1.1 研究背景与意义
为了应对能源危机和环境危机，近年来新能源发电得到了世界各国的高度重视，这推动了风电、光伏发电在世界各国规模化、产业化的发展。在世界范围内，可再生能源发电容量正在不断增加，所占比例也在不断扩大。在欧洲国家荷兰，2014 年可再生能源总发电量为 117 亿千瓦时，占总用电量比重约 10%，其中风力发电量 49.8 亿千瓦时，同比增长 8%；在丹麦，政府计划在 2020 年前实现清洁能源占总发电量比重 50%的目标，并在 2050 年前完全脱离化石燃料。而根据美国市场研究机构最新发布的报告，2014 年拉丁美洲光伏市场装机量达 625 兆瓦，较 2013 年上涨 370%。 我国幅员辽阔，风能、太阳能等可再生能源丰富。新能源发电在我国也得到了快速发展。数据显示，截至 2014 年底，我国光伏发电累计装机容量 2805 万千瓦，同比增长 60%，其中，光伏电站 2338 万千瓦，分布式 467 万千瓦，年发电量约 250 亿千瓦时，同比增长超过 200%。同时，国家能源局公布的相关数据表明，2014 年，我国风电并网装机已超 9000 万千瓦，预计年发电量 1500 亿千瓦时。 可再生能源发电的规模不断扩大，为电力系统提供了大量的清洁能源，缓解了环境压力，促进了经济社会的可持续发展。然而，从电力系统的供需平衡的角度，可再生能源具有间歇性的特点，大规模可再生能源的并网给电力系统稳定性带来了巨大的挑战。可再生能源的不稳定性既会增加系统的备用容量，增大了系统的运行成本，同时也会对电能质量产生很大的负面影响，如电网频率更加难以维持稳定。
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1.2 国内外研究现状
电动汽车作为一种典型的能够与电网互动的柔性负荷，除交通功能外，还可以通过 V2G 技术参与电力系统需求侧响应。在大规模新能源并网环境下，通过对电动汽车负荷的需求响应控制能够提高电力系统对间歇性新能源的消纳能力。同时，电动汽车还能够为电力系统提供旋转备用，提高电网的应急控制能力。电动汽车负荷具有以下特征： (1) 可控时间长。一般电动汽车在全天当中出行时间仅占 4%，其余 96%的时间处于闲置状态。在闲置期间，电动汽车具有很大的用电弹性，能够作为储能装置为电力系统提供辅助服务[1-3]； (2) 能量双向流动。基于 V2G 技术，电动汽车既能够作为电力负荷从电网吸收电能，又能够作为分布式电源将电能向电网回馈，根据电力系统功率需求动态调整充放电功率[4-5]； (3) 响应速度快。电动汽车的充放电在本质上是化学过程和电磁过程，不包含机械过程。因此，电动汽车车载电池具有较快的响应速度，其充放电状态改变时间能够达到毫秒级[6].
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第二章 考虑用户参与度的电动汽车集中式频率控制策略
2.1 引言
在电动汽车快速普及的背景下，集中式充电站、换电站是公共区域应对大规模电动汽车接入电网的有效商业模式。在电动汽车集中接入方式下，基于Vehicle-to-Grid(V2G)技术，电动汽车能够通过集中控制为电力系统提供辅助调频服务[38-40]。在系统频率高于额定值场景下，电动汽车增加充电功率以增加系统负荷；在系统频率低于额定值场景下，电动汽车降低充电功率或向系统反供电，等效降低系统负荷，维持系统频率稳定。 电动汽车作为一种移动式储能装置，与传统储能有显著的区别，主要体现在其可用容量受出行特性的影响，是实时动态变化的[41-43]。电动汽车负荷特性与用户充电方式有密切的联系，在实时电价等激励措施的刺激下，电动汽车能够通过改变充电模式(如无控充电和智能充电等)实现充电负荷在时间尺度上的变换，实现负荷的削峰填谷。 本章首先构建电动汽车充电桩与电池的数学模型。为了构建电动汽车负荷群体模型，研究电动汽车群体的出行特性，包括出行时间、出行距离以及车载电池容量特性。针对电动汽车的集中式接入方式，提出一种考虑用户参与度的电动汽车集中式频率控制策略。在集中控制下，首先根据电动汽车车载电池 SOC 对其进行实时排序，再依据系统频率信号控制电动汽车的充放电状态，调整充放电功率，为电力系统提供辅助调频服务。
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2.2 电动汽车负荷单体建模
电动汽车电池模型是一个与电阻相串联的可控电压源。该模型仅仅将 SOC作为电池的状态参数，能够精确地反映不同类型电动汽车电池(锂离子、铅酸、镍金属氧化物、镍镉电池)的充电过程。 作为电池的状态参数，能够精确地反映不同类型电动汽车电池(锂离子、铅酸、镍金属氧化物、镍镉电池)的充电过程。
