含電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的配電網(wǎng)電壓波動(dòng)特性分析

賈向恩， 寧永龍， 鄒蒙

(國網(wǎng)吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

0 引 言

在能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出的情況下，電動(dòng)汽車作為一種清潔環(huán)保新型交通工具，得到了人們的廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的規(guī)模在配電網(wǎng)越來越大[1]，而當(dāng)前配電網(wǎng)在其規(guī)劃時(shí)一般未考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的影響。另外，不論是家用車輛還是公交車輛的行駛和充電時(shí)長都具有很大的隨機(jī)性，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有很大的不確定性，電動(dòng)汽車充電會(huì)引起配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)加劇，甚至影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。為促進(jìn)電動(dòng)汽車的健康發(fā)展和保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需深入研究電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響。

文獻(xiàn)[3]對居民區(qū)的電動(dòng)汽車充電特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。文獻(xiàn)[4]基于電動(dòng)汽車的行駛規(guī)律和充電負(fù)荷特性分析，建立了一種接入配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型。文獻(xiàn)[5]對某一居民小區(qū)的電動(dòng)汽車充電行為進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，研究了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[6]分析了電動(dòng)汽車無序充電對配電網(wǎng)的危害性，提出了一種以峰谷電價(jià)差為指引的有序充電模式。文獻(xiàn)[7]論述了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對配電網(wǎng)的影響，表明電動(dòng)汽車充電負(fù)荷會(huì)增大配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。以上文獻(xiàn)在對電動(dòng)汽車接入對配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)影響時(shí)只進(jìn)行定性闡述分析，均未對電動(dòng)汽車接入充電對配電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。

本文在對電動(dòng)汽車充電特性分析的基礎(chǔ)上，建立了電動(dòng)汽車集中充電接入配電網(wǎng)的仿真模型，并對無序充電和有序充電模式下不同充電規(guī)模、不同充電位置下的電壓波動(dòng)變化情況進(jìn)行計(jì)算分析。

1 電動(dòng)汽車特性分析

1.1 電動(dòng)汽車電池充電特性分析

本文將電動(dòng)汽車電池等效為受控電壓源和恒值內(nèi)阻的串聯(lián)組成[8]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Ubatt、E0為電池電壓和恒定電勢；Q、i為電池的額定容量和充電電流；S0、Y為電池的初始電量和內(nèi)阻值;K、A、B為極化常數(shù)及充電指數(shù)段的兩個(gè)常數(shù);t為時(shí)間。

電動(dòng)汽車電池的充電功率Pbatt可表示為：

Pbatt=-Ubatti

(2)

式中：Ubatt、i為電池電壓和充電電流。

對電動(dòng)汽車電池的充電過程進(jìn)行簡化等效分析后，電動(dòng)汽車的充電功率Pn(t)為：

(3)

式中：pn為第n輛電動(dòng)汽車的固定充電功率。

1.2 日行駛里程及充電時(shí)長概率密度函數(shù)

電動(dòng)汽車的充電時(shí)長主要由日行駛里程決定，電動(dòng)汽車用戶日行駛里程s近似服從概率密度分布特性，其概率密度函數(shù)f(s)的表達(dá)式為：

(4)

式中：μD、σD為日行駛里程平均值和標(biāo)準(zhǔn)差;s為日行駛里程。

電動(dòng)汽車充電開始時(shí)刻的概率分布fcf(t)、充電時(shí)長的概率分布ftc(s)的函數(shù)及充電時(shí)長T分別為[9]：

(5)

(6)

(7)

式中：μs、σs為充電時(shí)間的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差;t為時(shí)間;s為日行駛里程;Pn為電動(dòng)汽車n的充電功率;M為百公里耗電量；α為充電效率。

電池荷電狀態(tài)SOCn計(jì)算表達(dá)式為[10]：

張紹凡依舊跟我同班，她依然是眾星捧月的焦點(diǎn)，成績依舊很好，全班第一，年級第三。我的成績進(jìn)步很大，雖然暫時(shí)不足以撼動(dòng)張紹凡的“班一寶座”，但于我自己卻是全新的開始。

(8)

式中：x為行駛里程數(shù)；x0為最大行駛里程數(shù)；SOCn-1為電動(dòng)汽車上次充電結(jié)束后的電池荷電狀態(tài)；α為充電效率大小。

某居民區(qū)電動(dòng)汽車的電池容量為30 kWh，充電功率為3.5 kW，獲得的電動(dòng)汽車充電時(shí)長概率密度如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車充電時(shí)長的概率密度

2 電動(dòng)汽車充電模式分析

2.1 電動(dòng)汽車無序充電模式

電動(dòng)汽車無序充電模式指的是通過無計(jì)劃的“即插即用”形式將電動(dòng)汽車接入到配電網(wǎng)，無序充電模式的負(fù)荷計(jì)算多采用蒙特卡羅法：抽取電動(dòng)汽車用戶到家時(shí)刻及行駛里程數(shù)，根據(jù)充電日期和用戶類別對其進(jìn)行相應(yīng)的的不同處理，獲得該車充電的起始時(shí)間和充電時(shí)長，然后把所有汽車充電負(fù)荷疊加到一起求得該區(qū)域總的充電負(fù)荷[11]。

