電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)的分區(qū)評估方法

姚文峰，陳亦平，王滔，方必武，張野，趙文猛，李永亮

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510663； 2.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州 510663）

引言

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，新能源電動(dòng)汽車發(fā)展迅猛，安全、快速的電動(dòng)汽車充電成為了電動(dòng)汽車推廣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。當(dāng)前，最主要的充電方式是將電動(dòng)汽車的電池通過換流變接入電網(wǎng)進(jìn)行快速充電，快速充電的過程涉及到大功率電力電子設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換，容易對電網(wǎng)造成的沖擊，主要體現(xiàn)為電動(dòng)汽車大規(guī)模接入時(shí)的巨大電量需求，導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓、頻率等參數(shù)發(fā)生變化。

當(dāng)前對大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)影響，多采用頻率或電壓單一狀態(tài)的識別，實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行過程中，只有當(dāng)頻率或電壓的幅值出現(xiàn)較大變化時(shí)，才可以較好識別出來，對于幅值變化不是很明顯情況下，識別度較差。

針對上述問題，本論文依托現(xiàn)有電動(dòng)汽車測控系統(tǒng)的采樣和計(jì)算能力，充分利用頻率和電壓兩個(gè)指標(biāo)的變化來觀察電動(dòng)汽車接入對電網(wǎng)的影響，綜合采用頻率和電壓進(jìn)行電動(dòng)汽車大規(guī)模接入的電網(wǎng)狀態(tài)識別。

1 沖擊性負(fù)荷特性

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后，尤其大規(guī)模接入電網(wǎng)進(jìn)行充電的過程，電網(wǎng)相當(dāng)于接入了一個(gè)電力電子形式接口的巨大負(fù)荷，電動(dòng)汽車接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的模型如圖1 所示。此時(shí)，電動(dòng)汽車所接入的區(qū)域電網(wǎng)出現(xiàn)了大量的用電需求，通常需要從其他區(qū)域電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線轉(zhuǎn)移功率，以支撐電動(dòng)汽車所接入的區(qū)域，較大的功率轉(zhuǎn)移，會在聯(lián)絡(luò)線及其他相關(guān)線路造成更大的壓降。電動(dòng)汽車接入點(diǎn)PCC 的壓降方程如公式（1）所示。

式中：

P—有功功率；

R—電阻大小；

Q—無功功率；

X—電抗大小；

ΔU—電網(wǎng)電壓的變化量大小。

電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)，相當(dāng)于大量負(fù)荷突然接入電網(wǎng)，為了給負(fù)荷供電，有功P 和無功Q 都增加，電動(dòng)汽車接入充電越多，P 和Q 就越大，ΔU 也就越大，即電網(wǎng)電壓下降越多[2]。同時(shí)，短時(shí)大量負(fù)荷突然增加，對區(qū)域電網(wǎng)的頻率也可能會有影響。電網(wǎng)的頻率在正常供電的情況下在額定值附近波動(dòng)，當(dāng)大量電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí)，相當(dāng)于電網(wǎng)短時(shí)間接入大量負(fù)荷，電網(wǎng)容易受到?jīng)_擊，電網(wǎng)的頻率可能發(fā)生變化。電網(wǎng)頻率的下降由負(fù)荷功率和發(fā)電功率不平衡導(dǎo)致，由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程（2）可以推出大量負(fù)荷突然接入時(shí)電網(wǎng)頻率f 會下降[3]。

TJ—發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)；

ω—電氣角速度；

PT—原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率；

PE—發(fā)電機(jī)電磁功率；

*—標(biāo)幺值。

由公式（2），供電穩(wěn)定時(shí)負(fù)荷功率和發(fā)電功率保持平衡PT*=PE*。電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)，負(fù)荷大量增加，發(fā)電機(jī)電磁功率PE*突然上升，電動(dòng)車剛接入充電時(shí)原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率不會突變，所以PT*保持不變，PT*＜PE*，負(fù)荷功率和發(fā)電功率不平衡，PT*-PE*小于0，小于0，電氣角速度ω 減小，由公式（3），電網(wǎng)的頻率f下降。

2 電壓-頻率二維坐標(biāo)識別方法

針對電網(wǎng)檢測的靈敏度、準(zhǔn)確度不高的問題，本論文綜合采用頻率和電壓進(jìn)行電動(dòng)汽車大規(guī)模接入的電網(wǎng)狀態(tài)識別，通過同時(shí)檢測電網(wǎng)的頻率和電壓兩個(gè)指標(biāo)，更全面考察電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)變化，具體實(shí)現(xiàn)上，構(gòu)建頻率-電壓二維坐標(biāo)，在二維坐標(biāo)上，進(jìn)行電壓和頻率的直觀展現(xiàn)分析，通過不同區(qū)的狀態(tài)，可以及時(shí)預(yù)警電動(dòng)汽車大規(guī)模接入時(shí)電網(wǎng)狀態(tài)變化。本文建立“電壓-頻率”的二維坐標(biāo)并進(jìn)行分析識別，把電壓-頻率圖分九區(qū)可以更清晰地展現(xiàn)電網(wǎng)所處的運(yùn)行狀態(tài)。

本文方法可以根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行波動(dòng)情況，靈活設(shè)置“電壓-頻率”九個(gè)區(qū)的允許偏離值，默認(rèn)情況下，電壓的偏差值參考GB/T 12325-2008《電能質(zhì)量與供電電壓偏差》要求，20 kV 及以下電壓等級三相供電電壓偏差在標(biāo)稱電壓的士7 %，節(jié)點(diǎn)電壓運(yùn)行的上下限為0.93和1.07（標(biāo)幺值）。

