電動汽車充電對區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

王金行，趙生傳，劉遠龍，龔文杰，李文升

（青島供電公司，山東 青島 266002）

0 引言

隨著環(huán)境危機和能源危機所帶來的影響日益顯著和電池技術(shù)不斷發(fā)展，電動汽車的經(jīng)濟性能在不斷地提高，以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，并已經(jīng)成為普遍共識。

電動汽車在性能和經(jīng)濟性方面已經(jīng)接近甚至優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車，并開始在世界范圍內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用[1]。由于充電機中的整流裝置等非線性元件的存在，必然會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波[2]。

1 區(qū)域電網(wǎng)設(shè)計

對區(qū)域電網(wǎng)進行如下假設(shè)：設(shè)計一個進線為35 kV出線為10 kW的變電站，主要為居民電網(wǎng)供電。為此變電站所供電網(wǎng)加入儲能空間：1）為其添加一定量的儲能空間，即充電電池；2）在電網(wǎng)中加入一個電動汽車充電站，距離上級變電站3 km。區(qū)域電網(wǎng)設(shè)計圖見圖1。

圖1 帶充電設(shè)備儲能的區(qū)域電網(wǎng)設(shè)計圖

為了進行仿真分析，在此作出以下假設(shè)：

1）假設(shè)1戶居民日常用電的最大功率為6 kW，2000戶居民，即最大負荷為12000 kW。

2）根據(jù)國家科技部規(guī)劃[3]，2015年電動汽車數(shù)量將達到230萬輛，2020年將達到1 700萬輛。所以在此假設(shè)電動汽車的擁有數(shù)量為1%，平均1戶人家為3口人，則此35 kV變電站下有60輛電動汽車。若考慮最嚴重的情況，電動車輛全部為大型車是很不現(xiàn)實的，也缺乏研究價值；若全部為中小型車，雖然應(yīng)該符合實際但仍缺少含有大型車的可能性，所以在此每輛電動車的最大功率還是使用平均功率，即12 kW。此電網(wǎng)中電動汽車總功率為720 kW。

3）假設(shè)變電站儲能占變電容量的5%，最大負荷為變電容量的80%。則變電站儲能最大功率為750 kW。

4）對變電站本身的儲能忽略線路損耗，對電動汽車充電站的儲能輸電線路選用LGJ-120/25線路，其每公里參數(shù)為r=0.223，x=0.348。

5）對電動汽車的使用者的行為預(yù)測是很重要的，直接影響著充電功率，在這里只考慮最嚴重的情況：假設(shè)所有的充電均是在用電高峰期進行，并且每戶用電量全是最高的6 kW。假設(shè)傳統(tǒng)負載功率因數(shù)為1，并且忽略傳統(tǒng)負載的諧波。

2 仿真模型的建立

根據(jù)上述電路設(shè)計圖，由matlab進行仿真，仿真電路圖見圖2。

充電設(shè)備模型中10 kV/380 V變壓器，整流裝置，濾波電感和電容的參數(shù)與單臺充電機模型相一致，充電負載等效電阻按照單臺充電機模型仿真所用方法分別取 0.423 Ω、0.423 Ω、0.441 Ω、0.441 Ω。電源參數(shù)，35/10 kV，并對變壓器參數(shù)，線路參數(shù)，負載變壓器參數(shù)，負載參數(shù)等進行設(shè)置。

3 仿真與諧波分析

對波形質(zhì)量即諧波含量進行分析，原負載處電壓電流波形均發(fā)生了較小程度的畸變。另外，電力變電站高壓側(cè)電流也含有一定的諧波。

3.不斷樹立巡視干部良好形象。教育巡視干部始終堅持正確的政治立場和政治方向，始終做到政治上清醒堅定、在重大問題的把握上旗幟鮮明，始終在思想上、行動上與黨委保持高度一致。保持公道正派、嚴謹敬業(yè)的作風(fēng)，講黨性、講原則，講真話、講實情，全面、真實、客觀、準確地向黨委反映被巡視單位的情況。深入基層，調(diào)查研究，謙虛謹慎，謹言慎行。恪守廉潔自律準則，嚴肅巡視工作紀律，認真執(zhí)行巡視工作《條例》《辦法》和《工作人員守則》，從嚴遵守巡視工作政治紀律、組織紀律、工作紀律和保密紀律，切實維護巡視工作的威信和尊嚴。