2.2 電動(dòng)汽車有序充電模式

無序充電模式會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷差增大、網(wǎng)損增加等問題，因此需要采取電價(jià)引導(dǎo)等方法引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶的充電習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)用電優(yōu)化[12]。

以充電樁充電費(fèi)用最少為目標(biāo)，充電費(fèi)用計(jì)算公式為：

(9)

式中：f1(x)和f2(x)為快充、慢充對應(yīng)的充電費(fèi)用;Ci為電費(fèi)價(jià)格;Pd1和Pd2為直流快充、交流慢充所對應(yīng)的功率;μ1和μ2為充電效率；te1(x)、te2(x)和ts1(x)、ts2(x)為兩種充電模式的的結(jié)束、開始時(shí)間。

假設(shè)該居民小區(qū)共有H輛電動(dòng)汽車，以其總充電費(fèi)用最少為目標(biāo)，表達(dá)式為：

(10)

(11)

minG=Lmax-Lmin

(12)

式中：Lmax和Lmin為高峰、低谷時(shí)的負(fù)荷；RLj為充電負(fù)荷;RL為常規(guī)負(fù)荷。

充電樁數(shù)量c和電動(dòng)汽車臺(tái)數(shù)H的關(guān)系為：

c≥H

(13)

充電需在24 h內(nèi)完成：

0≤t≤24

(14)

預(yù)計(jì)充電時(shí)長T與實(shí)際充電時(shí)長Ts的關(guān)系為：

Ts≤T

(15)

充電價(jià)格Ci需滿足：

Ci∈(0.45,1.45)

(16)

3 配電網(wǎng)電壓波動(dòng)仿真分析

3.1 配電網(wǎng)電壓波動(dòng)仿真模型的建立

以仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行分析，模型如圖2所示，EV為電動(dòng)汽車充電站。電池額定容量為64 kWh，電池荷電狀態(tài)的最小值和最大值分別取15%和95%，各時(shí)段的電價(jià)如表1所示。

圖2 IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖

表1 各時(shí)段電價(jià)表

3.2 不同充電模式下的電壓波動(dòng)分析

電動(dòng)汽車充電站EV接入節(jié)點(diǎn)8，改變電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)的容量，仿真得到的不同接入容量時(shí)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況如表2所示。圖3為無序充電模式下的電壓變化情況。

表2 不同充電規(guī)模下電壓波動(dòng)情況

圖3 節(jié)點(diǎn)8電壓波動(dòng)情況仿真圖

根據(jù)表2和圖3可知，電動(dòng)汽車在配電網(wǎng)的接入容量越大，造成的電壓波動(dòng)情況也越嚴(yán)重，接入點(diǎn)處的電壓波動(dòng)情況最嚴(yán)重，離接入點(diǎn)越遠(yuǎn)，受到的影響越小，且無序充電模式引起的電壓波動(dòng)要高于有序充電。

保證電動(dòng)汽車接入規(guī)模相同的前提下，在節(jié)點(diǎn)6、8、32接入電動(dòng)汽車，各節(jié)點(diǎn)短路容量排序從大到小為6、8、32，仿真得到的電壓波動(dòng)情況如表3所示。

表3 不同充電位置下電壓波動(dòng)情況

由表3的結(jié)果可知:電動(dòng)汽車在配電網(wǎng)的充電位置不同，其充電引起電壓波動(dòng)也不同；而各節(jié)點(diǎn)位置體現(xiàn)的是短路容量的不同，充電所在節(jié)點(diǎn)短路容量越大，則電壓波動(dòng)越小。因此在選擇電動(dòng)汽車集中充電點(diǎn)時(shí)，為有效減小其充電引起的電壓波動(dòng)，應(yīng)盡量選取短路容量較大的配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文建立了含電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的配電網(wǎng)電壓仿真計(jì)算模型，分別研究了無序充電和有序充電兩種模式不同充電情況下的配電網(wǎng)電壓波動(dòng)變化情況。結(jié)果表明：電動(dòng)汽車充電負(fù)荷越大，其造成的配電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況就越嚴(yán)重，且電動(dòng)汽車采用無序充電模式引起的電壓波動(dòng)要高于有序充電。當(dāng)電動(dòng)汽車采用有序充電時(shí)，其在充電點(diǎn)引起的電壓波動(dòng)要比采用無序充電降低18%左右，而配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)受影響的程度與其離電動(dòng)汽車充電點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近有關(guān)。距離越近，受影響的程度越大，其中電動(dòng)汽車集中充電點(diǎn)處的電壓波動(dòng)情況是最嚴(yán)重的。而電動(dòng)汽車在配電網(wǎng)的充電位置不同，其充電引起的電壓波動(dòng)也不同，充電所在節(jié)點(diǎn)短路容量越大，則電壓波動(dòng)越小。