電動汽車對低壓變壓器的影響分析

姚岳，呂晨旭，周茜

（國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西忻州034000）

電動汽車對低壓變壓器的影響分析

姚岳，呂晨旭，周茜

（國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西忻州034000）

指出隨著國家在推動電動汽車（EV）及其充電站的過程中充電技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，EV在充電時會產(chǎn)生較大的沖擊負荷，這樣會影響到站端低壓變壓器的穩(wěn)定運行。對電動汽車接入狀態(tài)進行仿真，分析了充電過程中產(chǎn)生的低壓變壓器損耗以及變壓器兩側(cè)電壓的波動情況。結(jié)果表明電動汽車的接入量對變壓器的損耗值、低壓側(cè)的電壓有著不同的影響；充電時間以及充電機到變壓器的距離影響著變壓器高壓側(cè)的電壓變化。

電動汽車；低壓變壓器；電壓變化

0 引言

隨著國家大力推行電動汽車的發(fā)展，電動汽車充電站的建立已是當務(wù)之急。當電動汽車EV（Eletric Vehicle）需要電網(wǎng)對其充電時，充電站的作用是將電能轉(zhuǎn)換為維持汽車繼續(xù)行駛所需要的化學(xué)能，是對電動汽車續(xù)航能力的補給[1-2]。智能電網(wǎng)SG（SmartGrid）在發(fā)展中就兼顧了EV與SG之間的雙向互動的特性（即充放電）。由此可見，EV充放電站將在SG的建設(shè)中發(fā)揮更大的作用，EV對電網(wǎng)負荷特性等方面的影響將會更加明顯。為了分析EV對電網(wǎng)負荷特性的影響程度需要研究與之相關(guān)的充電技術(shù)，這樣既有利于站端的優(yōu)化設(shè)計，又對SG的快速發(fā)展有著巨大的推動促進作用。

1 電動汽車充電模式

現(xiàn)階段，單向充電是EV充電方式中比較常見的模式，在電網(wǎng)眾多的用電設(shè)備中EV作為比較特殊的一環(huán)，在該模式下經(jīng)由電網(wǎng)終端的充電機進行充電。北京奧運會期間使用的電動汽車就采用了單向變流的技術(shù)來實現(xiàn)自行充電。當EV成規(guī)模地投用于日常生活中時，在電網(wǎng)用電高峰時段相當于大的用電負荷，此時這種充電模式對電網(wǎng)調(diào)峰極其不利。該模式的實現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 單向充電模式示意圖

2 智能電網(wǎng)中電動汽車可實現(xiàn)的功能

2.1 移峰填谷

當EV逐漸成為日常工作生活中不可缺少的必需工具時，它所具有的雙向負荷以及可移動的儲能單元等特性在SG發(fā)展中體現(xiàn)著重要的調(diào)節(jié)作用。在白天的用電低谷時段EV可作為用電負荷使用達到吸收電能的作用，在晚上的用電高峰時段EV可通過充放電站向電網(wǎng)傳輸電能。這樣的充放電設(shè)計可以最大程度地開發(fā)EV的儲能能力，同時實現(xiàn)了節(jié)約用戶日常開銷、減少電廠調(diào)峰投資、降低調(diào)峰電廠的閑置率、實現(xiàn)負荷的移峰填谷。

2.2 調(diào)頻

為使運行中的系統(tǒng)發(fā)出的功率和負荷吸收的電能處在平衡的水平之上，需總體調(diào)控電網(wǎng)頻率的變化波動，而電網(wǎng)負荷大小的改變就直接影響著頻率的變化。在用電的高峰時期，電網(wǎng)頻率降低，可通過EV對電網(wǎng)輸送電能調(diào)節(jié)頻率，在低谷時段電網(wǎng)頻率升高，通過作為負荷的EV吸收電能進行調(diào)節(jié)，并且EV具有極快的響應(yīng)速度，這樣的功效可以作為傳統(tǒng)調(diào)頻電廠的補充。并且EV放電時可視作為一種獨立于系統(tǒng)的分布式電源，當其規(guī)模發(fā)展時，大量EV的使用均能參與到電能的雙向傳輸服務(wù)之中?？梢?，EV調(diào)頻功能的實現(xiàn)極大地提高了電網(wǎng)對頻率調(diào)整的響應(yīng)速度。

