*1基于數(shù)學(xué)模型對電動汽車接入電網(wǎng)及微電網(wǎng)問題的研究

劉繼軍,喬俊福

(1.太原工業(yè)學(xué)院,山西 太原 030008; 2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室 030051)

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*1基于數(shù)學(xué)模型對電動汽車接入電網(wǎng)及微電網(wǎng)問題的研究

劉繼軍1,喬俊福2

(1.太原工業(yè)學(xué)院,山西 太原 030008; 2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室 030051)

〔摘要〕文章簡要論述了電動汽車現(xiàn)如今和未來的發(fā)展情況,對電動汽車自身的負(fù)荷特點(diǎn)、接入傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來的問題和應(yīng)對策略進(jìn)行初步研究,并對微網(wǎng)這種新型的電網(wǎng)組成聯(lián)接方式進(jìn)行深入研究,對電動汽車接入微網(wǎng)的優(yōu)勢進(jìn)行了分析,重點(diǎn)對一般微網(wǎng)蓄電池和電動汽車接入微網(wǎng)充放電狀態(tài)的荷電量進(jìn)行了模型分析．

〔關(guān)鍵詞〕電源模型;電動汽車;微電網(wǎng)

0引言

電動汽車作為汽車發(fā)展的方向已被公認(rèn)．隨著電池存儲密度的提高、電機(jī)性能及其控制系統(tǒng)的優(yōu)化等電動汽車關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步,以及節(jié)能減排等積極政策的支持,電動汽車作為新能源汽車的代表得到大力發(fā)展．據(jù)專家預(yù)測,到2040年電動汽車產(chǎn)能將占全球汽車產(chǎn)能的一半以上[1]．電動汽車在世界各國都得到了關(guān)注和發(fā)展,在美國由能源部實施了EV project計劃,免費(fèi)為電動汽車的家庭用戶建設(shè)充電樁,以此來促進(jìn)電動汽車的使用．在我國,科技部牽頭開展“十城千輛”計劃,計劃用3年左右時間,以每年10個城市,每個城市推出一千輛電動汽車開展示范運(yùn)行的方式來推進(jìn)電動汽車的發(fā)展．以太原市為例,僅2015年建成并投入使用的大型充電場站就有3座,充電樁3 000余個,并以出租汽車的電動化為示范運(yùn)營,以此帶動電動汽車行業(yè)發(fā)展．

然而,電動汽車自身特性決定了電動汽車大規(guī)模接入將對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成影響．電動汽車作為分布式的微儲能單元接入電網(wǎng)后,將其由放射狀網(wǎng)絡(luò)變成和用戶互聯(lián)的分布式復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),影響其運(yùn)行特性的同時也影響其安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行．

1電動汽車負(fù)荷特性及其影響

1.1受電動汽車用戶行為不確定的影響

電動汽車接入電網(wǎng)的時間和頻率具有較大的隨機(jī)性和不可預(yù)測性,大量電動汽車在負(fù)荷高峰期的接入,將加劇電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差,在負(fù)荷低谷大量接入,又將帶來新的用電高峰,引起負(fù)荷的不平衡的同時增加了預(yù)測難度．未來,此類負(fù)荷的空間分布也將具有很大不確定性和隨機(jī)性,用戶很難與電網(wǎng)進(jìn)行安全有效的互動．僅僅通過經(jīng)濟(jì)和市場行為來對其影響無法得到明顯效果．

1.2電動汽車充電負(fù)荷具有非線性的特點(diǎn)

電動汽車在充電過程中的整流裝置會產(chǎn)生大量諧波,造成諧波污染,降低功率因素,對電能質(zhì)量造成負(fù)面影響．

1.3電動汽車的能源獲得來源為充電電池

其作為負(fù)荷可以從電力網(wǎng)絡(luò)汲取電能,由于其儲能特性還可以通過V2G(電動汽車入網(wǎng)技術(shù))向電網(wǎng)輸送能量,一定程度上影響電網(wǎng)負(fù)荷總體的平衡,但此影響在調(diào)節(jié)干預(yù)下可轉(zhuǎn)化為正面影響和調(diào)節(jié)．

