基于柔性互聯(lián)配電網(wǎng)的大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)接入影響研究*

劉琦穎，范晉衡，曲大鵬，辛 蕊，吳子俊，李明琪，湯清泉，劉 軒

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州 510000；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510663）

0 引言

在相關(guān)政策的大力支持下，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicles,EV）的發(fā)展獲得長(zhǎng)足的支持，國(guó)家和地方相繼出臺(tái)了一系列激勵(lì)新能汽車(chē)和充電設(shè)施的發(fā)展計(jì)劃。大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)充電設(shè)施接入配電網(wǎng)，作為一種具備源荷性質(zhì)的柔性負(fù)荷給配電網(wǎng)帶來(lái)不可忽視的沖擊性影響，主要體現(xiàn)在規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)負(fù)荷增長(zhǎng)以及電能質(zhì)量的影響，其隨機(jī)性給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)，同時(shí)給配電網(wǎng)的規(guī)劃改造提出新的要求[1-2]。

隨著現(xiàn)代配電網(wǎng)的發(fā)展逐漸向電力電子化演進(jìn)，網(wǎng)架接線、調(diào)控手段和負(fù)荷調(diào)度都產(chǎn)生一系列新的技術(shù)[3]。其中，柔性互聯(lián)技術(shù)今年來(lái)是應(yīng)用于配電網(wǎng)饋線間聯(lián)絡(luò)和能量調(diào)度的可選方案。通過(guò)電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)線路間的柔性聯(lián)絡(luò)，一方面突破了傳統(tǒng)配電網(wǎng)的開(kāi)閉環(huán)供電限制，為高可靠性的供電策略提供了實(shí)現(xiàn)手段；另一方面，高靈敏度和靈活性的柔性設(shè)備，能夠達(dá)到更高水準(zhǔn)的控制調(diào)節(jié)要求[4]。柔性閉環(huán)的設(shè)計(jì)，打破饋線間的調(diào)度限制，對(duì)于具有時(shí)空隨機(jī)性的負(fù)荷接入具有天然的優(yōu)勢(shì)。

目前針對(duì)柔性互聯(lián)機(jī)制下對(duì)電動(dòng)汽車(chē)接入影響的研究還比較少。已有的研究多將電動(dòng)汽車(chē)的影響通過(guò)充電負(fù)荷實(shí)現(xiàn)，以集中負(fù)荷的形式反映電動(dòng)汽車(chē)的影響，但這種集群特性在時(shí)間和空間分布具有較大隨機(jī)性[5]；而關(guān)于柔性互聯(lián)方式量化分析和研究多是通過(guò)柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的形式實(shí)現(xiàn)，并未將技術(shù)概念抽象出來(lái)建模分析[6]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文展開(kāi)電動(dòng)汽車(chē)在柔性互聯(lián)配電網(wǎng)中的接入影響分析。首先，分析了柔性互聯(lián)的影響原理并建立其數(shù)學(xué)約束模型；接著，計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)充電功率、充電需求和充電時(shí)間分布三方面因素進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷建模；最后，提出影響評(píng)估指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行全時(shí)段的運(yùn)行工況分析。

1 柔性互聯(lián)的機(jī)理分析

1.1 柔性互聯(lián)的影響原理

傳統(tǒng)配電網(wǎng)依靠斷路器和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷動(dòng)作實(shí)現(xiàn)“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的供電控制。取而代之，基于電力電子設(shè)備的配電網(wǎng)饋線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了柔性閉環(huán)運(yùn)行[7]，具備控制連續(xù)、響應(yīng)速度快、動(dòng)作頻繁和故障率低等特性。饋線間柔性互聯(lián)方式如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)柔性互聯(lián)示意圖

拋棄傳統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)方式，柔性互聯(lián)裝置將單條饋線的不同支路或者多條饋線的主干線連接起來(lái)。饋線交流側(cè)和直流母線側(cè)通過(guò)連接端上的換流變實(shí)現(xiàn)電氣耦合，達(dá)到閥級(jí)功率調(diào)控和故障穿越的目的。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作為饋線間潮流控制樞紐，在狀態(tài)檢測(cè)的配合下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)各饋線的功率平衡，面對(duì)短時(shí)沖擊及時(shí)調(diào)整供給策略；交流故障時(shí)，及時(shí)形成隔離部分的電源轉(zhuǎn)供，避免故障檢修造成的停電[8-9]。柔性互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控的基礎(chǔ)形式之一，打破了傳統(tǒng)“源—儲(chǔ)—荷”定點(diǎn)式能源消納格局，將其維度拓展成網(wǎng)間協(xié)同，提高了分布式能源在配電網(wǎng)中的消納半徑。同樣的，針對(duì)具備源荷性質(zhì)的電動(dòng)汽車(chē)等柔性負(fù)荷，柔性互聯(lián)能調(diào)和負(fù)荷分布的時(shí)空隨機(jī)性，使得電網(wǎng)的供電韌性和靈活性得到極大地提高。

