高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補償方法研究

陳建林

（國網(wǎng)西藏電力有限公司那曲供電公司，西藏 那曲 852000）

高海拔地區(qū)的地理和氣候條件比較惡劣，氣溫較低，空氣稀薄，因此充電樁需要具有更高的能源儲存和轉(zhuǎn)化效率。為了確保高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，可以采用集中式接入、分布式接入和混合式接入等方式[1]。綜上所述，高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的方式需要考慮當?shù)氐牡乩憝h(huán)境和氣候條件、用電負荷情況等多種因素。本文旨在探索適合高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的均衡補償方法，以提高充電效率，降低能源損耗并減少對電網(wǎng)的負面影響。首先，需要深入分析高海拔地區(qū)的地理、氣候和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施情況，為充電樁的規(guī)劃和設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其次，針對充電樁的性能和運行特點，結(jié)合電網(wǎng)負荷情況，制定充電策略，進行電網(wǎng)負荷的均衡分配。為了實現(xiàn)高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的均衡補償，通過調(diào)整仿真參數(shù)，評估充電樁對電網(wǎng)的影響，并制定補償策略。此外還需考慮充電樁建設(shè)和維護的經(jīng)濟成本等因素。因此，本文對優(yōu)化高海拔地區(qū)充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)有重要的指導作用。

1 高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補償方法設(shè)計

1.1 建立充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)電網(wǎng)的分層控制、精細化管理以及電壓、頻率控制的特點，在不同時間尺度上建立控制層[2]，合理劃分各層，實現(xiàn)控制功能，建立充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

圖1 中，DG 為分布式發(fā)電單元。在該充電點接入的控制系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)功能需求將電網(wǎng)劃分為一個本地控制層級和一個二級主控層級。本地控制器主要起控制作用，能夠以最快速度對其設(shè)定值進行跟蹤，二次控制器調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率、電網(wǎng)電壓以及電壓頻率偏差等。在整個充電樁接入的控制結(jié)構(gòu)中，整個電網(wǎng)設(shè)備實行分層管理模式，本地控制器與二次控制器集成在各DG 中，同時各DG 單元獨立控制，使所有二次控制器可以相互連接，以進行整個電網(wǎng)的“即插即用”和精細化管理[3]。在電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化分層管理系統(tǒng)中，每個節(jié)點僅需與相鄰節(jié)點進行通信，就可以得到全局的平均值，至此充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)建立完成。

1.2 調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流頻率

要使充電樁接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)電流頻率進行快速調(diào)節(jié)，需要對電網(wǎng)的電流頻率進行實時檢測。設(shè)Us表示電力系統(tǒng)的母線電壓，IL表示負載上的電流，us（wt）表示電力系統(tǒng)的電壓，iL（wt）表示總負載電流[4]，IPL表示負載電流中有功電流的頻率，IqL表示負載電流中無功電流的頻率。以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，假設(shè)電力系統(tǒng)的電壓us（wt）如公式（1）所示，電力系統(tǒng)的負載電流iL（wt）如公式（2）所示。

式中：θ1、θ2為負載電流與電網(wǎng)之間的相位差。

從而得到負載電流中無功電流的分量頻率IqL，如公式（3）所示。

式中：φ為負載電流中無功功率的相位角。

由公式（3）可得公式（4）。

由公式（4）可得負載電流和電流頻率之間的變化頻率。根據(jù)圖2 的相量關(guān)系可得知，電流頻率滯后于電網(wǎng)電壓，因此負荷表現(xiàn)為阻感性。在數(shù)學的三角函數(shù)中，有公式（5）。

圖2 電網(wǎng)瞬時電流頻率的檢測框圖

由公式（5）可以得知，在具有相容性負載的情況下，電流僅在符號上有所不同，但其頻率始終保持恒定。因此，無論負載是容性還是感性，公式（4）的計算結(jié)果取絕對值均能準確反映電流頻率。

利用上述推理步驟，便可得出對電網(wǎng)中瞬時電流頻率的檢測框圖，如圖2所示，由于此法主要采用了三角函數(shù)關(guān)系[5]，因此與常規(guī)的測量原理相比，構(gòu)造比較簡便。

通過簡化方法，可以顯著降低電網(wǎng)電壓變化對電流頻率的干擾，既減少了實際問題中的計算量，也有效消除了電網(wǎng)電壓突變對電流頻率測量產(chǎn)生的影響，能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)電流頻率。

1.3 建立充電樁接入電網(wǎng)補償模型

充電樁接入電網(wǎng)后，補償模型與電源、負載元件形成一個復雜的統(tǒng)一體，其動態(tài)工作特性與電網(wǎng)的整體運行狀況、特性緊密相連。因此，需要對該補償模型進行深入分析，并建立準確的模型，以使其與電網(wǎng)的運行性能相匹配，這有助于簡化電網(wǎng)的研究。為了簡化補償模型的接線，本文采用如圖3所示的原理圖。建立充電樁接入電網(wǎng)的補償模型時，對其進行了理想化處理，具體步驟如下：1）將補償裝置中的損耗等效為電阻R，將電網(wǎng)元件和線路的損耗等效為電感L。2）經(jīng)過電網(wǎng)元件的濾波處理后，該裝置的輸出電壓僅包括基波分量。

