论文总字数：27694字

摘 要

为应对化石能源的消耗造成的能源和环境危机，风电、光伏等新能源技术蓬勃兴起，而电动汽车作为清洁能源之一，也将逐渐取代传统燃油机车，实现零污染零排放。随着电动汽车渗透率的不断增加，一方面电动汽车大规模并网将对电网安全稳定运行带来影响；另一方面和其他分布式能源相比，电动汽车所具有移动储能和可控负荷的特性，将具有对电网提供诸如削峰填谷、调频、平抑间歇性能源波动性等辅助服务的潜力，从而提高电网安全运行水平，且为用户带来一定经济收益。在此过程中，考虑能量信息流的双向流动、实现智能化调度控制是研究的难点。本文提出规模化电动汽车参与系统调频控制策略，将分散接入的电动汽车聚合成若干集群进行统一调度，使用Matlab搭建电动汽车响应电网AGC调频的功率调整模型。考虑集群容量和响应时间的不同，基于分布式协同控制理论，设计了离散时间的一致性协议，集群代理节点之间仅通过通信连接关系进行信息迭代交互，从而完成总体功率调整目标。算例仿真结果表明，所提策略能有效响应电网频率波动。

本文还设计了基于DIgSILENT和Qualnet仿真软件电力-通信联合仿真机制，实现了电力业务数据和通信业务数据的耦合交互。通过算例仿真并分析了通信链路故障对于辅助调频控制策略实施的影响，仿真结果验证了其可行性。

关键词：分布式控制，辅助调频，电动汽车集群

Abstract

In order to cope with the energy and environmental crisis caused by the depletion of fossil energy, new energy technologies such as wind power and photovoltaics are booming. As one of the clean energy sources, electric vehicles will gradually replace traditional fuel vehicles to achieve zero pollution and zero emissions. With the continuous increase in the penetration rate of electric vehicles, on the one hand, large-scale grid-connected electric vehicles will have an impact on the safe and stable operation of the power grid; on the other hand, compared with other distributed energy sources, electric vehicles have mobile energy storage and controllable load. The characteristics will have the potential to provide grids with auxiliary services such as peak-shaving and valley-filling, frequency regulation, and suppression of intermittent energy fluctuations, thereby improving the safe operation of the grid and bringing about certain economic benefits to users. In this process, it is difficult to consider the bidirectional flow of energy information flow and realize intelligent dispatch control. This paper proposes a frequency control strategy for large-scale electric vehicles participating in the system, aggregates dispersedly-connected electric vehicles into several clusters for unified scheduling, and uses Matlab to build a power adjustment model for electric vehicles in response to power grid AGC frequency modulation. Considering the different cluster capacity and response time, based on the distributed cooperative control theory, a discrete-time coherence protocol is designed. The cluster agent nodes only perform iterative interaction through the communication connection relationship, thus completing the overall power adjustment target. The example simulation results show that the proposed strategy can effectively respond to grid frequency fluctuations.

This paper also designs a power-communication co-simulation mechanism based on DIgSILENT and Qualnet simulation software, which realizes the coupling and interaction of power service data and communication service data. The influence of the communication link error on the implementation of the auxiliary frequency control strategy was simulated and analyzed by numerical examples, and the simulation results verified its feasibility.

KEY WORDS: Distributed Control,Supplementary Frequency Regulation,EV Aggregator

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 选题背景及意义 3

1.2 国内外研究现状 4

1.2.1 电动汽车参与调频的优势 4

1.2.2 电动汽车参与电网调频研究 5

1.3 本文的主要工作 6

第二章 电动汽车集群参与调频框架 7

2.1 电力系统频率调整 7

2.1.1 一次调频 7

2.1.2 二次调频 9

2.2 电动汽车响应频率波动的控制模型 10

2.2.1 电池基本模型 10

2.2.2 电动汽车频率调节特性 11

2.2.3 电动汽车集中式控制框架 12

2.2.4 电动汽车集群分层控制框架 13

第三章 基于分布式控制的电动汽车调频策略 15

3.1 分布式控制理论 15

3.1.1 分布式一致性控制 15

3.1.2 分布式牵引一致性控制 15

3.2 一致性协议设计 16

3.2.1 通信连接拓扑 16

3.2.2 离散时间的分布式迭代策略 17

3.3 算例分析 18

3.3.1 仿真场景设置 18

3.3.2 结果分析 20

第四章 考虑通信影响的控制策略算例分析 23

4.1 引言 23

4.2 电力-通信联合仿真平台 23

4.2.1 DIgSILENT电力仿真模型 23

4.2.2 电力-通信业务接口设计 25

4.3 仿真结果与分析 27

4.3.1 Case1：正常通信仿真 27

4.3.2 Case2：通信链路中断 30

4.3.3 Case3：通信节点故障 33

4.4 本章小结 35

第五章 总结与展望 36

致谢 37

参考文献 38

绪论

选题背景及意义

随着世界经济的回暖增长，化石能源消耗也在不断增加，能源危机与环境污染问题仍然严重。根据《中国能源发展报告》数据显示，2017年全国能源消费继续增长，总量达到44.9亿吨标准煤，其中煤炭消费量占能源消费总量的60.4%。化石燃料在能源转换过程中造成的污染和温室效应严重影响着人们的生产生活环境。此外，2017年全球碳排放量经过三年下降后强势反弹，各国减排压力居高不下。为减少温室气体排放和不可再生能源消耗，近年来风能、太阳能等可再生能源技术兴起，使得清洁能源替代成为大势所趋，是实现了实现低碳减排、降低化石能源过程的必要途径。

随着经济生活水平的提高，人们对出行的便捷性和舒适型需求在不断提升，这促使汽车的迅速普及，也给制造业、交通运输业等行业带来了巨大的经济效益。但是，随着汽车保有量的不断增加，由其尾气排放带来的巨大污染问题正变得日益严重，时刻影响人们的生存环境。同时，在石油资源越发短缺的情况下，数量巨大的机动车还在低效的消耗这种不可再生能源。传统的内燃机汽车已经给经济社会和环境的协调发展发展带来了不可忽视的负面效应。与此同时，电动汽车（Electric Vehicle，EV）因其清洁环保以及对能源的高效利用正越来越受到人们的重视。美国电力科学研究院的研究显示，充电一次行驶60英里的电动汽车与行驶同里程燃油汽车相比，二氧化碳排放量减少50%，汽油消耗量减少75%。相关数据显示，2017年全球电动汽车销售量超过100万辆，我国的产销量超过了50万。政策层面，新能源汽车被纳入“十三五”国家战略新兴产业，成为汽车行业转型升级的关键。未来 5-10年，电动汽车将迎来井喷式发展。10年后其占汽车市场份额可从目前的1%迅速飙升到40%，预计2022年将实现油电同价。与此同时，美国也已发布“加快电动汽车”计划，目前特斯拉研发的电动车的续航里程已经超过600公里，快速充电模式下30分钟可以充满一半的电量。尽管当前电池技术仍然是限制电动汽车发展的瓶颈，能量密度和充放电时间效率还不能与传统内燃机车相媲美，不过随着全世界研究的加大投入、电池技术逐渐走成熟、商业成本进一步降低，电动汽车将取代内燃机车成为未来清洁低碳出行的主流。

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