1.2 柔性互聯(lián)的數(shù)學(xué)模型

柔性互聯(lián)裝置的運(yùn)行模型，其可控變量包括各連接端口輸出的有功功率和無(wú)功功率。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行方式，所有端口的有功功率和有功損耗之和為0，每個(gè)端口具備無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)控的功能。因此，互聯(lián)裝置端口的功率關(guān)系可描述為：

式中：Pi,t和Qi,t分別為t時(shí)刻與節(jié)點(diǎn)i所連端口的輸出有功功率和無(wú)功功率；Li,t為設(shè)備在t時(shí)刻與節(jié)點(diǎn)i所連端口的有功損耗；Qi,max和Qi,min分別為端口的無(wú)功功率上下限。

考慮柔性設(shè)備本身存在一定有功損耗[10]，并主要來(lái)源于組件模塊。根據(jù)有功損耗與各端口電流的關(guān)系和參數(shù)，將其近似描述為[11]：

式中：Ii,t為柔性互聯(lián)設(shè)備在t時(shí)刻端口i的端口電流；ai和bi為端口i 的內(nèi)部損耗系數(shù)和空載損耗常數(shù)。而在實(shí)際配電網(wǎng)中，端口的電壓通常運(yùn)行在單位標(biāo)幺值左右，則有Ii,t≈Si,t。于是，將式（2）端口損耗變換為：

2 計(jì)及多因素的電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷建模

電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷建模一般從電動(dòng)汽車(chē)充電功率、電動(dòng)汽車(chē)充電需求和電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間分布三方面決定因素進(jìn)行分析。

目前動(dòng)力電池以恒流—恒壓的2階段充電方法為主[12]，忽略充電起始和結(jié)束的過(guò)渡階段，本文將充電過(guò)程近似為恒功率特性。

篩選出影響電動(dòng)汽車(chē)充電需求的主要指標(biāo)，包括標(biāo)準(zhǔn)耗電量、行駛習(xí)慣、充電機(jī)充電效率、電池充電效率和日行駛距離[13-14]。其中，鑒于日行駛距離不確定性影響較大，建立其概率密度函數(shù)模型如式（4）所示；其他指標(biāo)不確定性較小則取為常量。建立電動(dòng)汽車(chē)充電需求的模型如式（5）所示。

式中：d為電動(dòng)汽車(chē)出行距離；σD和μD分別為擬合數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和期望。

式中：Ec為電動(dòng)汽車(chē)的日充電需求；Ebc為電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)耗電量，kW·h/100 km；Ch為行駛習(xí)慣的折算因子；ηm為電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備充電效率；ηb為電動(dòng)汽車(chē)鋰電池充電效率。

電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間分布主要受到用戶充電習(xí)慣和消費(fèi)者使用習(xí)慣的影響。鑒于充電時(shí)間呈現(xiàn)的多波峰特性，可參考式（4）的方式正態(tài)擬合，得到充電時(shí)間分段密度函數(shù)，此處不再贅述。

3 算例分析

3.1 算例介紹和分析指標(biāo)

3.1.1 算例介紹

本算例通過(guò)IEEE33節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)分析柔性互聯(lián)作用下電動(dòng)汽車(chē)不同滲透率情況下充電對(duì)電網(wǎng)的影響，如圖2所示。此測(cè)試系統(tǒng)電壓等級(jí)12.66 kV，共有32 條配電線路，節(jié)點(diǎn)1 為電源點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為負(fù)荷點(diǎn)。柔性互聯(lián)裝置將節(jié)點(diǎn)15、節(jié)點(diǎn)25 和節(jié)點(diǎn)33 連接起來(lái)。基于南方某地級(jí)市電動(dòng)汽車(chē)收資數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型分析擬合。為保障充電設(shè)施的工作電壓水平，本系統(tǒng)將電動(dòng)汽車(chē)接入線路的前端（節(jié)點(diǎn)2～5、節(jié)點(diǎn)16～22），在此中分析不同滲透率的電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)充電對(duì)電網(wǎng)的影響。算例采用支路潮流進(jìn)行全局求解[15-16]。

圖2 配電網(wǎng)柔性互聯(lián)示意圖

3.1.2 分析指標(biāo)

為量化評(píng)估多時(shí)段多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，本算例定義以下3項(xiàng)分析指標(biāo)。

（1）電動(dòng)汽車(chē)滲透率。定義配電線路上電動(dòng)汽車(chē)總充電功率PD與線路當(dāng)前最大負(fù)荷Pmax為電動(dòng)汽車(chē)滲透率，如式（6）所示。

