規(guī)模化電動汽車三相負(fù)荷平衡充電選線裝置與仿真分析

蘇海鋒，趙可為，李 巖，李 萌，溫和龍，王 勇

(1. 華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003；2. 內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

能源危機(jī)與環(huán)境污染是當(dāng)今世界發(fā)展過程中面臨的兩大難題，而大量的傳統(tǒng)汽車給能源危機(jī)與環(huán)境污染帶來了不可忽視的影響。電動汽車不直接消耗一次能源，因此具有效率高、低污染等優(yōu)點，在解決上述問題方面相較傳統(tǒng)汽車有著不可比擬的優(yōu)勢。但是，隨著未來電動汽車的普及，電動汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)充電，將對電力系統(tǒng)的運行與規(guī)劃造成負(fù)荷增長、電網(wǎng)運行優(yōu)化控制難度的增加和影響電能質(zhì)量等不可忽視的影響[1]。

家用通勤電動汽車(私家電動汽車)通常在日間停駛，夜間停在小區(qū)停車場，具有較長的可充電時段供選擇，因此通常采用更有利于延長電池使用壽命的常規(guī)慢速充電方式，即采用單相220V電源進(jìn)行充電。規(guī)?；郊译妱悠囋谛^(qū)車庫進(jìn)行慢速充電時，如果不采取控制措施，會造成配電系統(tǒng)三相負(fù)荷不平衡。三相平衡是電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運行的基礎(chǔ)，嚴(yán)重的三相不平衡不僅會導(dǎo)致電壓質(zhì)量不合格，還會增加電網(wǎng)損耗(線路、變壓器損耗)，甚至引發(fā)電網(wǎng)安全事故。

諸多學(xué)者針對三相不平衡問題展開了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2-4]以電動汽車充電導(dǎo)致的三相不平衡問題為研究內(nèi)容。文獻(xiàn)[2]分析了規(guī)?；妱悠嚨慕尤雽Φ湫妥≌^(qū)配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[3]針對配電網(wǎng)可能出現(xiàn)三相不平衡問題，提出了一種控制三相負(fù)荷平衡的電動汽車有序充電策略。文獻(xiàn)[4]針對規(guī)模化電動汽車接入影響配電網(wǎng)三相不平衡度的現(xiàn)象，研究了不同滲透率下電動汽車對配電網(wǎng)三相不平衡的影響。文獻(xiàn)[5]從電能質(zhì)量的角度分析單相負(fù)載不平衡運行所造成的三相電壓不平衡及危害，并從管理和技術(shù)上提出了治理措施。

文獻(xiàn)[6-10]以三相不平衡計算方法為研究內(nèi)容。文獻(xiàn)[7]講述了一種基于前推回代法對含分布式電源的配電網(wǎng)的三相不平衡潮流計算方法。文獻(xiàn)[8]針對含不同類型分布式電源的配電網(wǎng)及其三相線路參數(shù)和負(fù)荷不平衡的情況提出了一種三相配電網(wǎng)連續(xù)潮流方法。文獻(xiàn)[9]提出一種三相三線配電系統(tǒng)中基于負(fù)荷功率的、由不對稱負(fù)荷引起的三相不平衡度的實用計算方法。文獻(xiàn)[10]利用不對稱線路三序解耦補(bǔ)償模型對配電網(wǎng)進(jìn)行三相潮流計算。以上多種算法為本文對選線裝置的實際應(yīng)用效果的驗證工作提供了理論基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[11]通過動態(tài)平衡充電負(fù)荷，提高了配電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。文獻(xiàn)[12]分析了電動汽車充電對電力系統(tǒng)的影響，并給出了解決相應(yīng)問題的對策。文獻(xiàn)[13]揭示了電動汽車充電機(jī)會對電能的計量產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[14]基于車網(wǎng)互動(V2G)技術(shù)提出了一種快速的電動汽車充放電方法。文獻(xiàn)[15]基于峰谷分時電價提出了一種控制居民小區(qū)電動汽車有序充電的策略。通過以上研究結(jié)果可知，電動汽車的不合理利用會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。反之，合理地引導(dǎo)這種負(fù)荷，會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生積極的影響，可提高配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。

