数；W100为百公里耗电量；C为电池总容量。

电动汽车有序充放电策略选择在实时电价的基础上进行设计，通过经济补贴机制激励车主将电动汽车纳入分布式储能系统。在对微电网日负荷曲线分析的基础上，将系统用电量分为三类时段：用电高峰、用电低峰、普通时段。用电高峰期实时购（卖）电单价最高，用电低峰期实时购（卖）电单价最低，普通时段购（卖）电单价居中。同时，选取电动汽车储能电池的荷电状态SOC 最大值为0.75，最小值取0.25，两个阈值结合微电网工作时段，实现电动汽车的有序充放电控制，使电车用户实现正向盈余。其具体策略如下表1 所示。

表1

4.2 微电网运行成本分析

基于上述分时电价下电动汽车接入微电网的协调控制策略可知，电动汽车在微电网中的协调优化应首先考虑到电网运行的各种成本，应以微电网运行的经济性为前提，建立直流微网和电动汽车在1 天中运行维护费用最小的目标函数。其运行成本主要包括以下五个方面：新能源发电成本、微电网运行成本、分布式储能器件运行成本、电动汽车充放电费用、微电网与主网交易成本。

4.2.1 新能源发电成本Cn（t）

微电网中各类分布式发电成本主要来源于以下两个方面：风力发电成本和光伏发电成本，由于风电和光伏都属于自然界的可再生能源，不消耗其它资源，因此可认为成本为零，即：

4.2.2 微电网运行成本Cw（t）

微电网结构复杂，规模不一，包含发电系统、电力系统、控制系统等，其中电力系统和控制系统的运行成本较为固定，发电系统运行维护成本与运行成本系数成正比，即：

CD（t）为电力系统维护成本；CK（t）为控制系统维护成本；i为发电类型，ki为对应成本系数，Pi（t）为发电系统在t时刻的发电功率。

4.2.3 分布式储能器件运行成本Cb（t）

在减小系统波动的过程中，分布式储能系统发挥着重要作用，目前常见的储能方式有蓄电池、超级电容、氢能、飞轮储能、超导储能等，由于蓄电池技术成熟、价格低廉，是目前微电网储能系统所采用的主流储能方式。然而，受制于蓄电池的生产技术和工作原理，频繁的充放电会造成蓄电池存储容量的下降，影响储能系统作用分发挥。因此，储能设备的成本主要为蓄电池的折旧成本，主要与蓄电池的充放次数和充放电深度有关，在平时使用过程中应尽量减少过充和过放，其成本表达式为：

Pb为蓄电池的额定输出功率；Tmax为蓄电池年最大运行时间；Cbat为蓄电池的成本；R为年利息率；n为电池寿命；Pbat（t）为蓄电池在t 时刻的瞬时功率。

4.2.4 电动汽车充放电费用Cc（t）

电动汽车以双重属性特征参与到微电网的运行中，即负荷属性或电源属性，作为分布式储能设备的补充，电动汽车的参与无形中降低了系统的建设成本，提高了系统运行的稳定性和经济性，同时电动车车主也可以获得一定的补贴。

A1（t）是可调度部分电动汽车参与微电网调节时，电动汽车售电价格；A2（t）为电动汽车充电的平均价格；Xn为参与售电的电动汽车数量；Pc（t）是t时刻第n辆汽车的充放电功率。

4.2.5 微电网与外电力网交易成本Ce（t）

考虑到负载的用电可靠性和经济性，本微电网系统可分别工作于并网和离网模式下，如前所述，在孤岛模式下电能主要来源于风力和光伏，而接入外部大电网后，当微电网内出现电力盈余或缺额时可与外部电力网进行能源交互，实现出售或购买部分电量。其交易成本可表示为：

其中，CIN（t）为t 时间内微电网向外部电网的购电价格，PIN（t）为t 时间内微电网向外部电网的购买电量；COUT（t）为t时间内微电网向外部电网的售电价格，PIN（t）为t 时间内微电网向外部电网的出售电量。

综合以上各成本因素，以微电网和电动汽车的综合维护费用最低为目标而建立的函数关系如下所示：