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第三章 电动汽车分散式频率控制策略与调频能力评估方法 .... 21
3.1 引言 ....... 21
3.2 考虑用户需求的电动汽车分散式频率控制策略 ..... 21
3.3 基于动态分类的电动汽车调频能力评估方法 ......... 26
3.4 算例分析 ...... 29
3.5 本章小结 ...... 33
第四章 温控负荷与电动汽车的集中式协同频率控制策略初探 ....... 35
4.1 引言 ....... 35
4.2 温控负荷建模 ..... 35
4.3 温控负荷集中式频率控制策略 ..... 37
4.4 温控负荷与电动汽车协同频率控制策略 .......... 38
4.5 算例分析 ...... 39
4.6 本章小结 ...... 42
第五章 结论与展望 ......... 43
第四章 温控负荷与电动汽车的集中式协同频率控制策略初探
4.1 引言
大规模电动汽车能够替代传统储能，为电力系统提供辅助频率服务。在大规模新能源并网环境下，电动汽车能够通过动态负荷调节，平抑间歇性新能源产生的不平衡功率，维持系统频率稳定。但作为一种交通工具，由于需要满足用户充电需求和出行需求，其局限性在于在特定时期内可用容量较小，无法为系统提供足够的调节功率。同时，目前电动汽车还未广泛普及，不能为电力系统提供足够的旋转备用。 温控负荷具有良好的热储能特性，也是一种重要的电力系统需求侧响应资源。随着经济的发展和居民生活水平的提高，空调、冰箱等温控负荷所占的比例越来越大，逐渐成为需求侧响应研究的重点。状态序列算法(state queueing，SQ)通过控制温控负荷的开关状态改变负荷功率，响应系统功率需求[55-56]。该算法采用状态队列响应模型，兼顾了用户舒适度和负荷控制效果，为温控负荷的集中式需求响应控制提供了有效的技术途径[57-58]。 本章首先构建温控负荷的等值热力学模型，以制热型空调负荷为例，描述温控负荷动态过程。提出基于状态序列算法的温控负荷集中式频率控制策略，结合第二章所提的电动汽车集中式频率控制，对两种负荷的协同频率控制进行初探。通过典型算例，验证了本章所提控制策略在电力系统发生单次大扰动下的控制效果。
结论
为了应对大规模新能源的并网，提高电力系统的抗扰动能力，本文研究如何利用负荷需求响应资源为电力系统提供频率辅助服务。分别针对分散式接入和集中式接入的电动汽车提出了分散式和集中式的频率控制策略，通过动态改变电动汽车负荷功率响应系统功率需求。针对温控负荷的动态特性，提出了适用于温控负荷的集中式频率控制策略。在此基础上，为了实现需求侧响应资源的综合利用，对温控负荷与电动汽车的集中式频率控制策略进行了初探。通过典型算例验证了以上方法的有效性，并得出如下结论：
(1)本文所提考虑用户参与度的电动汽车集中式频率控制策略能够有效利用集中式接入的电动汽车为电力系统提供动态频率响应服务。在大规模间歇性新能源并网的环境下，一方面能够有效抑制系统频率偏差，另一方面能够降低传统发电厂出力波动。通过设置合适的用户参与度，能够兼顾用户用能舒适度与系统频率响应效果；
(2)本文所提考虑用户需求的分散式频率控制策略能够有效利用分散式接入的电动汽车为电力系统提供动态频率响应服务。通过构建充放电可行域，充分考虑用户的出行需求、电池保养需求和充电需求，在满足三者约束的前提下参与电力系统调频。基于动态分类的电动汽车调频能力评估方法能够对电动汽车负荷的调频能力进行实时评估，有助于解决分散式接入电动汽车难以集中管理的问题；
(3)本文所提温控负荷与电动汽车的集中式协同频率控制策略能够充分利用两种需求侧响应资源，为电力系统提供旋转备用。根据两种负荷的负荷特性，将电动汽车作为优先响应资源，将温控负荷作为后备资源，在电力系统发生单次大扰动情况下，能够为系统提供有效的频率响应服务，抑制系统频率偏差，支撑系统频率稳定。 在电动汽车与温控负荷协同控制方面，本文仅从响应的先后顺序上对温控负荷与电动汽车两种负荷进行排序，未针对具体的负荷特性进行精细化的协同控制。同时，仅在单次大扰动下验证了方法的有效性，未研究协同控制在系统动态调频控制中的控制效果。在未来的研究当中，应在温控负荷频率控制方面继续深化，再深入探究温控负荷与电动汽车的协同动态频率控制策略，充分利用各类负荷需求响应资源为电力系统提供有效的动态频率响应服务。
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参考文献（略）
