光儲式電動汽車充電站入網電壓偏差分析

徐明宇

(黑龍江省電力科學研究院，黑龍江哈爾濱150030)

光儲式電動汽車充電站(以下簡稱:光儲充電站)作為一種新型微網，運行工況復雜多變，所以光儲充電站接入電網前應按照相關規定，根據實際情況和相關參數進行電壓偏差仿真計算，對其運行后可能對電網電能質量產生的影響進行分析評估，以采取相應措施，保證光儲充電站入網后電力系統安全穩定運行。

1 仿真依據

1.1 光儲充電站概況

本文以黑龍江省電力科學研究院光儲充電站為研究對象。該光儲充電站共選用3臺并網逆變器，每臺逆變器接入22塊光儲充電池，11塊為一組進行串接，再和另外一組并在一起。3臺并網逆變器共接入66塊光儲充電池，總功率為19.14 kW，逆變器輸出側接入380 V母線。該充電站設有一個容量為100 kW的直流充電機和一個容量為3.5 kW左右的交流充電樁，可以分別對直流電動汽車和交流電動汽車充電。

1.2 計算條件

1)計算水平年:2011年。

2)本次仿真計算所采用的電網相關設備參數，如變壓器、線路、母線、負荷等，均是由黑龍江省電網相關部門提供。

1.3 仿真模型

本次仿真計算采用PSASP軟件。PSASP是一款功能強大、使用方便的電力系統分析程序，它基于電網基礎數據庫、固定模型庫以及用戶自定義模型庫的支持，可以對電力系統進行穩態分析、故障分析以及機電暫態分析等各種分析計算。由PSASP軟件搭建的光儲充電站接入電網模型如圖1所示。由于光儲充電站和充電站的容量較小，因此，只需研究0.38 kV和10 kV系統即可，此模型只包含了0.38 kV和10 kV系統。

圖1中橫向粗實線表示母線，縱向細實線表示線路，箭頭表示等效負荷，其它圖示元件為變壓器和光儲充電站。

圖1中光儲充電站采用負荷模型，負荷的大小主要由充電機的容量決定。

圖1 光儲充電站接入系統模型

圖1中光儲充電站采用PSASP提供的光儲充模型。此模型通過自定義導入PSASP程序后，只需輸入光儲充伏電站和光儲充電池的相關參數，便可利用電網數據，模擬光儲充電站接入電網，進行暫態、擾動等各種分析計算。

2 光儲充電站入網電壓偏差分析

由于光儲充電站出力就地平衡，而充電站實質上是一個負荷，因此這里分為兩個方面進行分析，即光儲充電站單獨入網和充電站單獨入網。光儲充電站單獨入網時全站的出力最大，而充電站單獨入網時全站的負荷最大。光儲充電站或充電站的單獨入網分析又要分為兩種情況:系統大負荷及系統小負荷。

圖2至圖6中所顯示的電壓為實際值，單位為kV;潮流和等效負荷中所顯示的有功功率和無功功率為標幺值，基準值分別為100 MW和100 MV·A。

2.1 光儲充電站入網前潮流及穩態電壓

系統大(小)負荷下光儲充電站入網前的系統潮流分布及穩態電壓如圖2所示。

2.2 光儲充電站入網后潮流及穩態電壓

系統大(小)負荷下光儲充電站入網后滿出力時的系統潮流分布及穩態電壓如圖3所示。

2.3 充電站入網后潮流及穩態電壓

系統大(小)負荷下充電站入網后滿載時的系統潮流分布及穩態電壓如圖4所示。

2.4 仿真結果分析

這里主要對系統相應母線的電壓偏差進行分析，電壓偏差根據仿真所得到的母線穩態電壓計算得出，具體公式為［1］

圖2 光儲充電站入網前系統潮流及穩態電壓局部示意圖

圖3 光儲充電站入網后滿出力時系統潮流及穩態電壓局部示意圖

式中:ΔU為電壓偏差;U為電壓測量值;Uref為系統標稱電壓。

這里由于是根據仿真數據進行分析，所以電壓測量值用的是仿真所得到的母線穩態電壓值。

圖4 充電站入網后滿載時系統潮流及穩態電壓局部示意圖

2.4.1 光儲充電站入網前后電壓偏差分析

由于光儲充電站的容量很小，因此，只分析光儲充電站滿出力時0.38 kV和10 kV母線電壓偏差情況。

在系統大負荷的情況下，光儲充電站入網前后相關母線電壓偏差情況如表1所示。

表1 系統大負荷下光儲充電站入網前后相關母線電壓偏差情況 %

表2 系統小負荷下光儲充電站入網前后相關母線電壓偏差情況 %

從仿真結果看，無論系統是大負荷還是小負荷運行情況，由于光儲充電站的接入，改變了系統潮流，因此，黑電科院0.38 kV母線、黑電科院10 kV母線、黑珠江10 kV母線的電壓稍有上升。但由于光儲充電站出力太小，因此，電壓變化非常小，均保持在正常運行范圍內，三條母線的電壓偏差也均符合GB/T 12325－2008《電能質量 供電電壓偏差》相關規定(20 kV及以下三相供電電壓偏差限值為標稱電壓的±7%)［1］。由此可見光儲充電站投運后，不會對電網的穩態電壓產生影響。

