電動(dòng)汽車充電對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的影響研究

湯佩文　陳余壽　姜天翔

摘 要：由于人類過度使用石化燃料，溫室氣體的大量排放致使全球氣候發(fā)生極端變化，其中汽車排放占據(jù)了相當(dāng)大的比重。目前，純電動(dòng)汽車被認(rèn)為是一種降低碳排放的行之有效的方式。隨著電動(dòng)汽車逐步大規(guī)模進(jìn)入我們的生活，其對(duì)電網(wǎng)的影響不可忽視。文章將從電壓、諧波這兩個(gè)方面，模擬、分析電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的影響。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；配電網(wǎng)絡(luò)；電網(wǎng)電壓；電能質(zhì)量

1 研究背景介紹

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，全球汽車保有量正與日俱增，針對(duì)燃油動(dòng)力汽車產(chǎn)生的尾氣造成的全球氣候極端變化，電動(dòng)汽車的發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)全球性的共識(shí)。世界各國(guó)都正在大力開展電動(dòng)汽車，充電系統(tǒng)等的計(jì)劃和建設(shè)。我國(guó)已確定到2020年擁有電動(dòng)汽車500萬輛，約占世界電動(dòng)汽車總量的35%。如此龐大數(shù)量的電動(dòng)汽車，將會(huì)對(duì)我們的電網(wǎng)產(chǎn)生不容忽視的影響。

傳統(tǒng)意義上的電網(wǎng)是由連接在高壓側(cè)的大型發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生電能，經(jīng)過變壓，傳輸設(shè)備送達(dá)用戶端。隨著新能源的大規(guī)模利用，越來越多的嵌入式發(fā)電機(jī)將聯(lián)入配電網(wǎng)（我國(guó)35KV以下）。文獻(xiàn)[1]中指出，相當(dāng)比例的嵌入式發(fā)電機(jī)會(huì)引發(fā)反向潮流、電壓波動(dòng)、電能質(zhì)量下降、接地故障等級(jí)升高、二次保護(hù)系統(tǒng)故障、相-相間電壓及電流不平衡等一系列問題。在配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，電網(wǎng)電壓控制顯得尤為重要，這直接影響到了電網(wǎng)運(yùn)行和用戶用電的安全。本文對(duì)此將加以分析，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行，提出建議。

與此同時(shí)，由于電動(dòng)汽車趨于大規(guī)模普及，大量充電設(shè)備（電力電子器件）也將大規(guī)模的并入未來電網(wǎng)。然而這些電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波，更加成為影響電網(wǎng)電能質(zhì)量所不可忽視的重要原因之一。文獻(xiàn)[2]提出，多個(gè)電動(dòng)汽車充電設(shè)備并入電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的總諧波失真THD增加。而文獻(xiàn)[3]卻提出相反的觀點(diǎn)，認(rèn)為由于諧波相互抵消的作用，多個(gè)電動(dòng)汽車充電器并網(wǎng)后的總諧波失真會(huì)小于單個(gè)充電器所引起的總諧波失真。所以，本文旨在調(diào)查研究當(dāng)單個(gè)或多個(gè)相同種類的電動(dòng)汽車充電設(shè)備并入電網(wǎng)后，對(duì)諧波幅值的影響，并且基于電網(wǎng)運(yùn)行的角度，提出合理建議，意在提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

2 配網(wǎng)模型建立

所建立的配電網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模型如圖1所示。

此模型是一個(gè)從35KV電壓等級(jí)開始直至380V/220V 用戶端的配網(wǎng)模型。35/10KV變電站（此變壓器為：載調(diào)壓變壓器OLTC）有6個(gè)10KV的供電端口，每一個(gè)供電端口支持8個(gè)10KV/380V的變壓器，每一臺(tái)變壓器又包含4個(gè)供電端口，通過其對(duì)用戶供電。為了簡(jiǎn)化模型，各電壓等級(jí)的供電端口只有一條被具體描述，其余全部等效成相應(yīng)的負(fù)載。

3 電壓分析

電動(dòng)汽車充放電根據(jù)功率大小不同分為三類：快速充電（50 kW），三項(xiàng)充電設(shè)備（23kW） 和單項(xiàng)家庭充電（3kW）。本文選取3 kW單項(xiàng)家庭充電為對(duì)象，對(duì)不同電動(dòng)汽車保有率下，在峰、谷時(shí)段聯(lián)入電網(wǎng)情形下，模擬、分析電網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)的電壓變化情況。本文應(yīng)用了ERACS電力系統(tǒng)分析軟件，對(duì)極端負(fù)載情況下的電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析：電動(dòng)汽車在峰電時(shí)刻充電，在用電低谷時(shí)刻放電至電網(wǎng)。

峰、谷電時(shí)刻電動(dòng)汽車充電：

圖2表示了在0%， 20%和30%電動(dòng)汽車在峰電時(shí)刻充電的配網(wǎng)結(jié)點(diǎn)電壓?？梢钥闯?，在20%電動(dòng)汽車充電的情況下，由于載調(diào)壓變壓器工作，10KV等級(jí)的電壓被控制在最小電壓容限-5%以上。但是當(dāng)30%的電動(dòng)汽車充電時(shí)，在節(jié)點(diǎn)9，10上的電壓超過了最小容限。