本文設(shè)計了一種可實現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動汽車充電機(jī)選線裝置。該裝置利用發(fā)生三相不平衡問題時三相電路中電壓參數(shù)幅值不等的特點為充電樁選擇合適的線路接入，從而可以合理地分配規(guī)模化電動汽車的充電負(fù)荷。由此可以從根本上最大限度地減小電動汽車慢速充電帶來的三相不平衡對小區(qū)配電系統(tǒng)的影響。最后，通過仿真分析驗證了該裝置具有實現(xiàn)充電負(fù)荷平衡、改善三相電壓不平衡度及降低配網(wǎng)線損的效果。

1 選線裝置的整體結(jié)構(gòu)分析

不同于居民小區(qū)常規(guī)用電負(fù)荷，電動汽車用電負(fù)荷受到小區(qū)居民出行規(guī)律和生活習(xí)慣的影響，具有極強(qiáng)的隨機(jī)性。即使是慢速充電(通常慢速充電功率為2～6kW)，充電功率較常規(guī)用電負(fù)荷而言也較大。如果各充電樁沒有安裝合適的選線裝置，而是采用固定的或隨機(jī)的單相接線方式，則會使小區(qū)電力系統(tǒng)在規(guī)?；妱悠嚦潆姇r出現(xiàn)嚴(yán)重的三相不平衡現(xiàn)象。

本文設(shè)計的充電接入開關(guān)裝置將選線動作設(shè)定在充電機(jī)接入電路之前。這樣不僅不會造成用電中斷等現(xiàn)象，而且可以自動地平衡電動汽車三相充電負(fù)荷。

1.1 選線裝置中各功能單元的作用及聯(lián)系

本文針對居民小區(qū)內(nèi)私家電動汽車慢速充電負(fù)荷的需求特性(單相220V充電)，設(shè)計了一種通過檢測電源接入點電壓以自動實現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動汽車充電機(jī)選線裝置，如圖1所示。

圖1 自動負(fù)荷平衡電動汽車充電機(jī)選線裝置Fig.1 Charging line selection device of electric vehicle with automatic load balance function

充電機(jī)選線裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各單元之間的相互聯(lián)系如圖1虛線框內(nèi)所示，包括微型測量電壓變換器(TV模塊)、信號調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、CPU模塊、三選一互鎖固態(tài)開關(guān)。低壓配電網(wǎng)中三相電源為三相四線制，分別為A相、B相、C相和N線，充電機(jī)單元分別與選線裝置的三選一互鎖固態(tài)開關(guān)的輸出端和三相電源的N線連接。各單元之間緊密聯(lián)系形成了一個有機(jī)的整體。

其中，TV模塊是一個微型測量電壓變換器，將220V電源電壓變換到較低電壓，以方便信號采集；信號調(diào)理模塊的作用為將TV輸出電壓變換到A/D輸入電壓范圍，同時對被采樣信號進(jìn)行濾波，抑制干擾以提高系統(tǒng)的量測精度和穩(wěn)定性；A/D采樣模塊主要包括采樣保持、多路選擇和A/D轉(zhuǎn)換三部分，實現(xiàn)模擬電壓的數(shù)字化；CPU模塊控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，選出電壓最高的一相，再控制三選一互鎖固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通電壓最高一相作為電動汽車充電電源；三選一互鎖固態(tài)開關(guān)是一個三相相互閉鎖固態(tài)開關(guān)，根據(jù)輸入控制信號，選通其中一相導(dǎo)通，其他兩相截止。