2應(yīng)對策略

2.1針對電動汽車負(fù)荷空間分布不均帶來的過負(fù)荷問題

從對配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)、負(fù)荷及三相平衡影響方面提出系統(tǒng)影響分析框架,如圖1所示．以此為基礎(chǔ),針對電動汽車對配電網(wǎng)影響提出,在總電流限制范圍內(nèi)要盡可能增加每輛電動汽車充電電流,以縮短充電時間[2]．要保證總電流需求量不超載,必須要通過計算機(jī)智能判斷來對每個單位的充電時機(jī)、電流大小、時間長短進(jìn)行協(xié)調(diào)．

圖1　系統(tǒng)影響分析框架

2.2針對電動汽車帶來的諧波污染問題

提出以下對策:1)加裝濾波裝置來對諧波進(jìn)行站內(nèi)就地治理;2)提高系統(tǒng)的諧波承受力,加裝無功補(bǔ)償裝置;3)提高換流裝置相數(shù)來降低諧波電流有效值．

2.3從影響電網(wǎng)負(fù)荷平衡的角度考慮

對充放電過程進(jìn)行技術(shù)上和制度上的協(xié)調(diào)控制和調(diào)度,這樣不僅可以減少電動汽車接入對電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響,還可以降低充電成本及網(wǎng)損,移峰填谷,減少風(fēng)能等新能源發(fā)電方式的間歇性．V2G與一般型發(fā)電機(jī)相比在峰值調(diào)節(jié)和負(fù)荷調(diào)節(jié)上略顯不足,但隨著電網(wǎng)控制技術(shù)的進(jìn)步,其在調(diào)節(jié)和備用上有很大發(fā)展?jié)摿Γ畬嶒炞C明其聯(lián)網(wǎng)時平穩(wěn)快速的響應(yīng)能起到很好的熱備用作用,可以實現(xiàn)從隔離方式轉(zhuǎn)換到和電力網(wǎng)絡(luò)同步互聯(lián),結(jié)束后的相位角差很?。?/p>

3電動汽車接入微電網(wǎng)

1)微電網(wǎng)是相對于傳統(tǒng)大電網(wǎng)而言的也被稱為分布式能源孤島系統(tǒng),是分布式電源和負(fù)載按照一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),通過靜態(tài)開關(guān)和大電網(wǎng)建立關(guān)聯(lián)[3]．微電網(wǎng)可以實現(xiàn)自我管理、控制和保護(hù),既可與外電網(wǎng)并網(wǎng),也可孤立運(yùn)行,是智能電網(wǎng)的重要組成．通常是將新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能單元裝置、能量轉(zhuǎn)換單元裝置、負(fù)荷與監(jiān)控單元裝置、保護(hù)單元裝置集合構(gòu)成的小型發(fā)配電系統(tǒng)．微電網(wǎng)相對于外部傳統(tǒng)電網(wǎng)來說是一個可調(diào)大小的智能負(fù)載,為電力系統(tǒng)充當(dāng)可調(diào)度負(fù)荷,可以在短時間內(nèi)做出滿足系統(tǒng)需要的響應(yīng),為系統(tǒng)提供適時支撐．對于用戶來說微電網(wǎng)是一種可定制電源,可以滿足各類需求,如降低饋電損耗、支持本地電壓、利用廢熱提高效率、電壓下陷調(diào)整等．

2)電動汽車接入微網(wǎng)相比直接接入電網(wǎng)可解決負(fù)荷不平衡、電網(wǎng)優(yōu)化難度增加、電能質(zhì)量降低、電網(wǎng)規(guī)劃復(fù)雜等問題．微網(wǎng)控制單元可合理安排每輛電動汽車的充放電時間,避免集中充電．微網(wǎng)采用分層控制,大電網(wǎng)與微網(wǎng)控制單元交互由控制單元來實時調(diào)度控制,降低優(yōu)化控制難度．由于電動汽車是通過微網(wǎng)接入電網(wǎng),電網(wǎng)規(guī)劃可以從微網(wǎng)層面來考慮,減小規(guī)劃難度．同時電動汽車也可為微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定方面發(fā)揮積極作用,如平抑分布式電源出力波動、替代部分微網(wǎng)蓄電池功能等．