由單臺充電設(shè)備的仿真實驗可知充電設(shè)備產(chǎn)生5次、7次、11次、13次、17次、19次諧波。并由圖3-5的FFT分析圖看出這些諧波進入電網(wǎng)，電流波形發(fā)生畸變，其THD為2.39%。由圖7、圖8可知，充電設(shè)備的加入使負載電壓發(fā)生畸變，其THD為1.80%，從而引起負載電流發(fā)生畸變。

圖2 matlab仿真電路圖

圖3 變電站高壓側(cè)電流波形FFT分析

圖4 傳統(tǒng)負載電流波形FFT分析

圖5 傳統(tǒng)負載電壓波形FFT分析

以上數(shù)值只是最大負荷時的諧波畸變率，沒考慮傳統(tǒng)負荷變化、變壓器充電時間和電動汽車使用習(xí)慣（傳統(tǒng)負荷簡化模型[4]見表1、圖6，假設(shè)變電站充電時間為夜間0：00-5：00，電動汽車每小時充電數(shù)量[5]見表2、圖7），考慮這些因素后改變設(shè)備參數(shù)可以得到一天中總負荷曲線和THD變化曲線。

表1 傳統(tǒng)負荷百分比

圖6 傳統(tǒng)負荷百分比曲線圖

表2 電動汽車充電百分比

圖7 電動汽車充電百分比曲線圖

由上面數(shù)據(jù)可得到一天內(nèi)周期總負荷曲線，如圖8。從圖中我們明顯的可以看出電動汽車等儲能設(shè)施的使用方式，可以很好的起到“填谷”的作用。可以想象由于儲能設(shè)施的加入，為電網(wǎng)提供了儲能空間風(fēng)電等一些間斷性電源可能在低谷時加入電網(wǎng)。

圖8 一天內(nèi)周期總負荷曲線

由此可得一天內(nèi)總諧波含有率曲線，見圖9。

圖9 一天內(nèi)總諧波含有率曲線

從曲線上可以看出由于儲能的加入和儲能的使用方式，電網(wǎng)所增加的低谷期間，電網(wǎng)中所含有的諧波比例比較大特別是在后半夜，并在午后的一段時間出現(xiàn)一定數(shù)量的諧波。而在高峰期當(dāng)儲能容量為10%左右時，充電設(shè)備所引入的諧波畸變率最大不超過5%。

4 仿真與電壓分析

由于充電站的加入，必然會引起負載的增加而增加電壓壓降，電壓壓降是由于線路損耗造成的，由于上述仿真中，負載的輸電線路是采用理想線路，所以不能分析傳統(tǒng)負荷的壓降問題，為研究這個問題，重新進行電路設(shè)計，研究在一天的負荷周期內(nèi)帶有具有儲能的電網(wǎng)中的電壓最大壓降。

所設(shè)計電路圖如圖10和圖11所示，即在上個仿真的基礎(chǔ)上，在變電站與電源之間加上線路損耗。

圖10 仿真電路原理圖

圖11 仿真電路圖

設(shè)計所加線路為30 km。根據(jù)最大載流量選擇橫截面積為150 mm2的鋼絞鋁輸電線路，其參數(shù)為每公里r=0.21，x=0.387。對參數(shù)進行設(shè)置，并將電源電壓提升1.1倍。

5 結(jié)論

本文使用matlab對區(qū)域電網(wǎng)進行建模并研究大規(guī)模電動汽車充電對區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，主要包括諧波影響和電壓影響。高峰時段當(dāng)儲能容量為負荷10%時，充電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波畸變率不超過5%。考慮最嚴重情況，即負荷高峰時段充電設(shè)備滿負荷運行時，電壓下降2%左右。諧波影響和電壓影響均在國標允許范圍之內(nèi)。