光儲式電動汽車充電站入網(wǎng)電壓偏差分析

徐明宇

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江哈爾濱150030)

光儲式電動汽車充電站(以下簡稱:光儲充電站)作為一種新型微網(wǎng)，運行工況復(fù)雜多變，所以光儲充電站接入電網(wǎng)前應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定，根據(jù)實際情況和相關(guān)參數(shù)進行電壓偏差仿真計算，對其運行后可能對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響進行分析評估，以采取相應(yīng)措施，保證光儲充電站入網(wǎng)后電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 仿真依據(jù)

1.1 光儲充電站概況

本文以黑龍江省電力科學(xué)研究院光儲充電站為研究對象。該光儲充電站共選用3臺并網(wǎng)逆變器，每臺逆變器接入22塊光儲充電池，11塊為一組進行串接，再和另外一組并在一起。3臺并網(wǎng)逆變器共接入66塊光儲充電池，總功率為19.14 kW，逆變器輸出側(cè)接入380 V母線。該充電站設(shè)有一個容量為100 kW的直流充電機和一個容量為3.5 kW左右的交流充電樁，可以分別對直流電動汽車和交流電動汽車充電。

1.2 計算條件

1)計算水平年:2011年。

2)本次仿真計算所采用的電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備參數(shù)，如變壓器、線路、母線、負荷等，均是由黑龍江省電網(wǎng)相關(guān)部門提供。

1.3 仿真模型

本次仿真計算采用PSASP軟件。PSASP是一款功能強大、使用方便的電力系統(tǒng)分析程序，它基于電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、固定模型庫以及用戶自定義模型庫的支持，可以對電力系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)分析、故障分析以及機電暫態(tài)分析等各種分析計算。由PSASP軟件搭建的光儲充電站接入電網(wǎng)模型如圖1所示。由于光儲充電站和充電站的容量較小，因此，只需研究0.38 kV和10 kV系統(tǒng)即可，此模型只包含了0.38 kV和10 kV系統(tǒng)。

圖1中橫向粗實線表示母線，縱向細實線表示線路，箭頭表示等效負荷，其它圖示元件為變壓器和光儲充電站。

圖1中光儲充電站采用負荷模型，負荷的大小主要由充電機的容量決定。

圖1 光儲充電站接入系統(tǒng)模型

圖1中光儲充電站采用PSASP提供的光儲充模型。此模型通過自定義導(dǎo)入PSASP程序后，只需輸入光儲充伏電站和光儲充電池的相關(guān)參數(shù)，便可利用電網(wǎng)數(shù)據(jù)，模擬光儲充電站接入電網(wǎng)，進行暫態(tài)、擾動等各種分析計算。

2 光儲充電站入網(wǎng)電壓偏差分析

由于光儲充電站出力就地平衡，而充電站實質(zhì)上是一個負荷，因此這里分為兩個方面進行分析，即光儲充電站單獨入網(wǎng)和充電站單獨入網(wǎng)。光儲充電站單獨入網(wǎng)時全站的出力最大，而充電站單獨入網(wǎng)時全站的負荷最大。光儲充電站或充電站的單獨入網(wǎng)分析又要分為兩種情況:系統(tǒng)大負荷及系統(tǒng)小負荷。