2.3 用作應(yīng)急電源

當電網(wǎng)出現(xiàn)臨時性的中斷電源等緊急情況時，EV可通過雙向傳輸功能的實現(xiàn)來保證電網(wǎng)對重要負荷的持續(xù)供電，這樣不僅節(jié)省了電網(wǎng)對應(yīng)急供電裝置的投入資金，更重要的是可及時恢復(fù)電網(wǎng)運行中重要的資料數(shù)據(jù)用于備份，確保電網(wǎng)不受斷電的影響?？梢?，當EV作為應(yīng)急電源使用時可大大提高電網(wǎng)供電的可靠性。

2.4 接納新能源發(fā)電

在SG的規(guī)劃建設(shè)中，諸如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)是其中重要的一環(huán)，新能源發(fā)電具有波動性（如受時間的影響），這樣接入電網(wǎng)會造成頻率出現(xiàn)波動，會影響電網(wǎng)的運行的穩(wěn)定性。這時作為可實現(xiàn)雙向傳輸功能的EV就可以平抑新能源接入所產(chǎn)生的功率波動，減少調(diào)峰機組，降低電網(wǎng)總體投資。

隨著SG的發(fā)展建設(shè)，當EV規(guī)?；l(fā)展之后，具有移峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻、應(yīng)急供電、平抑擾動等功能，并且最大程度地實現(xiàn)了對電能的合理分配和利用，使得EV在雙向模式下達到傳統(tǒng)電網(wǎng)運行所無法實現(xiàn)的經(jīng)濟性和高效性[3-6]。

3 變壓器損耗介紹

由于在多級電網(wǎng)中變壓器數(shù)量多容量大，所以在電能的傳輸中變壓器所產(chǎn)生的電能損耗值也較大。變壓器的鐵耗是空載電流所產(chǎn)生的有功損耗，也是變壓器的空載損耗。變壓器銅耗是短路電壓所產(chǎn)生的有功損耗，也是變壓器繞組的總損耗。變壓器的損耗還包括漏磁損耗等，但是在電網(wǎng)損耗的研究中以銅耗和鐵耗為主要損耗[7-10]。