2.4.2 充電站入網前后電壓偏差分析

由于充電站的容量較小，是一個小型的充電站，因此，只分析充電站滿載時0.38 kV和10 kV母線穩態電壓波動情況。

在系統大負荷的情況下，充電站入網前后相關母線電壓偏差情況如表3所示。

表3 系統大負荷下充電站入網前后相關母線電壓偏差情況 %

表4 系統小負荷下充電站入網前后相關母線電壓偏差情況 %

從仿真結果看，無論系統是大負荷運行還是小負荷運行，由于充電站的負荷相對電科院的整體負荷所占比重較大，因此，當充電站滿載工作時，黑電科院0.38 kV母線、黑電科院10 kV母線、黑珠江10 kV母線的電壓都有所下降，尤其以黑電科院0.38 kV母線電壓下降為最大，降幅達到1 V左右。但從整體上看，三條母線的電壓仍然保持在正常運行范圍內，母線電壓偏差均符合GB/T 12325－2008《電能質量 供電電壓偏差》相關規定。由此可見，當充電站正常工作運行時，不會對電網的穩態電壓產生較大影響。

2.5 光儲充電站入網后實際電壓偏差

本節的圖5至圖7是在系統處于大負荷時錄取，錄波時黑電科院0.38 kV母線所帶負載的容量要比大負荷仿真時所用的負載模型要大些。

光儲充電站入網前黑電科院0.38 kV母線A相電壓如圖5所示。其電壓正偏差為0，電壓負偏差(95%概率值)為3.44%。

圖5 光儲式充電站入網前A相穩態電壓示意圖

光儲充電站入網后平均60%出力下黑電科院0.38 kV母線A相電壓如圖6所示。其電壓正偏差(95%概率值)為0.32%，電壓負偏差(95%概率值)為2.72%。

圖6 光儲充電站入網后A相穩態電壓示意圖

充電站入網后充電電流為55 A下黑電科院0.38 kV母線A相電壓如圖7所示。其電壓正偏差為0，電壓負偏差(95%概率值)為3.08%。

圖7 充電站入網后A相穩態電壓示意圖

當充電電流到120 A時，經測取黑電科院0.38 kV母線A相電壓已經降到210 V左右，最大電壓負偏差達到4.55%。

從測取結果看，實際測取的數據與仿真數據整體趨勢基本一致，光儲充電站的接入能夠稍微提高0.38 kV母線的電壓，而充電站的接入能使0.38 kV母線的電壓下降較大，但由于實際錄波時系統的工況與仿真所設定的工況有所差異，并且0.38 kV母線所帶負載的容量要比仿真時所用的負載模型要大，因此，實際的母線電壓偏差要比仿真所得到的母線電壓偏差稍大些，但誤差不大。從整體上看，實際測取的0.38 kV母線電壓偏差仍然符合GB/T 12325－2008《電能質量供電電壓偏差》相關規定。

需要注意的是:當光儲充電站和充電站都不接入時，0.38 kV母線電壓負偏差本身就較大，而當充電站大負荷接入時，0.38 kV母線電壓最大負偏差較為接近限定值，所以應該采取相應措施，提前預防電壓偏差進一步擴大。

從仿真數據及實測數據看，電壓負偏差大主要是由于系統尤其是黑電科院0.38 kV母線無功功率缺額引起的，因此，需要在0.38 kV母線加裝無功補償裝置，增加系統無功功率。

2.6 光儲充電站及充電站的無功補償

作為一個小型的光儲式充電站，無功補償采用電容器即可，簡單實用，投資較少。如果想實現無功補償的同時還要改善系統的電能質量，可以采用具備無功補償功能的有源濾波裝置。

大中型光儲充電站內的匯集系統、主變及送出線路等設備吸收無功功率，而且電站還要具備一定的低電壓穿越能力，所以大中型光儲充電站需要配置無功電壓控制系統，使其具備無功功率和電壓的控制能力，具體的無功補償容量國家電網公司企業標準Q/GDW 617－2011《光儲充電站接入電網技術規定》有相應說明［2］。

大中型充電站由于系統構成龐雜，充電機、變壓器等吸收無功功率的設備較多，所以要進行相應的無功補償，以使充電站的功率因數達到0.9以上。

為實現大中型光儲充電站、充電站無功功率快速連續的自動平滑調節，同時改善系統的電能質量，建議采用性能較優的SVG。

3 結束語

隨著國內光儲充發電系統以及電動汽車充電站的大規模推廣，電網的安全穩定運行將面臨著巨大挑戰。在這種形勢下，光儲充電站入網未來還需要在許多方面進行深入研究。希望本文所研究的成果及相關實驗數據對今后國內外光儲充電站的建設和運行起到參考和借鑒作用，同時為其它類型的微網系統提供科學的設計思路和合理的研究方法。

［1］GB/T 12325－2008，電能質量 供電電壓偏差［S］.

［2］Q/GDW 617－2011，光儲充電站接入電網技術規定［S］.