電動汽車負荷對配電網暫態電壓穩定性的影響仿真與分析

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引言

在環保的壓力和政府的扶持下,我國電動汽車行業發展十分迅速。許多學者在規模化充電負荷對電網的影響等方面做了研究,對電動汽車負荷建模的研究著重于靜態負荷模型,而對充電動態過程的研究較少。電動汽車充電站作為一種大功率的電力電子器件組成的設備,未來若大量接入含有感應電機負荷等的配電網,根據接入位置、接入點容量和滲透率等的不同,會對配電網暫態電壓穩定性產生不同程度的影響。

基于此,本文通過搭建電動汽車充電站的動態模型,將其和綜合負荷模型接入配網系統中進行仿真分析,對電動汽車負荷大量接入對配電網暫態電壓穩定性的影響及影響因素進行了評估和研究。

1 電動汽車負荷滲透率對電網暫態電壓穩定性的影響

選擇合適的電路參數,在matlab/Simulink平臺中搭建含有三相電壓源型PWM整流器、移相全橋ZVS直流變換器和動力電池組的充電站模型,每臺充電機最大充電功率35kW。在IEEE33節點輻射狀配電網中,根據有功、無功容量水平和離電源點遠近的不同,選取若干個有代表性的節點,接入充電站動態模型和綜合負荷模型,分析電動汽車充電站動態過程對電壓穩定性的影響及影響因素。配電系統如圖1所示,該系統基準電壓為12.66kV,基準容量為10MW,網絡總負荷為5084.26＋j2547.32kVA。

綜合負荷由用感應電動機表示的動態負荷模型和用恒功率負荷表示的靜態負荷并聯形成。其中,感應電動機的極限切除時間反應了暫態電壓穩定的水平,可以此參數作為指標,定量評估電動汽車充電站動態過程對配電網暫態電壓穩定性的影響以及不同特性的配網節點接入電動汽車負荷的穩定水平。

圖1 IEEE33節點配電網絡

設感應電機負荷所占比例為30%。在0.6s時設置三相短路故障,0.7s切除。在不同的電動汽車負荷滲透率下計算得到的極限切除時間結果如下圖。

圖2 不同電動汽車負荷滲透率下的極限切除時間對比

可見,隨著電動汽車負荷滲透率的提高,節點暫態電壓穩定水平呈先上升后下降的趨勢。在滲透率較小的時候,相對于沒有電動汽車負荷之時,暫態電壓穩定水平略有提升,這一點在負荷水平較高的節點中體現得尤為明顯,負荷水平較低的節點(2)基本持平,負荷水平最低的節點(3、18)則沒有上升的過程。

這是因為切除故障之后,整流器的快速響應能力對電壓恢復起到了一定的促進作用。由圖3可見,0.7s切除故障,恢復過程中整流器發出無功功率,提高了母線電壓,由于電壓和電磁功率Te呈正比,故而增加了加速面積,提高了極限切除時間。而整流器的調節能力是有限的,之后滲透率繼續提高,極限切除時間便開始減小。

圖3 滲透率為25%時節點25有功無功功率曲線

2 電動汽車負荷對配電網暫態電壓穩定性的影響因素

2.1 電動汽車負荷接入點距離根節點的遠近 從圖2可以看出,雖然節點4、節點14和節點3、節點18分別具有相同的負荷水平,但在各種滲透率下,距離電源點較遠的14、18節點極限切除時間更小。

2.2 節點的無功容量大小 以負荷滲透率為25%時為例,極限切除時間隨無功容量的變化曲線如下圖。

圖4 極限切除時間隨無功負荷的變化曲線

顯然,無功容量越高的節點,其暫態電壓穩定水平也越高,受到電動汽車負荷動態特性的影響也越小。

2.3 節點動態負荷比例 實際的配電網系統中,各節點的動態負荷比例不盡相同。如城市工業區的動態負荷比例要高于居民區和商業區。對節點2和節點14,改變其感應電動機負荷所占比例α,在不同的EV負荷滲透率下進行仿真,得到結果如下圖。可見動態負荷含量越高的節點,其暫態電壓穩定水平越容易受到電動汽車動態的影響。

圖5 不同動態負荷比例下的極限切除時間對比

3 結論

本文從電動汽車充電機的動態模型出發,將其接入配電網仿真算例中,以同節點的感應電動機負荷極限切除時間為指標,研究不同電動汽車滲透率下的暫態電壓穩定水平及其影響因素。結果顯示：在滲透率較小的時候,由于整流器能快速響應發出無功,暫態電壓穩定水平相對于沒有電動汽車負荷之時略有提升,在負荷水平較高的節點表現更明顯。而滲透率進一步提高時,電動汽車充電負荷開始對暫態電壓穩定水平產生不利影響。對比各個接入點可以發現,充電站動態過程對配電網暫態電壓穩定水平的影響與接入點無功容量大小、接入點與電源節點的距離遠近以及接入點動態負荷所占比例有很大關系,在充電站選址建設中應予以重視。通過評估和分析電動汽車充電站動態過程對配電網暫態電壓穩定水平的影響及其影響因素,為電動汽車大規模接入電網的安全穩定運行提供了一定的參考。結合電動汽車充電隨機特性和控制策略研究充電站的動態特性,將是下一步的方向。