基于前推回代法的電動汽車負(fù)荷對局域配網(wǎng)影響分析

李成飛　蔣力　汪博燁

摘 要：電動汽車在當(dāng)代社會越來越普及，為了研究電動汽車充電負(fù)荷對配電網(wǎng)的負(fù)荷波動、電壓偏移和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，需要對接入充電負(fù)荷后的配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計算，得到系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。本文針對IEEE33節(jié)點(diǎn)局域配電網(wǎng)，采用了前推回代法進(jìn)行潮流計算并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電動汽車 負(fù)荷波動 局域配電網(wǎng) 前推回代值

1 引言

1997年豐田公司推出第一款量產(chǎn)混合動力轎車以來，世界各國紛紛致力于電動汽車的研發(fā)[1][2]。電動汽車有無污染、噪聲低、能源利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，我國作為全球電動汽車第二大市場，有較好的應(yīng)用推廣前景。隨之而來的是電動汽車充電問題，與傳統(tǒng)電力負(fù)荷不同，電動汽車的充電負(fù)荷在時間和空間上都具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，大規(guī)模的充電負(fù)荷接入系統(tǒng)后可能給系統(tǒng)帶來負(fù)荷波動增強(qiáng)、頻率偏移、電能質(zhì)量降低和網(wǎng)絡(luò)損耗增加等負(fù)面影響，造成系統(tǒng)難以維持安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、減小系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力的不良后果[3]。因此，提前做好電動汽車負(fù)荷對局域配電網(wǎng)的影響分析對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

對于電力系統(tǒng)來說，保證供電的可靠性、保證良好電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是它的基本運(yùn)行要求[4]。電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量和波形質(zhì)量是衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的三個技術(shù)指標(biāo)。其中，電壓質(zhì)量和頻率質(zhì)量一般以偏移是否超過給定值來衡量，波形質(zhì)量則以畸變率是否超過給定值來衡量。大規(guī)模電動汽車接入配電網(wǎng)充電對配電網(wǎng)帶來的影響，除了給系統(tǒng)的負(fù)荷波動帶來影響之外，還會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行兩個方面。其中對電能質(zhì)量的影響主要包括電壓偏移和諧波污染等方面，對經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響主要指網(wǎng)絡(luò)損耗[5][6]。

2 配電網(wǎng)潮流計算

為了研究電動汽車充電負(fù)荷對配電網(wǎng)的負(fù)荷波動、電壓偏移和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，需要對接入充電負(fù)荷后的配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計算，得到系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析[7]。對于輻射型配電網(wǎng)，可以采用前推回代法進(jìn)行潮流計算。前推回代法的主要包括兩步迭代計算過程，分別為回代過程和前推過程[8]。電動汽車充電負(fù)荷接入的配電網(wǎng)潮流計算步驟如下所述：

（1）對配電網(wǎng)系統(tǒng)和各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，生成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣;

（2）輸入系統(tǒng)中接入電動汽車充電負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)位置和各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷;

（3）假設(shè)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)電壓均為根節(jié)點(diǎn)的電壓，從系統(tǒng)的末端節(jié)點(diǎn)開始向根節(jié)點(diǎn)方向求解各支路的電流和功率損耗，即回代過程;

（4）基于回代過程得到的線路電流分布，從系統(tǒng)的根節(jié)點(diǎn)開始向末端節(jié)點(diǎn)計算更新各節(jié)點(diǎn)的電壓，即前推過程;

（5）判斷是否收斂，以前后兩次迭代的電壓幅值之差是否小于迭代精度為判斷條件，若，則迭代不收斂，轉(zhuǎn)至步驟（3）;若，則收斂，結(jié)束迭代。

電動汽車充電負(fù)荷接入的配電網(wǎng)潮流計算流程圖如圖1所示。

3 算例

配電網(wǎng)以IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為參考，接線圖如圖2所示，電網(wǎng)中共有33個節(jié)點(diǎn)，32條支路，節(jié)點(diǎn)1設(shè)為平衡節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)均為PQ節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)支路信息如表1所示，，，網(wǎng)絡(luò)有功負(fù)荷。未接入電動汽車充電負(fù)荷的配電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)見表2。

4 電動汽車充電負(fù)荷對電網(wǎng)影響

顯然，形成足以影響配電網(wǎng)的電動汽車負(fù)荷與電動汽車接入電網(wǎng)的數(shù)量有關(guān)，即電動汽車充電負(fù)荷與汽車數(shù)量成正相關(guān)，同理可知對配電網(wǎng)的影響程度與汽車數(shù)量成正相關(guān)。那么，可定義電動汽車的滲透率為電動汽車接入電網(wǎng)的用電量與配電網(wǎng)的額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，如式（3.1）所示。

（3.1）

式中，為每輛標(biāo)準(zhǔn)電動汽車電池的充電功率，為該時刻時正在充電的電動汽車數(shù)量，為電網(wǎng)的額定有功容量。

假設(shè)每個節(jié)點(diǎn)分布的充電負(fù)荷較均勻，以下以990輛電動汽車的充電負(fù)荷為研究樣本接入電網(wǎng)，分別對局域配電網(wǎng)的負(fù)荷波動、電壓偏移和網(wǎng)絡(luò)損耗進(jìn)行分析。

