充電站對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析

童偉　毛弋　陳萍　陳艷平　張毅磊

摘 要 大量的充電站接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，而電動(dòng)汽車采用不同的充放電模式對(duì)電網(wǎng)的影響與諧波污染不同.本文設(shè)計(jì)了充電機(jī)等效充放電模型以及電路中各參數(shù)數(shù)值，根據(jù)V2G原理與充放電機(jī)等效模型，研究了充電機(jī)充放電過程對(duì)電網(wǎng)的諧波影響.通過simulink仿真分析了多輛電動(dòng)汽車共用一個(gè)充電機(jī)和多個(gè)充電機(jī)同時(shí)放電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響.分析結(jié)果表明當(dāng)采用多臺(tái)充電機(jī)同時(shí)充放電，并且每臺(tái)充電機(jī)有多臺(tái)電動(dòng)汽車同時(shí)放電時(shí)，有利于減少充電站對(duì)電網(wǎng)的諧波污染.通過對(duì)仿真結(jié)果的分析提出了幾種可行性對(duì)策，使諧波影響降到最小.

關(guān)鍵詞 電動(dòng)汽車；諧波；充電機(jī)；V2G

中圖分類號(hào) TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-2537（2015）03-0058-05

石油資源匱乏的危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的緊迫需求，促使著汽車工業(yè)勢(shì)必朝著零排放、低噪聲和綜合利用能源的方向發(fā)展，積極地研發(fā)生產(chǎn)電動(dòng)汽車是解決這個(gè)日益嚴(yán)重問題的最佳途徑，其中純電動(dòng)汽車被普遍認(rèn)為是未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向[1].

但是，大量的電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和規(guī)劃產(chǎn)生一些負(fù)面影響[2]：（1）電負(fù)荷增加，尤其大量電動(dòng)汽車在用電高峰期充電會(huì)增加峰谷差，造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰；（2）電動(dòng)汽車蓄電池充放電設(shè)備充放電時(shí)具有非線性， 這將導(dǎo)致充放電時(shí)產(chǎn)生很大的諧波污染，供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量將受到影響；（3）負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，增加了電網(wǎng)規(guī)劃的難度[3].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車充電時(shí)諧波污染情況進(jìn)行了較多研究，而對(duì)電動(dòng)汽車向電網(wǎng)放電時(shí)的諧波污染情況分析較少[4].因此，本文重點(diǎn)研究多臺(tái)充電機(jī)放電過程對(duì)電網(wǎng)的影響，通過仿真分析多臺(tái)充電機(jī)共用一個(gè)充電樁和多個(gè)充電樁同時(shí)放電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響，提出了幾種可行性對(duì)策，使諧波影響降到最小[5-6].

1 V2G技術(shù)介紹

充電機(jī)放電主要是V2G技術(shù)的應(yīng)用，V2G全稱是Vehicle-to-grid，它描述的是這樣一個(gè)系統(tǒng)：當(dāng)混合電動(dòng)車或者純電動(dòng)汽車沒有運(yùn)行的時(shí)候，可以通過鏈接到電網(wǎng)的電動(dòng)馬達(dá)將汽車中多余的能量賣給電網(wǎng)，反過來，當(dāng)電動(dòng)車的電池需要充電時(shí)，電網(wǎng)可以發(fā)送電流給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)在受控狀態(tài)下電動(dòng)汽車的能量與電網(wǎng)之間的雙向互動(dòng)和交換[7].V2G技術(shù)可以應(yīng)用于任何可網(wǎng)絡(luò)化的車輛，也就是插電電動(dòng)汽車（Plug-in Electric Vehicle， PEV）或者插電混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle， PHEV）.因?yàn)榇蟛糠值碾妱?dòng)汽車平均有95%的時(shí)間都是停著的，這些沒有工作的汽車電池可以將電能輸給電網(wǎng)[8].目前研究最多的還是利用車載電池來處理電網(wǎng)的高峰低谷負(fù)荷均衡問題，雖然研究表明電池組不適合對(duì)電網(wǎng)提供基本電力，但是V2G車輛對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻的作用還是非常有吸引力的[9].理想中的V2G車輛是能在非高峰時(shí)段自動(dòng)給蓄電池充電，在高峰時(shí)段對(duì)電網(wǎng)放電、售電，以替代效率較低的調(diào)峰電廠.因?yàn)榛痣姀S在接到調(diào)峰信號(hào)后，需要較長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間，然而高性能車載動(dòng)力蓄電池對(duì)信號(hào)的反應(yīng)速度能達(dá)到毫秒級(jí)別[10].