該充電機(jī)選線裝置具有如下特點：

a. 自動檢測電壓UAN、UBN、UCN，選擇電壓最高的一相作為電動汽車充電電源；

b. 電動汽車充電負(fù)荷在接入前進(jìn)行選相，接入之后持續(xù)使用該相作為充電電源，直到充電完畢，中途不再切換其他相作為充電電源，因此不存在供電中斷或電壓跌落現(xiàn)象；

c. 不需要遠(yuǎn)方控制，應(yīng)用簡便。

1.2 選線裝置工作過程

含自動負(fù)荷平衡功能的充電機(jī)選線裝置的小區(qū)停車場慢速充電系統(tǒng)示意圖如圖2所示，當(dāng)該系統(tǒng)出現(xiàn)三相不平衡現(xiàn)象時，配電變壓器三相輸出電流不一樣，從而導(dǎo)致中性線N中出現(xiàn)電流。因此中性線會產(chǎn)生電壓降，進(jìn)而導(dǎo)致中性點位移使各相電壓的大小發(fā)生變化：會產(chǎn)生負(fù)荷較大的一相電壓降較大的同時負(fù)荷較小的一相電壓降較小現(xiàn)象。利用此現(xiàn)象，當(dāng)某停車位駛?cè)胄璩潆姷碾妱悠嚂r，充電機(jī)選線裝置通過內(nèi)部各模塊之間的相互配合，選擇電壓最高的一相作為電動汽車充電電源。

圖2 私家電動汽車小區(qū)地下停車場集中慢速充電低壓配網(wǎng)接線示意圖Fig.2 Wiring diagram of centralized slow-charging low-voltage distribution network in private electric vehicle underground parking garage

選線裝置詳細(xì)工作步驟為：首先，將電源電壓變換為信號采集電壓；其次，將所述微型測量電壓變換器的輸出電壓變換到A/D輸入電壓范圍，并對采樣信號進(jìn)行濾波；再次，對濾波后的信號進(jìn)行采樣保持、多路選擇和A/D轉(zhuǎn)換；最后，CPU根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，選出三相電路中電壓最高的一相，并由三選一互鎖固態(tài)開關(guān)將此相導(dǎo)通以作為電動汽車充電電源，同時將另外兩相斷開。

由此，無需負(fù)載的通信裝置及遠(yuǎn)程控制即可實現(xiàn)三相負(fù)荷的自動平衡。

2 電動汽車負(fù)荷需求建模

關(guān)于家用緊湊型電動汽車、中高級電動汽車和SUV電動汽車的分類方式和燃油私家車關(guān)于緊湊型汽車、中高級汽車和SUV汽車的保有量比例，得到的各車型的參數(shù)和車型比例如表1所示，參考車系為日產(chǎn)Leaf、長安E30、BYDE6。

表1 各車系的參數(shù)和車型比例Table 1 Parameters and market share of different vehicles

根據(jù)私家電動汽車的出行規(guī)律和行駛里程概率密度分布函數(shù)得到私家車輛最后行程返回時刻概率分布圖和私家車輛日行駛里程概率分布圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 私家車輛最后行程返回時刻概率分布圖Fig.3 Probability distribution of returning time of last trip of private vehicle

圖4 私家車輛日行駛里程概率分布圖Fig.4 Probability distribution of driving distance during one day of private vehicles

根據(jù)私家電動汽車的用車習(xí)慣，統(tǒng)計得出的私家電動汽車谷時段有序充電假設(shè)條件如下。

(1) 電動汽車具備的開始充電時刻為最后一次出行返回時刻，開始充電時刻滿足如下正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

(1)

其中，xt為時間；期望值μS=17.6；標(biāo)準(zhǔn)差σS=3.4。

(2) 日行駛里程概率密度函數(shù)為：

(2)

其中，L為日行駛里程；期望值μD=3.20；標(biāo)準(zhǔn)差σD=0.88。

(3) 家用電動汽車動力電池的容量通常在 20～30kW·h(也有容量更大的)范圍內(nèi)呈正態(tài)分布。目前家用電動汽車動力電池以恒流-恒壓的兩階段慢速充電方法為主，恒流階段可充入電池容量的90%以上。恒流階段充電電流保持不變，電池電壓逐漸上升，且變化范圍不大。因此，仿真計算時電動汽車慢速充電功率可近似采用恒功率(如表1所示)，即充電功率PC分別取值3kW、4.8kW、15kW。