圖3 充電樁接入電網(wǎng)補償模型簡化圖

圖3 中，udc為補償模型輸出電壓；L為電網(wǎng)元件及線路損耗的等效電感；R為補償裝置中各種損耗的等效電阻；idc為補償模型負載電流。

對該補償模型簡化原理圖分析可得其輸出電壓udc，如公式（6）所示。

式中：K表示比例系數(shù)；δ表示該補償模型輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。

該補償模型電壓動態(tài)方程如公式（7）所示。

式中：t表示該補償模型運行時間。

將公式（6）和公式（7）合并即為充電樁接入電網(wǎng)補償模型表達式，如公式（8）所示。

至此完成了充電樁接入電網(wǎng)補償模型建立。

1.4 設(shè)置最優(yōu)均衡補償電壓

最優(yōu)均衡補償電壓的設(shè)置需要考慮多方面因素，包括電網(wǎng)變壓器容量、負荷需求、系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行效率等。在電網(wǎng)中，變壓器是關(guān)鍵元件，其工作穩(wěn)定性會直接影響整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。變壓器容量過小會導致系統(tǒng)過載，容量過大則會造成浪費。變壓器運行效率與容量有密切關(guān)系。容量過大會導致空載損耗增加，從而降低運行效率。因此，要選合適的變壓器容量，以提高運行效率。負荷需求是變壓器容量規(guī)劃的重要因素。對電力系統(tǒng)來說，負荷需求決定電網(wǎng)的供電量。對地區(qū)用電需求進行預測和分析可以確定未來一段時間內(nèi)的負荷需求，從而為變壓器容量的選擇提供依據(jù)。同時還需要考慮可能出現(xiàn)的負荷增長，以適應未來的用電需求。

變壓器是供電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的供電設(shè)備，其負載值能夠反映供電變壓器剩余容量的豐富程度，即評估變壓器容量，確定變壓器是否超負荷[6]。

電網(wǎng)變壓器負載率表達式如公式（1）所示。

式中：Pmax表示電網(wǎng)變壓器最大容量；S表示電網(wǎng)變壓器運行速度；T表示電網(wǎng)變壓器運行時間。

由此可得電網(wǎng)變壓器容量P，如公式（10）所示。

綜上所述，合理的變壓器容量可以確保電網(wǎng)有效運營，充電樁接入電網(wǎng)的電流頻率和不均勻程度必須通過電流和電壓的正序及負序分量分離控制來獲得。由于等效的正序分量ud可以在正常的旋轉(zhuǎn)坐標系（d，q）中按λ順時針方向旋轉(zhuǎn)并得到ud'，而負序分量uq也可以按λ順時針方向旋轉(zhuǎn)并得到uq'，因此可以推斷，負序旋轉(zhuǎn)坐標系可以等值轉(zhuǎn)動，正序旋轉(zhuǎn)坐標系可以按2λ進行相反方向的旋轉(zhuǎn)，從而在旋轉(zhuǎn)坐標系中得到電壓的正序和負序分量。

最優(yōu)均衡補償電壓U如公式（11）所示。

由最優(yōu)均衡補償電壓分序進行充電樁接入電網(wǎng)的均衡補償，其觸發(fā)原理如圖4所示。

圖4 充電樁接入電網(wǎng)的均衡補償觸發(fā)原理

通過疊加正序和負序分量生成最優(yōu)均衡補償電壓，并轉(zhuǎn)換坐標以觸發(fā)充電樁接入電網(wǎng)裝置的補償功能。觸發(fā)充電樁接入電網(wǎng)控制逆變電路，使其輸出補償電流，補償電網(wǎng)負載電流中的正序和負序分量[7]。至此高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補償完成。

2 試驗

2.1 試驗準備

在仿真驗證的基礎(chǔ)上，本文選用西藏海拔3000m 以上某地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)模型。將電網(wǎng)電壓的有效值設(shè)為110V，設(shè)置阻感性負載，將電池側(cè)電壓設(shè)為60V，直流母線電壓設(shè)為200V，同時參考充電樁部分參數(shù)，見表1。接入電壓變換器，設(shè)變換器的開關(guān)頻率為10kHz。

表1 充電樁部分參數(shù)

2.2 試驗說明

單個充電樁接入電網(wǎng)時，電網(wǎng)的損耗功率會流向充電樁，使電流和電壓檢測出的波形出現(xiàn)明顯的相位偏移。根據(jù)表1 設(shè)置的充電樁的試驗參數(shù)，充電樁接入電網(wǎng)但沒有進行均衡補償前的電壓電流波形如圖5所示。由圖5 可知，電壓電流出現(xiàn)相位差，即無功電流是由電網(wǎng)流向充電樁的。充電樁接入電網(wǎng)實現(xiàn)均衡補償后的電壓和電流波形如圖6所示。

圖5 接入電網(wǎng)前電壓電流波形

圖6 接入電網(wǎng)后電壓電流波形

為進一步證明本文設(shè)計的高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補償方法的優(yōu)越性，采用文獻[1]基于小波變換的微電網(wǎng)諧波電流動態(tài)補償方法（方法1）、文獻[3]雙線圈并聯(lián)ICPT 系統(tǒng)的分布式補償電流均衡方法（方法2）作為本文方法的對比方法。接入電網(wǎng)均衡補償后3 種方法電壓電流波形如圖7所示。

2.3 試驗結(jié)果分析

比較上述試驗結(jié)果可知，使用本文研究的高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補償方法后，電網(wǎng)電壓電流波形幾乎一致，說明補償了充電樁接入電網(wǎng)的功率，并且響應時間短，證明本文設(shè)計的方法更好，更具有研究價值。

3 結(jié)語

綜上所述，高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的均衡補償方法研究具有重要意義。通過綜合分析地理、氣候、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及充電樁性能等多方面因素，探索適合高海拔地區(qū)的充電樁接入電網(wǎng)的均衡補償方法。未來的研究將進一步完善充電樁性能評估和仿真分析方法，尋求更優(yōu)化的充電策略和經(jīng)濟、有效的均衡補償方案，以期推動電動汽車在高海拔地區(qū)的廣泛應用和可持續(xù)發(fā)展。