含電動汽車充電負荷的配電網(wǎng)電壓波動特性分析

賈向恩， 寧永龍， 鄒蒙

(國網(wǎng)吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

0 引 言

在能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出的情況下，電動汽車作為一種清潔環(huán)保新型交通工具，得到了人們的廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。電動汽車充電負荷的規(guī)模在配電網(wǎng)越來越大[1]，而當(dāng)前配電網(wǎng)在其規(guī)劃時一般未考慮電動汽車充電負荷的影響。另外，不論是家用車輛還是公交車輛的行駛和充電時長都具有很大的隨機性，電動汽車充電負荷具有很大的不確定性，電動汽車充電會引起配電網(wǎng)的電壓波動加劇，甚至影響配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[2]。為促進電動汽車的健康發(fā)展和保證配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，需深入研究電動汽車充電負荷對配電網(wǎng)電壓波動的影響。

文獻[3]對居民區(qū)的電動汽車充電特性進行了系統(tǒng)的分析。文獻[4]基于電動汽車的行駛規(guī)律和充電負荷特性分析，建立了一種接入配電網(wǎng)的電動汽車充電負荷模型。文獻[5]對某一居民小區(qū)的電動汽車充電行為進行了統(tǒng)計分析，研究了電動汽車充電負荷的分布規(guī)律。文獻[6]分析了電動汽車無序充電對配電網(wǎng)的危害性，提出了一種以峰谷電價差為指引的有序充電模式。文獻[7]論述了電動汽車充電負荷對配電網(wǎng)的影響，表明電動汽車充電負荷會增大配電網(wǎng)的電壓波動。以上文獻在對電動汽車接入對配電網(wǎng)的電壓波動影響時只進行定性闡述分析，均未對電動汽車接入充電對配電網(wǎng)電壓波動的影響進行系統(tǒng)深入研究。

本文在對電動汽車充電特性分析的基礎(chǔ)上，建立了電動汽車集中充電接入配電網(wǎng)的仿真模型，并對無序充電和有序充電模式下不同充電規(guī)模、不同充電位置下的電壓波動變化情況進行計算分析。

1 電動汽車特性分析

1.1 電動汽車電池充電特性分析

本文將電動汽車電池等效為受控電壓源和恒值內(nèi)阻的串聯(lián)組成[8]，其表達式為：

(1)

式中：Ubatt、E0為電池電壓和恒定電勢；Q、i為電池的額定容量和充電電流；S0、Y為電池的初始電量和內(nèi)阻值;K、A、B為極化常數(shù)及充電指數(shù)段的兩個常數(shù);t為時間。

電動汽車電池的充電功率Pbatt可表示為：

Pbatt=-Ubatti

(2)

式中：Ubatt、i為電池電壓和充電電流。

對電動汽車電池的充電過程進行簡化等效分析后，電動汽車的充電功率Pn(t)為：

(3)

式中：pn為第n輛電動汽車的固定充電功率。

1.2 日行駛里程及充電時長概率密度函數(shù)

電動汽車的充電時長主要由日行駛里程決定，電動汽車用戶日行駛里程s近似服從概率密度分布特性，其概率密度函數(shù)f(s)的表達式為：

(4)

式中：μD、σD為日行駛里程平均值和標準差;s為日行駛里程。

電動汽車充電開始時刻的概率分布fcf(t)、充電時長的概率分布ftc(s)的函數(shù)及充電時長T分別為[9]：

(5)

(6)

(7)

式中：μs、σs為充電時間的平均值和標準差;t為時間;s為日行駛里程;Pn為電動汽車n的充電功率;M為百公里耗電量；α為充電效率。

電池荷電狀態(tài)SOCn計算表達式為[10]：

張紹凡依舊跟我同班，她依然是眾星捧月的焦點，成績依舊很好，全班第一，年級第三。我的成績進步很大，雖然暫時不足以撼動張紹凡的“班一寶座”，但于我自己卻是全新的開始。

(8)

式中：x為行駛里程數(shù)；x0為最大行駛里程數(shù)；SOCn-1為電動汽車上次充電結(jié)束后的電池荷電狀態(tài)；α為充電效率大小。

某居民區(qū)電動汽車的電池容量為30 kWh，充電功率為3.5 kW，獲得的電動汽車充電時長概率密度如圖1所示。

圖1 電動汽車充電時長的概率密度

2 電動汽車充電模式分析

2.1 電動汽車無序充電模式

電動汽車無序充電模式指的是通過無計劃的“即插即用”形式將電動汽車接入到配電網(wǎng)，無序充電模式的負荷計算多采用蒙特卡羅法：抽取電動汽車用戶到家時刻及行駛里程數(shù)，根據(jù)充電日期和用戶類別對其進行相應(yīng)的的不同處理，獲得該車充電的起始時間和充電時長，然后把所有汽車充電負荷疊加到一起求得該區(qū)域總的充電負荷[11]。