(4) 電動汽車充電時間計算公式如下：

(3)

其中，TC為充電時間長度，單位為h；W100為百公里耗電量，單位為kW·h。

3 電壓不平衡度的計算

電壓不平衡是電能質(zhì)量考核參數(shù)之一，在計算相電壓不平衡度時，GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》中規(guī)定了電壓不平衡度的計算方法。該方法需要各相電壓的大小及其相位，再依據(jù)對稱分量法計算得到正序分量和負(fù)序分量。電壓不平衡度的計算公式為：

(4)

其中，U1為三相電壓的正序分量方均根值，單位為V；U2為三相電壓負(fù)序分量方均根值，單位為V。

傳統(tǒng)輸電網(wǎng)潮流計算方法不可直接應(yīng)用于小區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)三相潮流計算，可利用文獻(xiàn)[8-9]所述的方法。計算時需得到k次迭代時負(fù)荷節(jié)點i的各相電流，如式(5)所示。

(5)

(6)

I0，1，2=AIa，b，c

(7)

(8)

4 仿真分析

圖2所示的小區(qū)地下停車場充電用低壓配電網(wǎng)所對應(yīng)的低壓配電線路參數(shù)如下：10kV/0.4kV變壓器，額定容量Sn=630kV·A，短路阻抗Vs=6%，空載電流I0=1.6%，等效電阻和電抗分別為1.567Ω和9.524Ω；0.4kV電纜，型號為YJV-0.6/1kV-4×120，每相額定載流量為270A，每相額定負(fù)荷為59.4kW，等效電阻和電抗分別為0.1809Ω/km和0.08699Ω/km，配電線路始端與第一個充電樁之間的電纜長度為50m，相鄰充電樁之間的電纜長度為5m，充電樁數(shù)量為50。

本文根據(jù)前文所述內(nèi)容，基于圖2所示的私家電動汽車小區(qū)地下車庫集中充電系統(tǒng)(充電停車位共計150個)和相關(guān)電氣設(shè)備參數(shù)，采用相關(guān)文獻(xiàn)中私家電動汽車的出行規(guī)律和行駛里程概率密度分布函數(shù)，分別進(jìn)行了不采用和采用選線裝置的2種方案的時序仿真(時間間隔為5min)。

4.1 未采用選線裝置的仿真分析

仿真方案1為未采用選線裝置的分析，得到的充電私家電動汽車分布情況為：當(dāng)天參與充電的汽車共計145輛，其中A相48輛，B相50輛，C相47輛；這些車輛的總行駛里程為8434km，總充電量為1380.4kW·h；得到的充電功率時序圖如圖5所示。

圖5 方案1各相充電功率時序圖Fig.5 Sequence diagram of charging power(Scheme 1)

電網(wǎng)正常運行時，電力系統(tǒng)公共連接點負(fù)序電壓不平衡度(國標(biāo)值)不超過2%，短時不超過4%。統(tǒng)計各時刻三相電壓不平衡度最嚴(yán)重的節(jié)點三相電壓不平衡度值，得到的系統(tǒng)三相電壓不平衡度值時序圖如圖6所示。

圖6 方案1三相電壓不平衡度時序圖Fig.6 Sequence diagram of three-phase voltage unbalance(Scheme 1)

由于線路末端的節(jié)點電壓變化最大，所以本文重點研究線路末端節(jié)點各相電壓幅值。末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖如圖7所示。

圖7 方案1線路末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖Fig.7 Sequence diagram of node voltage amplitude at end of lines

未采用此選線裝置的不平衡充電模式時，三相24h的網(wǎng)損為A相8.39kW·h、B相9.96kW·h、C相7.04kW·h，系統(tǒng)網(wǎng)損率ΔP=1.8%。

4.2 采用選線裝置仿真分析

仿真方案2為采用選線裝置的仿真分析，仿真得到的充電的私家電動汽車分布情況如下：當(dāng)天參與充電的汽車共計146輛，其中A相49輛，B相47輛，C相50輛；這些車輛的總行駛里程為8329km，總充電量為1398.6kW·h；得到的充電功率時序圖如圖8所示。