圖2至圖6中所顯示的電壓為實際值，單位為kV;潮流和等效負荷中所顯示的有功功率和無功功率為標幺值，基準值分別為100 MW和100 MV·A。

2.1 光儲充電站入網(wǎng)前潮流及穩(wěn)態(tài)電壓

系統(tǒng)大(小)負荷下光儲充電站入網(wǎng)前的系統(tǒng)潮流分布及穩(wěn)態(tài)電壓如圖2所示。

2.2 光儲充電站入網(wǎng)后潮流及穩(wěn)態(tài)電壓

系統(tǒng)大(小)負荷下光儲充電站入網(wǎng)后滿出力時的系統(tǒng)潮流分布及穩(wěn)態(tài)電壓如圖3所示。

2.3 充電站入網(wǎng)后潮流及穩(wěn)態(tài)電壓

系統(tǒng)大(小)負荷下充電站入網(wǎng)后滿載時的系統(tǒng)潮流分布及穩(wěn)態(tài)電壓如圖4所示。

2.4 仿真結(jié)果分析

這里主要對系統(tǒng)相應(yīng)母線的電壓偏差進行分析，電壓偏差根據(jù)仿真所得到的母線穩(wěn)態(tài)電壓計算得出，具體公式為［1］

圖2 光儲充電站入網(wǎng)前系統(tǒng)潮流及穩(wěn)態(tài)電壓局部示意圖

圖3 光儲充電站入網(wǎng)后滿出力時系統(tǒng)潮流及穩(wěn)態(tài)電壓局部示意圖

式中:ΔU為電壓偏差;U為電壓測量值;Uref為系統(tǒng)標稱電壓。

這里由于是根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進行分析，所以電壓測量值用的是仿真所得到的母線穩(wěn)態(tài)電壓值。

圖4 充電站入網(wǎng)后滿載時系統(tǒng)潮流及穩(wěn)態(tài)電壓局部示意圖

2.4.1 光儲充電站入網(wǎng)前后電壓偏差分析

由于光儲充電站的容量很小，因此，只分析光儲充電站滿出力時0.38 kV和10 kV母線電壓偏差情況。

在系統(tǒng)大負荷的情況下，光儲充電站入網(wǎng)前后相關(guān)母線電壓偏差情況如表1所示。

表1 系統(tǒng)大負荷下光儲充電站入網(wǎng)前后相關(guān)母線電壓偏差情況 %

表2 系統(tǒng)小負荷下光儲充電站入網(wǎng)前后相關(guān)母線電壓偏差情況 %

從仿真結(jié)果看，無論系統(tǒng)是大負荷還是小負荷運行情況，由于光儲充電站的接入，改變了系統(tǒng)潮流，因此，黑電科院0.38 kV母線、黑電科院10 kV母線、黑珠江10 kV母線的電壓稍有上升。但由于光儲充電站出力太小，因此，電壓變化非常小，均保持在正常運行范圍內(nèi)，三條母線的電壓偏差也均符合GB/T 12325－2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》相關(guān)規(guī)定(20 kV及以下三相供電電壓偏差限值為標稱電壓的±7%)［1］。由此可見光儲充電站投運后，不會對電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓產(chǎn)生影響。

2.4.2 充電站入網(wǎng)前后電壓偏差分析

由于充電站的容量較小，是一個小型的充電站，因此，只分析充電站滿載時0.38 kV和10 kV母線穩(wěn)態(tài)電壓波動情況。

在系統(tǒng)大負荷的情況下，充電站入網(wǎng)前后相關(guān)母線電壓偏差情況如表3所示。

表3 系統(tǒng)大負荷下充電站入網(wǎng)前后相關(guān)母線電壓偏差情況 %

表4 系統(tǒng)小負荷下充電站入網(wǎng)前后相關(guān)母線電壓偏差情況 %

從仿真結(jié)果看，無論系統(tǒng)是大負荷運行還是小負荷運行，由于充電站的負荷相對電科院的整體負荷所占比重較大，因此，當充電站滿載工作時，黑電科院0.38 kV母線、黑電科院10 kV母線、黑珠江10 kV母線的電壓都有所下降，尤其以黑電科院0.38 kV母線電壓下降為最大，降幅達到1 V左右。但從整體上看，三條母線的電壓仍然保持在正常運行范圍內(nèi)，母線電壓偏差均符合GB/T 12325－2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》相關(guān)規(guī)定。由此可見，當充電站正常工作運行時，不會對電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓產(chǎn)生較大影響。

2.5 光儲充電站入網(wǎng)后實際電壓偏差

本節(jié)的圖5至圖7是在系統(tǒng)處于大負荷時錄取，錄波時黑電科院0.38 kV母線所帶負載的容量要比大負荷仿真時所用的負載模型要大些。

光儲充電站入網(wǎng)前黑電科院0.38 kV母線A相電壓如圖5所示。其電壓正偏差為0，電壓負偏差(95%概率值)為3.44%。

圖5 光儲式充電站入網(wǎng)前A相穩(wěn)態(tài)電壓示意圖

光儲充電站入網(wǎng)后平均60%出力下黑電科院0.38 kV母線A相電壓如圖6所示。其電壓正偏差(95%概率值)為0.32%，電壓負偏差(95%概率值)為2.72%。