頻率的偏差值參考GB/T 15945《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定：“我國電網(wǎng)頻率正常為50 Hz，頻率等級：A 級 ≤±0.05 Hz；B 級≤±0.5 Hz；C 級 ≤±1 Hz”。本文選取A 級0.05 Hz作為允許偏差值。

電網(wǎng)電壓和頻率同時(shí)滿足上述條件即落在正常波動(dòng)區(qū)間，其中：

UN+表示電網(wǎng)電壓的最大允許值，UN-表示電網(wǎng)電壓的最小允許值，fN+表示電網(wǎng)頻率的最大允許值，fN-表示電網(wǎng)頻率的最小允許值。UN為電網(wǎng)額定電壓，fN為電網(wǎng)額定頻率。

以UN+，UN-，fN+，fN-四個(gè)指標(biāo)為界劃定九個(gè)區(qū)，根據(jù)當(dāng)前電網(wǎng)電壓和頻率落在哪個(gè)區(qū)來檢測電網(wǎng)的變化。

針對“電壓-頻率”9 區(qū)中，電壓和頻率都偏低，但按經(jīng)典的電壓或者頻率閾值方法又屬于允許偏差范圍內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，處于邊緣狀態(tài)的電網(wǎng)運(yùn)行情況，設(shè)立電動(dòng)汽車識別曲線以提高識別靈敏度。

電動(dòng)汽車大規(guī)模接入充電后，相當(dāng)于短時(shí)接入巨大的沖擊性負(fù)荷，接入點(diǎn)的電網(wǎng)電壓和頻率可能降低，同時(shí)考慮大電網(wǎng)的頻率由于具有慣性，相當(dāng)于電壓的變化會較為緩慢。因此，構(gòu)建的電動(dòng)汽車識別曲線呈曲線下降趨勢，形狀類似反比例函數(shù)，采用反比例函數(shù)來近似表示電動(dòng)汽車識別曲線。電動(dòng)汽車識別曲線具體的數(shù)據(jù)模型如下分析。

故電動(dòng)汽車識別曲線定義如下：

圖2 藍(lán)色陰影部分即輕微預(yù)警區(qū)間的定義如下：

圖2 電網(wǎng)狀態(tài)的九區(qū)劃分-基于電壓和頻率

假設(shè)某一時(shí)刻電網(wǎng)的電壓和頻率分別為U、f，在電壓-頻率圖中表示為坐標(biāo)（f，U），滿足：

則電網(wǎng)狀態(tài)落入輕微預(yù)警區(qū)間，發(fā)出輕微警報(bào)。

圖2 紅色陰影部分即嚴(yán)重預(yù)警區(qū)間的定義如下：

在電壓-頻率圖中表示為坐標(biāo)（f，U），滿足

則電網(wǎng)狀態(tài)落入嚴(yán)重預(yù)警區(qū)間，發(fā)出嚴(yán)重警報(bào)。

3 仿真分析

在Matlab 軟件上，搭建電動(dòng)汽車接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的模型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的連接，如圖3 所示，仿真的控制方法與模型參數(shù)借鑒文獻(xiàn)[4]，但本文重點(diǎn)分析電動(dòng)汽車接入后對電網(wǎng)的沖擊，不考慮電動(dòng)汽車作為儲能元件的放電過程。本文選擇所區(qū)域電網(wǎng)B 作為所研究的電動(dòng)汽車，從小到大的容量進(jìn)行仿真分析。

圖3 接入電動(dòng)汽車的區(qū)域電網(wǎng)模型

進(jìn)行電動(dòng)汽車容量比25 %、50 %、75 %、100 %的仿真，把這四個(gè)容量比的電壓、頻率值用“電壓-頻率”二維坐標(biāo)表示，分別記作點(diǎn)C（f1，U1）、D（f2，U2）、E（f3，U3）、F（f4，U4）， 取fN=50 Hz，UN=10 kV，具 體 數(shù) 值 為C（fN-0.014，0.965UN），D（fN-0.019，0.946UN），E（fN-0.037，0.932UN），F(xiàn)（fN-0.063，0.753UN） 。取標(biāo)準(zhǔn)：fN-=fN-0.05，UN-=0.93UN。用九區(qū)進(jìn)行劃分，CDE 落在9 區(qū)，F(xiàn) 落在6 區(qū)，由于CDE 均落在預(yù)警區(qū)（UN-≤U ≤UN，fN-≤f ≤fN）利用電壓識別曲線判斷這三點(diǎn)是落在輕微預(yù)警區(qū)還是嚴(yán)重預(yù)警區(qū)。若滿足fN-≤f ≤fN且則落在輕微預(yù)警區(qū)，若滿足fN-≤f ≤fN且則落在嚴(yán)重預(yù)警區(qū)。參數(shù)為便于表示，記分別代入CDE 點(diǎn)，得U′1、U′2、U′3，計(jì)算得對于落在預(yù)警區(qū)的CDE 點(diǎn)，C 在輕微預(yù)警區(qū)，DE 在嚴(yán)重預(yù)警區(qū)，如圖4 所示。

圖4 電網(wǎng)狀態(tài)九區(qū)圖中各點(diǎn)分布

4 結(jié)論

通過對電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的沖擊性負(fù)荷特性的分析，研究不同容量比情況下電動(dòng)車接入電網(wǎng)對電網(wǎng)電壓和頻率的變化情況，對電網(wǎng)狀態(tài)的檢測和評估，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，有助于保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。