蚌埠地區(qū)配網(wǎng)對電動汽車充電樁規(guī)?；蛹{能力探討

蔣從偉，吳 斌，張 健，段傳科，馮飛波，閆興德

(國網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽 蚌埠 233000 )

0 前言

電動汽車的快速普及能推動可再生能源發(fā)展和綠色低碳環(huán)境的提升，2012年以來，國家與地方政府陸續(xù)出臺了相關(guān)扶持政策。面對高速增長的電動汽車充電樁的接入，地區(qū)配網(wǎng)在已完成的五年規(guī)劃編制中并沒有充分考慮這一因素，導(dǎo)致電網(wǎng)建設(shè)過程中在選擇設(shè)備容量及網(wǎng)架調(diào)整時沒有給電動汽車充電樁預(yù)留相應(yīng)的裕度。因此電動汽車的快速發(fā)展讓配電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)突然面臨較大的挑戰(zhàn)。大量的電動汽車充電負(fù)荷接入充電樁將對配電網(wǎng)電能質(zhì)量、局部供電能力、安全穩(wěn)定運行等都帶來較多的負(fù)面影響。因此，本文基于充電樁接入對電網(wǎng)諧波分析的理論基礎(chǔ)，充分考慮電能質(zhì)量滿足要求的前提下，以蚌埠地區(qū)配電網(wǎng)為例，研究分析了蚌埠地區(qū)110千伏配網(wǎng)對于電動汽車充電樁的接納能力，以期為地區(qū)配網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)提供一定的參考。

1 配網(wǎng)對于電動汽車充電樁接納能力一般特性分析[1,2]

1.1 電動汽車充電引起的電壓波動

選取安徽省蚌埠龍子湖局部10kV配網(wǎng)分析充電樁接入對電壓波動的影響。設(shè)定該區(qū)域配網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。以110kV龍湖變供電范圍為例，節(jié)點a-e分別為分段環(huán)網(wǎng)單元，b-c接點之間為聯(lián)絡(luò)線，正常運行方式下開環(huán)運行。充電樁設(shè)施分別接入圖1中a-e五個點。

圖1 蚌埠地區(qū)龍湖變局部供電范圍網(wǎng)絡(luò)圖

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T2326-2008電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，對于中壓10kV配電網(wǎng)，電壓波動頻次與電壓波動限值的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 中壓10kV配電網(wǎng)的電壓波動頻度與波動限值關(guān)系

通過現(xiàn)場實地檢測發(fā)現(xiàn)，不同型號的電動汽車充電時引起的pc普遍相對較低，通常情況下不會超過10，因此，xz取值在2%～3%區(qū)間比較合適。本文取3%。

設(shè)定在a-e個點分別接入總充電負(fù)荷為1360 kW的直流充電樁10臺，在充電樁同時充電，同時充電結(jié)束的極端條件下，模擬對應(yīng)的電壓波動情況。模擬發(fā)現(xiàn)a-e點接入電動汽車充電負(fù)荷引起的電壓波動均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)限制要求。但是隨著節(jié)點短路容量增加，節(jié)點允許接入的充電負(fù)荷，即充電樁數(shù)會有所增加。節(jié)點c對應(yīng)于線路末端分段環(huán)網(wǎng)單元，因此其短路容量相對較小，從而滿足波動的邊界條件下允許接入的充電樁數(shù)量也相對較少。值得注意的是，在計算中考慮的是多臺電動汽車同時充電并同時結(jié)束充電的極端情況下電壓波動情況，而實際生活中的充電同時率要比本文研究條件1.0要低，因此實際的充電接入容量將會比表2中結(jié)果要大。

圖2為充電負(fù)荷集中接入單個節(jié)點a帶來的電壓波動情況。

圖2 110kV龍湖變供電范圍節(jié)點a充電接入不同條件下的電壓波動曲線

110kV龍湖變供電范圍各點電壓波動和允許接入直流充電樁的臺數(shù)記錄如表2所示。

表2 110kV龍湖變供電范圍各點允許接入直流充電樁的臺數(shù)

注：表2中最大充電負(fù)荷的折算標(biāo)準(zhǔn)為，按照直流充電裝快充120kW功率測算。

通過分析，電動汽車充電機(樁、站)接入后對電網(wǎng)電壓波動帶來的影響主要取決于接入的位置節(jié)點短路電流以及接入點所在的局部網(wǎng)架特點。接入工作點短路容量越小，越靠近電網(wǎng)末端，在滿足電壓波動的要求下，能夠接入的電動汽車充電(樁、負(fù)荷)就越小。