圖6 光儲充電站入網(wǎng)后A相穩(wěn)態(tài)電壓示意圖

充電站入網(wǎng)后充電電流為55 A下黑電科院0.38 kV母線A相電壓如圖7所示。其電壓正偏差為0，電壓負偏差(95%概率值)為3.08%。

圖7 充電站入網(wǎng)后A相穩(wěn)態(tài)電壓示意圖

當充電電流到120 A時，經(jīng)測取黑電科院0.38 kV母線A相電壓已經(jīng)降到210 V左右，最大電壓負偏差達到4.55%。

從測取結(jié)果看，實際測取的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)整體趨勢基本一致，光儲充電站的接入能夠稍微提高0.38 kV母線的電壓，而充電站的接入能使0.38 kV母線的電壓下降較大，但由于實際錄波時系統(tǒng)的工況與仿真所設(shè)定的工況有所差異，并且0.38 kV母線所帶負載的容量要比仿真時所用的負載模型要大，因此，實際的母線電壓偏差要比仿真所得到的母線電壓偏差稍大些，但誤差不大。從整體上看，實際測取的0.38 kV母線電壓偏差仍然符合GB/T 12325－2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》相關(guān)規(guī)定。

需要注意的是:當光儲充電站和充電站都不接入時，0.38 kV母線電壓負偏差本身就較大，而當充電站大負荷接入時，0.38 kV母線電壓最大負偏差較為接近限定值，所以應(yīng)該采取相應(yīng)措施，提前預(yù)防電壓偏差進一步擴大。

從仿真數(shù)據(jù)及實測數(shù)據(jù)看，電壓負偏差大主要是由于系統(tǒng)尤其是黑電科院0.38 kV母線無功功率缺額引起的，因此，需要在0.38 kV母線加裝無功補償裝置，增加系統(tǒng)無功功率。

2.6 光儲充電站及充電站的無功補償

作為一個小型的光儲式充電站，無功補償采用電容器即可，簡單實用，投資較少。如果想實現(xiàn)無功補償?shù)耐瑫r還要改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量，可以采用具備無功補償功能的有源濾波裝置。

大中型光儲充電站內(nèi)的匯集系統(tǒng)、主變及送出線路等設(shè)備吸收無功功率，而且電站還要具備一定的低電壓穿越能力，所以大中型光儲充電站需要配置無功電壓控制系統(tǒng)，使其具備無功功率和電壓的控制能力，具體的無功補償容量國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW 617－2011《光儲充電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》有相應(yīng)說明［2］。

大中型充電站由于系統(tǒng)構(gòu)成龐雜，充電機、變壓器等吸收無功功率的設(shè)備較多，所以要進行相應(yīng)的無功補償，以使充電站的功率因數(shù)達到0.9以上。

為實現(xiàn)大中型光儲充電站、充電站無功功率快速連續(xù)的自動平滑調(diào)節(jié)，同時改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量，建議采用性能較優(yōu)的SVG。

3 結(jié)束語

隨著國內(nèi)光儲充發(fā)電系統(tǒng)以及電動汽車充電站的大規(guī)模推廣，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行將面臨著巨大挑戰(zhàn)。在這種形勢下，光儲充電站入網(wǎng)未來還需要在許多方面進行深入研究。希望本文所研究的成果及相關(guān)實驗數(shù)據(jù)對今后國內(nèi)外光儲充電站的建設(shè)和運行起到參考和借鑒作用，同時為其它類型的微網(wǎng)系統(tǒng)提供科學(xué)的設(shè)計思路和合理的研究方法。

［1］GB/T 12325－2008，電能質(zhì)量 供電電壓偏差［S］.

［2］Q/GDW 617－2011，光儲充電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］.