電動汽車充電對區域電網電能質量的影響

王金行，趙生傳，劉遠龍，龔文杰，李文升

（青島供電公司，山東 青島 266002）

0 引言

隨著環境危機和能源危機所帶來的影響日益顯著和電池技術不斷發展，電動汽車的經濟性能在不斷地提高，以電動汽車為代表的新一代節能與環保汽車是汽車工業發展的必然趨勢，并已經成為普遍共識。

電動汽車在性能和經濟性方面已經接近甚至優于傳統燃油汽車，并開始在世界范圍內逐漸推廣應用[1]。由于充電機中的整流裝置等非線性元件的存在，必然會對電網產生諧波[2]。

1 區域電網設計

對區域電網進行如下假設：設計一個進線為35 kV出線為10 kW的變電站，主要為居民電網供電。為此變電站所供電網加入儲能空間：1）為其添加一定量的儲能空間，即充電電池；2）在電網中加入一個電動汽車充電站，距離上級變電站3 km。區域電網設計圖見圖1。

圖1 帶充電設備儲能的區域電網設計圖

為了進行仿真分析，在此作出以下假設：

1）假設1戶居民日常用電的最大功率為6 kW，2000戶居民，即最大負荷為12000 kW。

2）根據國家科技部規劃[3]，2015年電動汽車數量將達到230萬輛，2020年將達到1 700萬輛。所以在此假設電動汽車的擁有數量為1%，平均1戶人家為3口人，則此35 kV變電站下有60輛電動汽車。若考慮最嚴重的情況，電動車輛全部為大型車是很不現實的，也缺乏研究價值；若全部為中小型車，雖然應該符合實際但仍缺少含有大型車的可能性，所以在此每輛電動車的最大功率還是使用平均功率，即12 kW。此電網中電動汽車總功率為720 kW。

3）假設變電站儲能占變電容量的5%，最大負荷為變電容量的80%。則變電站儲能最大功率為750 kW。

4）對變電站本身的儲能忽略線路損耗，對電動汽車充電站的儲能輸電線路選用LGJ-120/25線路，其每公里參數為r=0.223，x=0.348。

5）對電動汽車的使用者的行為預測是很重要的，直接影響著充電功率，在這里只考慮最嚴重的情況：假設所有的充電均是在用電高峰期進行，并且每戶用電量全是最高的6 kW。假設傳統負載功率因數為1，并且忽略傳統負載的諧波。

2 仿真模型的建立

根據上述電路設計圖，由matlab進行仿真，仿真電路圖見圖2。

充電設備模型中10 kV/380 V變壓器，整流裝置，濾波電感和電容的參數與單臺充電機模型相一致，充電負載等效電阻按照單臺充電機模型仿真所用方法分別取 0.423 Ω、0.423 Ω、0.441 Ω、0.441 Ω。電源參數，35/10 kV，并對變壓器參數，線路參數，負載變壓器參數，負載參數等進行設置。

3 仿真與諧波分析

對波形質量即諧波含量進行分析，原負載處電壓電流波形均發生了較小程度的畸變。另外，電力變電站高壓側電流也含有一定的諧波。

3.不斷樹立巡視干部良好形象。教育巡視干部始終堅持正確的政治立場和政治方向，始終做到政治上清醒堅定、在重大問題的把握上旗幟鮮明，始終在思想上、行動上與黨委保持高度一致。保持公道正派、嚴謹敬業的作風，講黨性、講原則，講真話、講實情，全面、真實、客觀、準確地向黨委反映被巡視單位的情況。深入基層，調查研究，謙虛謹慎，謹言慎行。恪守廉潔自律準則，嚴肅巡視工作紀律，認真執行巡視工作《條例》《辦法》和《工作人員守則》，從嚴遵守巡視工作政治紀律、組織紀律、工作紀律和保密紀律，切實維護巡視工作的威信和尊嚴。

由單臺充電設備的仿真實驗可知充電設備產生5次、7次、11次、13次、17次、19次諧波。并由圖3-5的FFT分析圖看出這些諧波進入電網，電流波形發生畸變，其THD為2.39%。由圖7、圖8可知，充電設備的加入使負載電壓發生畸變，其THD為1.80%，從而引起負載電流發生畸變。

圖2 matlab仿真電路圖

圖3 變電站高壓側電流波形FFT分析

圖4 傳統負載電流波形FFT分析

圖5 傳統負載電壓波形FFT分析

以上數值只是最大負荷時的諧波畸變率，沒考慮傳統負荷變化、變壓器充電時間和電動汽車使用習慣（傳統負荷簡化模型[4]見表1、圖6，假設變電站充電時間為夜間0：00-5：00，電動汽車每小時充電數量[5]見表2、圖7），考慮這些因素后改變設備參數可以得到一天中總負荷曲線和THD變化曲線。

表1 傳統負荷百分比

圖6 傳統負荷百分比曲線圖

表2 電動汽車充電百分比

圖7 電動汽車充電百分比曲線圖

由上面數據可得到一天內周期總負荷曲線，如圖8。從圖中我們明顯的可以看出電動汽車等儲能設施的使用方式，可以很好的起到“填谷”的作用。可以想象由于儲能設施的加入，為電網提供了儲能空間風電等一些間斷性電源可能在低谷時加入電網。

圖8 一天內周期總負荷曲線

由此可得一天內總諧波含有率曲線，見圖9。

圖9 一天內總諧波含有率曲線

從曲線上可以看出由于儲能的加入和儲能的使用方式，電網所增加的低谷期間，電網中所含有的諧波比例比較大特別是在后半夜，并在午后的一段時間出現一定數量的諧波。而在高峰期當儲能容量為10%左右時，充電設備所引入的諧波畸變率最大不超過5%。

4 仿真與電壓分析

由于充電站的加入，必然會引起負載的增加而增加電壓壓降，電壓壓降是由于線路損耗造成的，由于上述仿真中，負載的輸電線路是采用理想線路，所以不能分析傳統負荷的壓降問題，為研究這個問題，重新進行電路設計，研究在一天的負荷周期內帶有具有儲能的電網中的電壓最大壓降。

所設計電路圖如圖10和圖11所示，即在上個仿真的基礎上，在變電站與電源之間加上線路損耗。

圖10 仿真電路原理圖

圖11 仿真電路圖

設計所加線路為30 km。根據最大載流量選擇橫截面積為150 mm2的鋼絞鋁輸電線路，其參數為每公里r=0.21，x=0.387。對參數進行設置，并將電源電壓提升1.1倍。

5 結論

本文使用matlab對區域電網進行建模并研究大規模電動汽車充電對區域電網電能質量的影響，主要包括諧波影響和電壓影響。高峰時段當儲能容量為負荷10%時，充電設備所產生的諧波畸變率不超過5%。考慮最嚴重情況，即負荷高峰時段充電設備滿負荷運行時，電壓下降2%左右。諧波影響和電壓影響均在國標允許范圍之內。