2.2 電動汽車有序充電模式

無序充電模式會導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷差增大、網(wǎng)損增加等問題，因此需要采取電價引導(dǎo)等方法引導(dǎo)電動汽車用戶的充電習(xí)慣，實現(xiàn)用電優(yōu)化[12]。

以充電樁充電費用最少為目標，充電費用計算公式為：

(9)

式中：f1(x)和f2(x)為快充、慢充對應(yīng)的充電費用;Ci為電費價格;Pd1和Pd2為直流快充、交流慢充所對應(yīng)的功率;μ1和μ2為充電效率；te1(x)、te2(x)和ts1(x)、ts2(x)為兩種充電模式的的結(jié)束、開始時間。

假設(shè)該居民小區(qū)共有H輛電動汽車，以其總充電費用最少為目標，表達式為：

(10)

(11)

minG=Lmax-Lmin

(12)

式中：Lmax和Lmin為高峰、低谷時的負荷；RLj為充電負荷;RL為常規(guī)負荷。

充電樁數(shù)量c和電動汽車臺數(shù)H的關(guān)系為：

c≥H

(13)

充電需在24 h內(nèi)完成：

0≤t≤24

(14)

預(yù)計充電時長T與實際充電時長Ts的關(guān)系為：

Ts≤T

(15)

充電價格Ci需滿足：

Ci∈(0.45,1.45)

(16)

3 配電網(wǎng)電壓波動仿真分析

3.1 配電網(wǎng)電壓波動仿真模型的建立

以仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建IEEE 33節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)為例進行分析，模型如圖2所示，EV為電動汽車充電站。電池額定容量為64 kWh，電池荷電狀態(tài)的最小值和最大值分別取15%和95%，各時段的電價如表1所示。

圖2 IEEE 33節(jié)點系統(tǒng)圖

表1 各時段電價表

3.2 不同充電模式下的電壓波動分析

電動汽車充電站EV接入節(jié)點8，改變電動汽車接入配電網(wǎng)的容量，仿真得到的不同接入容量時配電網(wǎng)電壓波動情況如表2所示。圖3為無序充電模式下的電壓變化情況。

表2 不同充電規(guī)模下電壓波動情況

圖3 節(jié)點8電壓波動情況仿真圖

根據(jù)表2和圖3可知，電動汽車在配電網(wǎng)的接入容量越大，造成的電壓波動情況也越嚴重，接入點處的電壓波動情況最嚴重，離接入點越遠，受到的影響越小，且無序充電模式引起的電壓波動要高于有序充電。

保證電動汽車接入規(guī)模相同的前提下，在節(jié)點6、8、32接入電動汽車，各節(jié)點短路容量排序從大到小為6、8、32，仿真得到的電壓波動情況如表3所示。

表3 不同充電位置下電壓波動情況

由表3的結(jié)果可知:電動汽車在配電網(wǎng)的充電位置不同，其充電引起電壓波動也不同；而各節(jié)點位置體現(xiàn)的是短路容量的不同，充電所在節(jié)點短路容量越大，則電壓波動越小。因此在選擇電動汽車集中充電點時，為有效減小其充電引起的電壓波動，應(yīng)盡量選取短路容量較大的配電網(wǎng)節(jié)點。

4 結(jié)束語

本文建立了含電動汽車充電負荷的配電網(wǎng)電壓仿真計算模型，分別研究了無序充電和有序充電兩種模式不同充電情況下的配電網(wǎng)電壓波動變化情況。結(jié)果表明：電動汽車充電負荷越大，其造成的配電網(wǎng)電壓波動情況就越嚴重，且電動汽車采用無序充電模式引起的電壓波動要高于有序充電。當(dāng)電動汽車采用有序充電時，其在充電點引起的電壓波動要比采用無序充電降低18%左右，而配電網(wǎng)各節(jié)點受影響的程度與其離電動汽車充電點的距離遠近有關(guān)。距離越近，受影響的程度越大，其中電動汽車集中充電點處的電壓波動情況是最嚴重的。而電動汽車在配電網(wǎng)的充電位置不同，其充電引起的電壓波動也不同，充電所在節(jié)點短路容量越大，則電壓波動越小。