基于前推回代法的電動(dòng)汽車負(fù)荷對(duì)局域配網(wǎng)影響分析

李成飛　蔣力　汪博燁

摘 要：電動(dòng)汽車在當(dāng)代社會(huì)越來越普及，為了研究電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)、電壓偏移和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，需要對(duì)接入充電負(fù)荷后的配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。本文針對(duì)IEEE33節(jié)點(diǎn)局域配電網(wǎng)，采用了前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 負(fù)荷波動(dòng) 局域配電網(wǎng) 前推回代值

1 引言

1997年豐田公司推出第一款量產(chǎn)混合動(dòng)力轎車以來，世界各國紛紛致力于電動(dòng)汽車的研發(fā)[1][2]。電動(dòng)汽車有無污染、噪聲低、能源利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，我國作為全球電動(dòng)汽車第二大市場，有較好的應(yīng)用推廣前景。隨之而來的是電動(dòng)汽車充電問題，與傳統(tǒng)電力負(fù)荷不同，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷在時(shí)間和空間上都具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，大規(guī)模的充電負(fù)荷接入系統(tǒng)后可能給系統(tǒng)帶來負(fù)荷波動(dòng)增強(qiáng)、頻率偏移、電能質(zhì)量降低和網(wǎng)絡(luò)損耗增加等負(fù)面影響，造成系統(tǒng)難以維持安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)、減小系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力的不良后果[3]。因此，提前做好電動(dòng)汽車負(fù)荷對(duì)局域配電網(wǎng)的影響分析對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

對(duì)于電力系統(tǒng)來說，保證供電的可靠性、保證良好電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是它的基本運(yùn)行要求[4]。電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量和波形質(zhì)量是衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的三個(gè)技術(shù)指標(biāo)。其中，電壓質(zhì)量和頻率質(zhì)量一般以偏移是否超過給定值來衡量，波形質(zhì)量則以畸變率是否超過給定值來衡量。大規(guī)模電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)充電對(duì)配電網(wǎng)帶來的影響，除了給系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)帶來影響之外，還會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行兩個(gè)方面。其中對(duì)電能質(zhì)量的影響主要包括電壓偏移和諧波污染等方面，對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響主要指網(wǎng)絡(luò)損耗[5][6]。

2 配電網(wǎng)潮流計(jì)算

為了研究電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)、電壓偏移和網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，需要對(duì)接入充電負(fù)荷后的配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，得到系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析[7]。對(duì)于輻射型配電網(wǎng)，可以采用前推回代法進(jìn)行潮流計(jì)算。前推回代法的主要包括兩步迭代計(jì)算過程，分別為回代過程和前推過程[8]。電動(dòng)汽車充電負(fù)荷接入的配電網(wǎng)潮流計(jì)算步驟如下所述：

（1）對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)和各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，生成系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣;

（2）輸入系統(tǒng)中接入電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的節(jié)點(diǎn)位置和各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷;

（3）假設(shè)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)電壓均為根節(jié)點(diǎn)的電壓，從系統(tǒng)的末端節(jié)點(diǎn)開始向根節(jié)點(diǎn)方向求解各支路的電流和功率損耗，即回代過程;

（4）基于回代過程得到的線路電流分布，從系統(tǒng)的根節(jié)點(diǎn)開始向末端節(jié)點(diǎn)計(jì)算更新各節(jié)點(diǎn)的電壓，即前推過程;

（5）判斷是否收斂，以前后兩次迭代的電壓幅值之差是否小于迭代精度為判斷條件，若，則迭代不收斂，轉(zhuǎn)至步驟（3）;若，則收斂，結(jié)束迭代。

電動(dòng)汽車充電負(fù)荷接入的配電網(wǎng)潮流計(jì)算流程圖如圖1所示。

3 算例

配電網(wǎng)以IEEE33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為參考，接線圖如圖2所示，電網(wǎng)中共有33個(gè)節(jié)點(diǎn)，32條支路，節(jié)點(diǎn)1設(shè)為平衡節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)均為PQ節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)支路信息如表1所示，，，網(wǎng)絡(luò)有功負(fù)荷。未接入電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的配電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)據(jù)見表2。

4 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)影響

顯然，形成足以影響配電網(wǎng)的電動(dòng)汽車負(fù)荷與電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的數(shù)量有關(guān)，即電動(dòng)汽車充電負(fù)荷與汽車數(shù)量成正相關(guān)，同理可知對(duì)配電網(wǎng)的影響程度與汽車數(shù)量成正相關(guān)。那么，可定義電動(dòng)汽車的滲透率為電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的用電量與配電網(wǎng)的額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，如式（3.1）所示。