圖8 方案2各相充電功率時序圖Fig.8 Sequence diagram of charging power(Scheme 2)

統(tǒng)計各時刻三相電壓不平衡度最嚴(yán)重的節(jié)點三相電壓不平衡度值，得到的系統(tǒng)三相電壓不平衡度值時序圖如圖9所示。

圖9 方案2三相電壓不平衡度時序圖Fig.9 Sequence diagram of three-phase voltage unbalance(Scheme 2)

末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖如圖10所示。

圖10 方案2末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖Fig.10 Sequence diagram of three-phase voltage amplitude at end of lines(Scheme 2)

采用此選線裝置的平衡充電模式時，三相24h的網(wǎng)損為A相7.81kW·h、B相6.02kW·h、C相7.91kW·h，系統(tǒng)網(wǎng)損率ΔP=1.6%。

4.3 數(shù)據(jù)分析

由圖5和圖8可以看出：在充電車輛相當(dāng)?shù)那闆r下，在未采用本文所述選線裝置的充電模式時，B相出現(xiàn)了近8kW過負(fù)荷，A、C兩相出現(xiàn)了輕微過負(fù)荷(圖8)；而采用本文所述選線裝置的三相平衡充電模式時，各相負(fù)荷比較均衡，不僅未出現(xiàn)過負(fù)荷現(xiàn)象，而且還有留有一定負(fù)荷域度。

由圖6和圖9可以看出：未采用本文所述選線裝置的充電模式時，系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的三相電壓不平衡度(超過國標(biāo)允許值2%)；而采用本文所述選線裝置的三相平衡充電模式時，未出現(xiàn)三相電壓不平衡度超標(biāo)現(xiàn)象。

由圖7和圖10可以看出：采用本文所述選線裝置的三相平衡充電模式后，末端節(jié)點電壓最小值(212.5V)明顯好于未采用本文所述選線裝置的充電模式時末端節(jié)點電壓的最小值(208.5V)，電壓質(zhì)量也得到了提升。

另外采用本文所述的三相平衡充電模式后，系統(tǒng)網(wǎng)損率也由1.8% 減少到1.6%。

5 結(jié)論

本文針對居民小區(qū)電動汽車單相慢速充電方式會造成小區(qū)電力系統(tǒng)三相不平衡的問題，設(shè)計了一種實現(xiàn)三相負(fù)荷平衡的電動汽車充電機(jī)選線裝置。利用私家電動汽車的出行規(guī)律(出行和回家時間、日行駛里程)數(shù)據(jù)和充電數(shù)據(jù)，對該裝置的實際應(yīng)用效果進(jìn)行了仿真分析，驗證了該裝置在實現(xiàn)充電負(fù)荷平衡、改善三相電壓不平衡度及降低配網(wǎng)線損等方面具有優(yōu)良的效果。具體結(jié)論如下。

a. 電動汽車單相慢速充電方式會造成居民小區(qū)配電系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的三相不平衡現(xiàn)象，該選線裝置的自動負(fù)荷平衡功能利用發(fā)生三相不平衡問題時的特點合理地安排電動汽車充電負(fù)荷。在采用此選線裝置后，配電系統(tǒng)各相負(fù)荷比較均衡，不會出現(xiàn)某一相過負(fù)荷的情況。

b. 由于電動汽車三相充電負(fù)荷的合理分配，從根本上最大限度地改善了三相不平衡現(xiàn)象。小區(qū)配電系統(tǒng)三相不平衡度較未采用該裝置的充電模式而言不但未超過國標(biāo)規(guī)定的范圍，而且均值較小。

c. 該選線裝置的應(yīng)用可使小區(qū)電力系統(tǒng)具有良好的電壓水平，尤其是波動最大的末端節(jié)點電壓。且由于三相電流越平衡，系統(tǒng)網(wǎng)損越小，故較未采用該裝置的充電模式而言降低了網(wǎng)損。

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