1.2 電動汽車充電引起的諧波電流

產(chǎn)生諧波電流的主要設(shè)備是安裝在充電樁上的的高頻充電機。通常情況下，充電機基本由工頻變壓器、三相不控整流和高頻變壓器隔離變換器組成。整流功能由三相橋式不控整流器完成，整流輸出后作為功率變換器的輸入，高頻功率變換器的輸出經(jīng)過輸出濾波后為電動汽車充電。

高頻充電機簡要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高頻充電機簡要結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，濾波回路由電阻R、電感L和電容C組成。以下根據(jù)該類充電機分析其接入電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波。

基于上述分析的電動汽車動力電池充電可以近似分為兩階段充電，即起始階段恒流限壓充電、后面為恒壓限流充電。在充電起始到結(jié)束全過程中，近似用非線性變化電阻Rs模擬高頻功率變換電路等效輸入阻抗。

可以用非線性變化的電阻Rs近似模擬高頻功率變換電路等效輸入阻抗。

(1)

式中:U1,I1,PX分別是高頻功率變換電路輸入電壓、電流和功率；U2,I2,PY分別是輸出電壓、電流和功率;r是功率變換效率。

等效充電電路如圖4所示，Rs是代替功率變換單元的非線性電阻。

圖4 充電等效電路

三相橋式整流輸出作為高頻充電機的首級輸入，以A相為例分析。

(1)A相相電壓表達(dá)為：

(2)

式中：U單為輸入單相電壓有效值。

則整流器中二極管開關(guān)函數(shù)可以用傅立葉級數(shù)表示為式3。

(3)

式中：

m=6q±1，n>0,q=0,1,2,3,…

整流橋輸出電壓u0(t)為：

(4)

式中：U0表示整流輸出的電壓分量；U0n(t)表示第n次電壓諧波分量，且U0n=U0

(2)A相電流表達(dá)為：

(5)

式中：i0(t)為整流橋直流側(cè)電流，Z0是直流阻抗，Zn是n次諧波阻抗。

其中：Z0=RS，故A相電流又可表示為：

(6)

則：

(7)

式中：n=6β,β=0,1,2…。

由此：

(8)

直流側(cè)電流則為：

(9)

將式9進(jìn)行傅里葉變換，得A相電流如下：

(10)

綜上可知，三相橋式不控整流交流側(cè)諧波特點為：

1)諧波次數(shù)主要為6q±1次，q=0,1,2,3,…；

2)諧波電流有效值與諧波次數(shù)成反比，且諧波次數(shù)越高，諧波幅值越??；

3)電流總諧波畸變率與功率因素成反比。

由此可知，電動汽車充電樁接入后，影響配電網(wǎng)公共接入點諧波電流的主要因素是電動汽車充電樁的數(shù)量以及充電時間。而另一主要因素可能是配電變壓器的供電容量以及最小短路容量。

2 算例分析[3～5]

以下選取安徽省蚌埠地區(qū)配網(wǎng)局部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實際分析允許用戶注入的諧波電流值，以進(jìn)一步研究蚌埠地區(qū)配電網(wǎng)對于電動汽車充電樁接納能力。模擬計算各變電站在滿足諧波要求前提下，對應(yīng)于不同的供電設(shè)備容量以及最小短路電流容量，充電時間，局部電網(wǎng)能夠接納的最大充電樁數(shù)量。

截至2017年底，蚌埠地區(qū)配電網(wǎng)共有110kV變電站45座。本文選取一座典型的變電站開展理論計算與分析，然后采用建模仿真與理論分析結(jié)果進(jìn)一步遞進(jìn)，最后開展全部的變電站仿真分析。據(jù)此思路，首先選取110kV蚌埠變作為理論案例分析。

蚌埠變?yōu)榘霾旱貐^(qū)核心變電站，為110kV直變10kV變電站(110/10kV)。單臺主變供電容量為40MVA，短路阻抗百分比為10.42%，最小運行方式下110kV側(cè)系統(tǒng)等效阻抗為1.565(設(shè)定系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100MVA)。把變壓器阻抗以系統(tǒng)容量為基準(zhǔn)，統(tǒng)一標(biāo)幺化后可得如圖5所示的等效電路。

圖5 蚌埠地區(qū)110kV蚌埠變10kV母線短路計算等效電路

圖5中，系統(tǒng)等效電源us=1，Xs為110kV側(cè)系統(tǒng)最小運行方式下等效阻抗，XT為變壓器阻抗，則該變電站10kV母線的最小短路容量計算見公式為11。

(11)