3.1 雙繞組變壓器

雙繞組變壓器的等值電路圖可近似為“?！毙碗娐?，此處只研究了雙繞組變壓器的鐵耗和銅耗，如圖2所示。

圖2 變壓器Γ型等效電路

變壓器繞組支路產(chǎn)生的損耗為

變壓器勵磁支路產(chǎn)生的損耗為

式中：I——歸算到高壓側(cè)的變壓器負荷電流，A；

P2、Q2——分別為變壓器繞組支路電阻消耗的有功和電抗消耗的無功，單位為kW、kvar；

RT、XT——變壓器繞組支路的電阻值和電抗值，Ω；

U1，U2——為變壓器首端電壓和末端電壓，kV；

ΔPCu、ΔQCu——為變壓器的有功、無功銅耗，單位為kW、kvar；

ΔPFe、ΔQFe——為變壓器的有功、無功鐵耗，單位為kW、kvar；

RT、XT、GT、BT——分別為歸算到高壓側(cè)的等值電阻、電抗、電導(dǎo)、電納值。

3.2 三繞組變壓器

圖3為三繞組變壓器的等值電路圖，三繞組變壓器損耗的計算方法與之前介紹的雙繞組變壓器類似，其總損耗為空載損耗與短路損耗之和，公式見式（3）、式（4）。

圖3 三繞組變壓器的等值電路

式中：ΔP0——變壓器的空載損耗，kW；

RT1、RT2、RT3——變壓器三側(cè)繞組的等值電阻，Ω；XT1、XT2、XT3——變壓器三側(cè)繞組的等值電抗，Ω；

I0%——變壓器的空載電流百分比；

Se——三繞組變壓器的額定容量值，kVA。

4 仿真分析

如圖4是五臺山電動汽車充電站站內(nèi)配置圖，由茹豆線供電，共15個充電車位（充電功率為40 kW），站內(nèi)低壓配電變壓器容量為1 000 kVA。

本次仿真利用軟件PSASP進行，將站內(nèi)參數(shù)錄入，運用軟件中的損耗計算以及潮流計算等功能進行分析。

電動汽車接入量直接影響著低壓配電變壓器的損耗值。通過損耗計算分析，結(jié)果如表1所示。

表1 電動汽車不同接入量情況下的變壓器損耗

圖4 充電站車位分布圖

表1顯示了當電動汽車的接入量由10%增加到40%的過程中，變壓器銅耗較最初10%接入量增加了近170%，相反鐵耗的變化幅度不明顯，由式（1）可知，這是由于總負荷電流由15 A增長為600 A，負荷電流逐漸增大，同時電流的平方值與變壓器的銅耗成正比，故變化幅度較大。由式（2）可知，變壓器鐵耗與所處電網(wǎng)的運行電壓有關(guān)，而充電站變壓器低壓側(cè)運行電壓維持在400V，故鐵耗變化較小。同時也可以看出銅耗、鐵耗之和基本為變壓器的總損耗量。變壓器的這些損耗特性都應(yīng)該在SG高效、經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定的運行中所考慮。

設(shè)置電動汽車的一種充電模式（模式1），此時在3個時間段內(nèi)11:00—13:00、19:00—21:00、15:00—17:00安排EV在充電位進行充電，記錄變壓器高壓側(cè)電壓的變化趨勢，如圖5所示。

圖5 配電變壓器高壓側(cè)電壓變化曲線

從圖5可以看出EV充電時，充電機與配電變壓器之間的距離對高壓側(cè)的電壓變化有影響，當充電距離越遠時，配變高壓側(cè)的電壓越低，當充電距離越近時，高壓側(cè)的電壓越高。還可以看出充電時間也對電壓變化有影響，11:00—13:00和19:00—21:00是用電高峰期，此時對EV充電會使電網(wǎng)電壓降低，由于晚上用電量較中午更大，所以晚上充電時電壓較中午充電更低。反觀下午15:00—17:00是用電低谷時段，此時EV充電對電壓影響較小。

設(shè)置電動汽車的另一種充電模式（模式2），記錄在工作時間段內(nèi)充電時變壓器低壓側(cè)電壓的變化趨勢，如圖6所示。

圖6 配電變壓器低壓側(cè)電壓變化曲線

圖6反映了在工作時段內(nèi)充電時EV接入量的不同對變壓器低壓側(cè)電壓的影響?？梢钥闯鯡V接入量在由10%增加到40%的過程中，變壓器低壓側(cè)電壓表現(xiàn)出由高到低的變化趨勢，即電動汽車接入量越大，變壓器低壓側(cè)的電壓越低。

通過模式1和模式2的比較分析可以看出，模式1能夠全面地分析高壓側(cè)的電壓變化情況，模式2能夠分析低壓側(cè)的電壓變化情況；模式1可分析充電距離、充電時間對電壓的影響，模式2可分析充電負荷（EV接入量）對電壓的影響；2種充電模式都對分析站端變壓器的電壓變化有著指引作用[11-13]。

5 結(jié)論

本文首先介紹了電動汽車的發(fā)展前景以及可實現(xiàn)的2種充電模式。通過設(shè)置電動汽車的多種充電條件，根據(jù)不同的接入量以及各時間段中充電車位的充電情況，分析了低壓變壓器的損耗和兩側(cè)電壓變化趨勢。可以看出在未來智能電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)中，引導(dǎo)用戶非高峰時段充電有利于電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)，合理安排電動汽車的接入量也可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。所得結(jié)論對于電動汽車的研究具有一定的參考價值。

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The Analysis on the Effects of Electric Vehicle on Low Voltage Transformer

YAO Yue，LV Chen-xu，ZHOU Qian
（State Grid Xinzhou Power Supply Company，Xinzhou，Shanxi 034000，Chin）

Vigorous developmentofelectric vehiclesand their charging stationswillhave a greater impacton the stable operation of low-voltage transformer.By simulating the status of electric vehicle being accessed to station，the transformer losses in the process of charging and the fluctuations of both sides voltage are analysed.The results show that differentamountof vehicles accessed has different impacts on transfomer lossand the voltage at low voltage side；and different charging time and the distance between the transformer and chargingmachineaffectvoltagevariation of thehigh-voltage sideof the transformer.

electric vehicle；low voltage transformer；voltage change

TM711

B

1671-0320（2014）05-0042-04

2014-05-20，

2014-07-21

姚岳（1985-），男，山西忻州人，2012畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)專業(yè)，碩士研究生，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制；

呂晨旭（1973-），男，山西忻州人，2003畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)專業(yè)，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)保護；

周茜（1986-），女，山西忻州人，2008年畢業(yè)于山西大學(xué)，助理工程師，從事電氣專業(yè)工作。