圖3為谷電時(shí)刻，不同電動(dòng)汽車保有率的情況下，向電網(wǎng)放電。假設(shè)未來電力電子設(shè)備將允許雙向電流通過。在380V電壓等級(jí)下，保有率20%的電動(dòng)汽車向電網(wǎng)充電，此時(shí)遠(yuǎn)端結(jié)點(diǎn)電網(wǎng)電壓已經(jīng)接近最大容限+10%。而當(dāng)30%的電動(dòng)汽車向電網(wǎng)充電，380V電壓等級(jí)的結(jié)點(diǎn)上的電壓，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，超出了配網(wǎng)最大+10% 電壓容限，將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全。

4 電能質(zhì)量

單相整流和三相整流技術(shù)分別被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車家庭充電和公共場(chǎng)所三相充電，本文將在Matlab/Simulink中對(duì)這兩種整流設(shè)備進(jìn)行模擬，并通過FFT觀察、分析輸出總諧波失真（THD）。

4.1 基本整流電路的頻譜分析

圖4是基本的單相整流電路頻譜分析結(jié)果，該電路由交流電源通過降壓變壓器降壓，經(jīng)單相橋整流后向電池充電，其總諧波失真達(dá)到了12.46%。

圖5是三相橋式整流電路頻譜分析結(jié)果，與單相橋式整流電路相比，失真度較低。

4.2 多個(gè)充電器并網(wǎng)的影響

為了驗(yàn)證多個(gè)充電器并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，這里選取離10KV/380V變壓器最遠(yuǎn)的結(jié)點(diǎn)17作為研究對(duì)象。首先連接一個(gè)充電器模型在結(jié)點(diǎn)17，通過FFT測(cè)量電流失真率。隨之將第二、三、四個(gè)相同充電器連接在同一結(jié)點(diǎn)，觀察THD。

在單相橋式整流電路中，由于電池電壓的改變，整流電路輸出的電壓包絡(luò)占空比隨之不斷發(fā)生變化。而不同的占空比決定了THD 和所產(chǎn)生的各種諧波的相角。為了模擬、研究多種情況下的電網(wǎng)諧波效應(yīng)，電池電壓將不斷被改變，以至于占空比不斷變化。這里第一個(gè)充電器選取中間電壓。接著，第二個(gè)充電器并聯(lián)在同一結(jié)點(diǎn)，同時(shí)不斷變化其電池電壓，找出最小的THD。以此類推，連接第三、四個(gè)充電器，算出最小的THD。得出結(jié)果如圖6。

三相橋式整流電路與單相整流電路同樣的原理，由于電池電壓的改變，整流電路的占空比不斷發(fā)生變化。而不同的占空比決定了THD。應(yīng)用同樣的實(shí)驗(yàn)方法，得到的結(jié)果如圖7。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同電壓情況下，由于諧波之間的相互作用（抵消），THD的比率不斷下降并趨于平緩。

基于以上實(shí)驗(yàn)，如果記錄在最小THD情況下，各個(gè)電動(dòng)汽車電池組電壓，并依此作為統(tǒng)籌控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)中央統(tǒng)籌控制，電網(wǎng)的電能質(zhì)量將有望被提高。該驗(yàn)證結(jié)果對(duì)以后電網(wǎng)的電能質(zhì)量管理將具有一定的借鑒作用。

5 結(jié)束語

隨著電動(dòng)汽車應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓、電能質(zhì)量等造成潛在的不利影響。本文對(duì)電網(wǎng)在不同電動(dòng)汽車保有率充電情況下影響電網(wǎng)的研究結(jié)果表明，隨著充電設(shè)備大規(guī)模的接入電網(wǎng)，所產(chǎn)生的諧波會(huì)影響電能質(zhì)量。通過分析軟件模擬分析證明，必須有效的調(diào)配電動(dòng)汽車的充電計(jì)劃，才能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生積極的影響，以確保電網(wǎng)安全、正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]David Johnston， Edward Bentley， Mahinsasa Narayana， Tianxiang Jiang， Pasist Suwanapingkarl， Ghanim Putrus.“ Electric Vehicles as Storage Devices for Supply-Demand Management” VPPC2010 Conference Sept 1-3 France，2010.

[2]Bass，R.， Harley，R.， Lambert，F(xiàn).， Rajasekeran，V.， Pierce，J. “Residential Harmonic Loads and EV charging” IEEE Power Engineering Society Winter Meeting 2001 vol.2 pp 803-8

[3]Yanxia， L.， and Jiuchun，J.“Harmonic Study of Electric Vehicle Chargers”： ICEMS 2005， Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems， Sept. 2005 vol.3 pp2404-2407.

*通訊作者：陳余壽（1962-），男，江蘇南京人，本科，講師，研究方向：電子應(yīng)用技術(shù)。