式中Sc為公共接入點最小短路容量，Us為系統(tǒng)等效電源，Xs為最小運行方式下變壓器110kV側(cè)系統(tǒng)等效阻抗，XT為變壓器阻抗，SB為系統(tǒng)基準(zhǔn)容量，UB為基準(zhǔn)電壓，UN為額定電壓。

代入上述數(shù)據(jù)，計算得到公共接入點最小短路容量Sc=131.9MVA，則110kV蚌埠變110/10.5變壓器低壓側(cè)允許注入的諧波電流值見表3。

表3 充電樁用戶允許注入配電網(wǎng)的諧波電流統(tǒng)計表 單位：A,MVA

注：1.標(biāo)準(zhǔn)PCC點限值按基準(zhǔn)短路容量100MVA。2.表中短路容量為小方式下短路容量，為131.9MVA。

第二步，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，分析在諧波限值合理范圍內(nèi)110kV蚌埠變允許接入的充電樁數(shù)量最大值。

邊界條件選取：變壓器供電容量為40MVA，最小短路容量131.9MVA，在考慮不同數(shù)目的直流充電樁接入后，計算注入公共連接點的諧波電流及其允許值。

在Matlab環(huán)境中搭建如圖6對應(yīng)于蚌埠變供電的仿真模型，其中供電電源電壓為10.5kV，系統(tǒng)等效阻抗與變壓器阻抗之和為0.46Ω，即Xs+XT=0.46Ω。三相不控整流器及LC濾波器構(gòu)成直流充電機，額定功率為480kW，濾波電感L=1.5mH，濾波電容C=0.21μF，每臺充電機最多帶充電樁6臺。充電樁用等效電阻替代，充電樁充電功率為80kW，考慮變換器效率95%，其等效電阻值為2390Ω。為體現(xiàn)充電樁及電動汽車蓄電池的參數(shù)離散性，模型中各充電樁等效電阻值在2390Ω±10%范圍內(nèi)隨機分布。

圖6 基于Matlab/Simulink環(huán)境搭建的仿真模型示意圖

由式10可知，三相不可控整流器注入電網(wǎng)的諧波中，6q±1(q=0,1,2…)次諧波遠(yuǎn)大于其他次諧波。因此，在本模型中逐步增加充電樁數(shù)量，每改變一次充電樁數(shù)量就比較一次5,7,11,13,…,23,25次實際諧波電流與允許諧波電流的大小，以確定該主變供電范圍內(nèi)能夠接納的最大充電樁數(shù)量。

對以下兩種工況仿真，工況I：4臺充電機、24臺充電樁；工況II：5臺充電機、25臺充電樁(最后一臺充電機僅接一個充電樁)。在以上兩種工況下仿真得到A相電流波形及其各次諧波如圖7、圖8所示。

經(jīng)仿真顯示，工況I當(dāng)接入4臺充電機、24臺充電樁條件下，5次諧波峰值為36.1A，在允許值37.3A(峰值)范圍內(nèi)；工況II當(dāng)接入5臺充電機、25臺充電樁條件下，5次諧波峰值為為37.4A，超過了允許值37.3A(峰值)，因此，110kV蚌埠變最多可接入24臺充電樁。

具體的5,7,…,25次諧波電流及其允許值如表4所示。

圖7 4臺充電機帶24臺充電樁條件下a相電流波形及各次諧波幅值

圖8 5臺充電機帶25臺充電樁a相電流波形及各次諧波幅值

表4 公共連接點注入的諧波電流值與其允許值對比 單位:A

注：為便于比較，表中電流均轉(zhuǎn)化為峰值。

同理，可以分析得出蚌埠地區(qū)110kV治淮變、錐山變、星宇變、湯和變等其余44座變電站10kV母線短路容量以及可接入充電樁數(shù)量。

具體結(jié)果見表5所示。

表5 蚌埠地區(qū)配網(wǎng)45座110kV變電站的10kV母線接納電動汽車充電樁數(shù) 單位:個

3 結(jié)語

本文從電動汽車接入充電樁充電引起的配網(wǎng)電能質(zhì)量問題入手，從機理上探討充電樁不同工況充電條件下對地區(qū)配網(wǎng)電壓和諧波的影響與量化，并以安徽省蚌埠地區(qū)配網(wǎng)為例，構(gòu)建理論分析模型及仿真模型，研究分析了該地區(qū)110kV配電網(wǎng)對于電動汽車充電樁的接納能力，并給出了具體推薦方案。為地區(qū)配網(wǎng)開展與電動汽車充電設(shè)施發(fā)展的適應(yīng)性研究提供一定的參考。