（3.1）

式中，為每輛標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車電池的充電功率，為該時(shí)刻時(shí)正在充電的電動(dòng)汽車數(shù)量，為電網(wǎng)的額定有功容量。

假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)分布的充電負(fù)荷較均勻，以下以990輛電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷為研究樣本接入電網(wǎng)，分別對(duì)局域配電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)、電壓偏移和網(wǎng)絡(luò)損耗進(jìn)行分析。

（1）負(fù)荷波動(dòng)

選定滲透率為20%（248輛）、50%（620輛）和全部接入（990輛）三種電動(dòng)汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)的日負(fù)荷曲線如圖3所示。不同的滲透率對(duì)應(yīng)的峰谷差率結(jié)果如表3所示。

從圖3中可以看出，電動(dòng)汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)之后，電網(wǎng)的總負(fù)荷在15：00至20：00明顯增大，其中包含負(fù)荷峰時(shí)，全部負(fù)荷接入電網(wǎng)之后的負(fù)荷峰值達(dá)到了4278.1，這是因?yàn)殡妱?dòng)汽車負(fù)荷的峰時(shí)與電網(wǎng)本身的峰時(shí)基本重合，因此造成了“峰上加峰”的現(xiàn)象;以峰谷差率來衡量電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)程度，從表3中可以得到，隨著電動(dòng)汽車的滲透率的增加，峰谷差率逐漸增大，由56.25%增加到了58.03%，即負(fù)荷波動(dòng)程度隨著滲透率的增加逐漸變大。

（2）電壓偏移

從負(fù)荷波動(dòng)曲線中，可以得出20：00是系統(tǒng)的最大負(fù)荷時(shí)刻，分別作出在不同滲透率電動(dòng)汽車下，20：00的33個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓偏移曲線，如圖4所示?？梢杂^察到，系統(tǒng)電壓偏移程度最大的節(jié)點(diǎn)18號(hào)節(jié)點(diǎn)。在沒有電動(dòng)汽車負(fù)荷接入時(shí)，系統(tǒng)的最大電壓偏移低于9%。接入電動(dòng)汽車充電負(fù)荷之后，18號(hào)節(jié)點(diǎn)的電壓偏移隨著滲透率的增大而增大，逐漸超出系統(tǒng)允許的電壓偏移限值，且隨著滲透率的增大，距離首端較遠(yuǎn)的其他節(jié)點(diǎn)比如14號(hào)至17號(hào)、32號(hào)、33號(hào)節(jié)點(diǎn)的電壓偏移也超過了系統(tǒng)允許值。

（3）網(wǎng)絡(luò)損耗

不同滲透率的電動(dòng)汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)時(shí)的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗如圖5所示。可以看出，在20：00附近時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗出現(xiàn)最大值，對(duì)比網(wǎng)絡(luò)損耗和負(fù)荷波形，發(fā)現(xiàn)兩者的變化趨勢(shì)相近，可見當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)荷越大，產(chǎn)生的網(wǎng)損越大。隨著滲透率的增加，網(wǎng)絡(luò)損耗也增大，在電動(dòng)汽車負(fù)荷高峰時(shí)期變化明顯，全部隨機(jī)充電負(fù)荷接入電網(wǎng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗最大值為250kW。不同滲透率的電動(dòng)汽車的接入系統(tǒng)時(shí)，在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，系統(tǒng)的總網(wǎng)損率如表4所示，沒有電動(dòng)汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)損率為3.70%，當(dāng)滲透率為20%、50%和全部接入時(shí)，網(wǎng)損率增加到3.72%、3.75%和3.79%，可見隨著電動(dòng)汽車滲透率的增加，系統(tǒng)產(chǎn)生的總網(wǎng)損增大，使得電網(wǎng)不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

5 總結(jié)

本文通過研究證明，隨著滲透率的增加，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的電負(fù)面影響逐漸增大：系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)、電壓偏移程度、網(wǎng)絡(luò)損耗均會(huì)增大，從而影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

結(jié)論表明，隨著電動(dòng)汽車的逐漸普及，放任電動(dòng)汽車充電負(fù)荷以隨機(jī)模式接入電網(wǎng)將對(duì)局域配電網(wǎng)產(chǎn)生多種不良影響。因此，供電部門采取電動(dòng)汽車充電基站建設(shè)集中化、選址科學(xué)化、分時(shí)充電電價(jià)差異化等手段來對(duì)電動(dòng)汽車的充電行為進(jìn)行正確引導(dǎo)，最小化電動(dòng)汽車充電負(fù)荷給局域配電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響存在必要性。

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