（2）潮流均衡度。基于實(shí)數(shù)信息熵理論[17]，定義潮流均衡度指數(shù)，如式（7）所示。

（3）電壓偏差水平。定義節(jié)點(diǎn)參考電壓和實(shí)際電壓偏差平方的平均值為電壓偏差：

式中：Ui,t為節(jié)點(diǎn)電壓幅值；為節(jié)點(diǎn)電壓參考值；Ω 為所有節(jié)點(diǎn)集合。

3.2 柔性互聯(lián)下電動(dòng)汽車(chē)接入影響分析

為對(duì)比分析柔性互聯(lián)前后和不同電動(dòng)汽車(chē)滲透率影響下的配電網(wǎng)運(yùn)行工況，測(cè)試并繪制出潮流均衡度和電壓偏差水平的時(shí)序分布情況，分別如圖3～4所示。

圖3 不同滲透率下潮流均衡度分布

圖4 不同滲透率下電壓偏差水平

潮流均衡度可以量化評(píng)估系統(tǒng)整體呈現(xiàn)的潮流分布均衡程度，機(jī)理在于各條線相對(duì)于系統(tǒng)整體呈現(xiàn)的潮流變化和水平。由圖2可知，傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)滲透率為20%，潮流的均衡程度在不同時(shí)段呈現(xiàn)明顯峰谷差異。21:00-次日8:00，電網(wǎng)的潮流均衡水平整體處于較高水平；9:00-20:00，由于交通出行增加和常規(guī)負(fù)荷水平上升，使該時(shí)段均衡度整體下降50%左右，處于較低水平。

當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)建柔性互聯(lián)之后，在同樣條件下，全時(shí)段潮流均衡程度得到全面提升，最大增幅達(dá)62%。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)滲透率水平依次遞增，在出行活躍時(shí)段（9:00-20:00），潮流均衡水平出現(xiàn)規(guī)律性波動(dòng)，即隨電動(dòng)汽車(chē)滲透率的增加，該時(shí)段潮流均衡度隨之下降，遞進(jìn)降幅在8%～10%左右。出現(xiàn)較明顯的差異性變化是電動(dòng)汽車(chē)的接入增多，導(dǎo)致午間出現(xiàn)潮流均衡度的小低谷，當(dāng)滲透率達(dá)到100%，即系統(tǒng)負(fù)荷全由電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷取代，低谷延伸至最低，但潮流均衡程度仍優(yōu)于未柔性互聯(lián)呈現(xiàn)的情況。均衡度低谷出現(xiàn)的原因在于電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的時(shí)空不確定性，增加了局部線路的潮流沖擊，使各條線路的功率水平出現(xiàn)差異性分布，相應(yīng)地降低了系統(tǒng)整體的均衡程度。可知，電動(dòng)汽車(chē)接入的增大會(huì)導(dǎo)致潮流的沖擊，但柔性互聯(lián)很好地疏解了分散的、隨機(jī)性的影響，緩沖了不確定性帶來(lái)的波動(dòng)，始終使各線路的潮流均衡程度維持在較理想的水平。

電壓偏差反映系統(tǒng)的電壓水平與理想?yún)⒖贾灯畹恼w情況。分析圖3呈現(xiàn)的電壓偏差水平時(shí)序分布情況，可知在未柔性互聯(lián)情況和20%滲透率電動(dòng)汽車(chē)接入下，夜間（22:00-24:00）和午間（12:00-17:00）出現(xiàn)偏差峰值，一方面在于常規(guī)負(fù)荷供電規(guī)律的影響；另一方面在于電動(dòng)汽車(chē)出行規(guī)律的作用。

柔性互聯(lián)配置之后，電壓水平的波動(dòng)得到極大地抑制，使全時(shí)段電壓偏差水平降低75%左右。伴隨電動(dòng)汽車(chē)滲透率的增加，電壓的偏差程度呈現(xiàn)較低的抬升概率，且未產(chǎn)生明顯的沖擊性波動(dòng)，進(jìn)一步驗(yàn)證在柔性互聯(lián)下電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷影響得到有效控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為分析配電網(wǎng)柔性互聯(lián)下電動(dòng)汽車(chē)接入的影響狀況，建立了柔性互聯(lián)實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)建立了計(jì)及多影響因素的電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷模型。在IEEE 33測(cè)試系統(tǒng)中，量化評(píng)估了不同滲透率作用下電動(dòng)汽車(chē)接入柔性互聯(lián)配電網(wǎng)的影響，得到結(jié)論如下：

（1）柔性互聯(lián)作用可有效降低電動(dòng)汽車(chē)不確定性負(fù)荷帶來(lái)的沖擊影響，有效均衡優(yōu)化全時(shí)段線路潮流分布，抑制系統(tǒng)電壓偏差；

（2）在柔性互聯(lián)配電網(wǎng)中，不同程度電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷接入帶來(lái)午間潮流的沖擊性波動(dòng)，電動(dòng)汽車(chē)滲透率越高，潮流均衡度越低，系統(tǒng)電壓偏差變化維持在合理運(yùn)行范圍內(nèi)；

（3）建立的柔性互聯(lián)模型和考慮不確定性的電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷模型可在較理想工況要求下運(yùn)行，約束松弛精度滿足收斂要求。