（1）負(fù)荷波動

選定滲透率為20%（248輛）、50%（620輛）和全部接入（990輛）三種電動汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)時，電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線如圖3所示。不同的滲透率對應(yīng)的峰谷差率結(jié)果如表3所示。

從圖3中可以看出，電動汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)之后，電網(wǎng)的總負(fù)荷在15：00至20：00明顯增大，其中包含負(fù)荷峰時，全部負(fù)荷接入電網(wǎng)之后的負(fù)荷峰值達(dá)到了4278.1，這是因?yàn)殡妱悠囏?fù)荷的峰時與電網(wǎng)本身的峰時基本重合，因此造成了“峰上加峰”的現(xiàn)象;以峰谷差率來衡量電網(wǎng)的負(fù)荷波動程度，從表3中可以得到，隨著電動汽車的滲透率的增加，峰谷差率逐漸增大，由56.25%增加到了58.03%，即負(fù)荷波動程度隨著滲透率的增加逐漸變大。

（2）電壓偏移

從負(fù)荷波動曲線中，可以得出20：00是系統(tǒng)的最大負(fù)荷時刻，分別作出在不同滲透率電動汽車下，20：00的33個節(jié)點(diǎn)的電壓偏移曲線，如圖4所示。可以觀察到，系統(tǒng)電壓偏移程度最大的節(jié)點(diǎn)18號節(jié)點(diǎn)。在沒有電動汽車負(fù)荷接入時，系統(tǒng)的最大電壓偏移低于9%。接入電動汽車充電負(fù)荷之后，18號節(jié)點(diǎn)的電壓偏移隨著滲透率的增大而增大，逐漸超出系統(tǒng)允許的電壓偏移限值，且隨著滲透率的增大，距離首端較遠(yuǎn)的其他節(jié)點(diǎn)比如14號至17號、32號、33號節(jié)點(diǎn)的電壓偏移也超過了系統(tǒng)允許值。

（3）網(wǎng)絡(luò)損耗

不同滲透率的電動汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)時的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗如圖5所示。可以看出，在20：00附近時的網(wǎng)絡(luò)損耗出現(xiàn)最大值，對比網(wǎng)絡(luò)損耗和負(fù)荷波形，發(fā)現(xiàn)兩者的變化趨勢相近，可見當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷越大，產(chǎn)生的網(wǎng)損越大。隨著滲透率的增加，網(wǎng)絡(luò)損耗也增大，在電動汽車負(fù)荷高峰時期變化明顯，全部隨機(jī)充電負(fù)荷接入電網(wǎng)時的網(wǎng)絡(luò)損耗最大值為250kW。不同滲透率的電動汽車的接入系統(tǒng)時，在一個調(diào)度周期內(nèi)，系統(tǒng)的總網(wǎng)損率如表4所示，沒有電動汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)時，網(wǎng)損率為3.70%，當(dāng)滲透率為20%、50%和全部接入時，網(wǎng)損率增加到3.72%、3.75%和3.79%，可見隨著電動汽車滲透率的增加，系統(tǒng)產(chǎn)生的總網(wǎng)損增大，使得電網(wǎng)不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

5 總結(jié)

本文通過研究證明，隨著滲透率的增加，電動汽車充電負(fù)荷對系統(tǒng)的電負(fù)面影響逐漸增大：系統(tǒng)的負(fù)荷波動、電壓偏移程度、網(wǎng)絡(luò)損耗均會增大，從而影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

結(jié)論表明，隨著電動汽車的逐漸普及，放任電動汽車充電負(fù)荷以隨機(jī)模式接入電網(wǎng)將對局域配電網(wǎng)產(chǎn)生多種不良影響。因此，供電部門采取電動汽車充電基站建設(shè)集中化、選址科學(xué)化、分時充電電價差異化等手段來對電動汽車的充電行為進(jìn)行正確引導(dǎo)，最小化電動汽車充電負(fù)荷給局域配電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響存在必要性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張冬明.新能源汽車推廣應(yīng)用相關(guān)政策及趨勢分析[J].汽車工業(yè)研究，2015（1）： 19-23.

[2]國家電網(wǎng)公司.2015國家電網(wǎng)公司社會責(zé)任報告[R]，2016.

[3]趙俊華，文福拴，楊愛民，等.電動汽車對電力系統(tǒng)的影響及其調(diào)度與控制問題[J].電力系統(tǒng)自動化，2011（14）：2-10.

[4]王旻瑋. 規(guī)模化電動汽車充電對電網(wǎng)的影響及優(yōu)化控制策略[D].華中科技大學(xué)，2016.

[5]郭建龍，文福拴.電動汽車充電對電力系統(tǒng)的影響及其對策[J].電力自動化設(shè)備，2015，35（6）：1-9.

[6]李亞芬，黃梅，張維戈.電動出租車日充電負(fù)荷估算方法[J].電力系統(tǒng)自動化， 2014，38（10）：55-60.

[7]羅卓偉，胡澤春，宋永華，等.電動汽車充電負(fù)荷計算方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（14）：36-42.

[8]Senart A，Souche C，Kurth S. Electrical distribution network improvement for plug-in electric vehicles： EP，US9106101[P]. 2015.