3)電動汽車接入微網(wǎng),由其特點(diǎn)分析可知相比于一般微網(wǎng)蓄電池有以下優(yōu)勢:①購置費(fèi)用車主負(fù)擔(dān),減少微電網(wǎng)系統(tǒng)的儲能單元投入;②具有明顯的時段聚集性和分散性,通過對區(qū)域電網(wǎng)及微電網(wǎng)的總體策略控制和調(diào)度及政策影響,可以平衡微網(wǎng)的發(fā)電量與負(fù)荷需求量;③具有快速充放電特性,電能雙向流動的特點(diǎn)適合短期快速調(diào)用;④具有可移動性,一定程度上可將便宜、充足的電能轉(zhuǎn)送至供應(yīng)不足、價格昂貴處．電動汽車有Smax,Smin,Slow,Sup荷電狀態(tài)(state of charge),分別為充放電量的上限、下限,放電量最低、最高限制值,汽車在某時刻荷電量EEV(t)必須滿足Smin≤EEV(t)≤Smax來保持汽車電池持續(xù)利用,接入微網(wǎng)需同時滿足Slow≤EEV(t)≤Sup來保障汽車能夠正常行駛[4]．

4)微網(wǎng)的發(fā)電單元模型主要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池、蓄電池、電動汽車等分布式電源．其中風(fēng)力、光伏類電源屬于不可調(diào)度范疇,燃?xì)?、燃料類發(fā)電同時產(chǎn)生熱能屬于可調(diào)度范疇,蓄電池類屬于儲能單元,這里僅對儲能部分進(jìn)行模型分析．圖2為一種含電動汽車的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖．

圖2　電動汽車微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.1一般微電網(wǎng)蓄電池電源模型

蓄電池某時刻t的荷電量由t-1時刻荷電量和該時段內(nèi)系統(tǒng)能量的供求情況決定．假設(shè)蓄電池放電效率為1,不考慮其自放電率．當(dāng)總發(fā)電量大于用電量,蓄電池充電時,其荷電量表示為:

(1)

當(dāng)總發(fā)電量大于用電量,蓄電池充電時,其荷電量表示為:

(2)

其中EB(t)和EB(t-1)為對應(yīng)時刻蓄電池電荷量,EGA(t)為t時刻系統(tǒng)提供總能量,EL(t)為t時刻負(fù)荷用電量,ηBatt為充電效率．

3.2電動汽車電源模型

電動汽車某時刻t的荷電量由t-1時刻荷電量和該時段內(nèi)充放電情況決定．當(dāng)其充電時,t時刻荷電量為:

(3)

其中EEV(t)和EEV(t-1)為電動汽車在對應(yīng)時刻的荷電量,tcharge為充電時間,ιEV為完全充滿電所需要時間,EEVmax為充電量上限．

當(dāng)電動汽車放電時,其t時刻荷電量為:

(4)

其中tdischarge為電動汽車放電時間,Pdischarge為其放電效率,ηconv為其逆變效率．

4結(jié)論

電動汽車接入微網(wǎng)和電動汽車大量接入電網(wǎng)一樣是必然趨勢和未來研究方向,電動汽車接入微網(wǎng)還有諸多關(guān)鍵問題需要研究解決．如充放電設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營方式,統(tǒng)一通信和管理平臺的建設(shè),微網(wǎng)控制中心的建立和功能確定等．解決好以上問題,電動汽車在基本技術(shù)已經(jīng)成熟的前提下即可安全接入微網(wǎng),為大電網(wǎng)和微網(wǎng)提供服務(wù)的同時獲得能量來源．

參考文獻(xiàn)：

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[3]袁越,李振杰,馮宇,等.中國發(fā)展微網(wǎng)的目的方向前景[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(1):59-63

[4]張雙樂,李鵬,陳超,等.智能電網(wǎng)中微網(wǎng)控制中心的應(yīng)用研究[J].陜西電力,2012,40(9):1-4

Mathematical Model of Electric Vehicle Connected to the Grid and Micro-grid-Based Problems

LIU Jijun1， QIAO Junfu2

(1.Taiyuan institute of technology, Taiyuan 030008;2. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University 030051, China)

〔Abstract〕This article briefly discusses the electric car now and future developments, preliminary study about problems caused by electric vehicles own load characteristics and the traditional power grid access and coping strategies to them, depth study focusing on the new micro-grid network consisting connection. Advantages of electric cars access to micro-grid is analyzed. It also performs the model analysis on usually micro-grid battery and access to micro-grid electric car charging and discharging state of the battery charge.

〔Key words〕power model;electric vehicle; micro grid

*收稿日期：2015-12-14

基金項目：山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項目(2013162).

作者簡介：劉繼軍(1983-),男,山西盂縣人,碩士,太原工業(yè)學(xué)院講師,主要從事電力系統(tǒng)自動化研究.

〔文章編號〕1672-2027(2016)01-0031-04〔中圖分類號〕TM711

〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A