顯然，單臺(tái)電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足電網(wǎng)調(diào)峰的要求.但是通過智能化的電網(wǎng)平臺(tái)，分散的電力資源即可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?例如，假設(shè)我們將10，000輛平均存儲(chǔ)容量為15 kWh的V2G電池車接入電網(wǎng)，可以獲得30 MW容量，30 MW對(duì)于基本電網(wǎng)電力負(fù)荷可能并不能起多大作用，但對(duì)于調(diào)頻來說作用還是不容小視，相當(dāng)于PJM系統(tǒng)中5%的調(diào)節(jié)負(fù)荷[11].

電動(dòng)汽車既可以選擇公共電網(wǎng)進(jìn)行充電，也可以選擇可再生能源（譬如風(fēng)力或太陽(yáng)能）發(fā)電作為電力來源.隨著未來新能源技術(shù)的發(fā)展，有人認(rèn)為使用這種方法后可以緩沖可再生能源發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，例如，通過將大風(fēng)期間生產(chǎn)的電能儲(chǔ)存起來和在電網(wǎng)高負(fù)荷期間將電能返回到電網(wǎng)的方式，可以很好地穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電供能的間歇性和不穩(wěn)定性[12].

2 充電機(jī)充放電對(duì)電網(wǎng)仿真分析

電動(dòng)汽車除了能夠有助于節(jié)能減排的完成，還可以幫助電力公司完成削峰填谷的作用.本文重點(diǎn)研究了電動(dòng)汽車放電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響.充電機(jī)放電原理圖如圖1所示，車載電源由控制系統(tǒng)控制后再經(jīng)逆變系統(tǒng)把直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電壓，最后接入電網(wǎng).

充電機(jī)放電仿真時(shí)，采用三相SPWM逆變電路[13].充電機(jī)等效為一個(gè)蓄電池，此仿真圖中，等效蓄電池容量為120 Ah，輸出電壓為220 V.仿真電路中電網(wǎng)電壓為10 kV.放電過程中，采取了諧波分析，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用諧波》有關(guān)規(guī)定，測(cè)量電網(wǎng)側(cè)電流諧波幅值最大的3，5，7，11，13，15，17，19次諧波的具體數(shù)值.

為了更真實(shí)地仿真充電機(jī)放電的情形，將電網(wǎng)電路等效為一個(gè)π型電路，變壓器仿真實(shí)際額定容量為1 000 kVA的10 kV級(jí)有載調(diào)壓配電變壓器.根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)架空線路LGJ—400/50參數(shù)可得其電阻、電抗和電納.其中r=0.08 Ω/km，xL=0.406 Ω/km，bC=2.81×10-6 S/km，并設(shè)一段電網(wǎng)線路的長(zhǎng)度為1.5 km，則可得：

R=rl=0.08×1.5=0.12 （Ω），

XL=xLl=0.406×1.5=0.609 （Ω），

12BC=12bcl=12×2.81×10-6×1.5=21.1×10-7 （S），

由上式計(jì)算出π型等效電路的電感和電容值：

L=XL2πf=0.6092×π×50=1.94×10-3（H），

C=BC2πf=21.1×10-72×π×50=0.672×10-8 （F）.

對(duì)于配電變壓器采用文獻(xiàn)[14]中的參數(shù)計(jì)算方法，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10288-2008《干式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》精確的仿真了額定容量為1 000 kVA的10 kV級(jí)有載調(diào)壓配電變壓器，由計(jì)算得出的各種參數(shù)運(yùn)用到simulink中進(jìn)行仿真，電路圖如圖2：