基于前推回代法的電動汽車負荷對局域配網影響分析

李成飛　蔣力　汪博燁

摘 要：電動汽車在當代社會越來越普及，為了研究電動汽車充電負荷對配電網的負荷波動、電壓偏移和網絡損耗的影響，需要對接入充電負荷后的配電網進行潮流計算，得到系統的運行數據并進行分析。本文針對IEEE33節點局域配電網，采用了前推回代法進行潮流計算并對結果進行了分析。

關鍵詞：電動汽車 負荷波動 局域配電網 前推回代值

1 引言

1997年豐田公司推出第一款量產混合動力轎車以來，世界各國紛紛致力于電動汽車的研發[1][2]。電動汽車有無污染、噪聲低、能源利用效率高等優點，我國作為全球電動汽車第二大市場，有較好的應用推廣前景。隨之而來的是電動汽車充電問題，與傳統電力負荷不同，電動汽車的充電負荷在時間和空間上都具有較強的隨機性，大規模的充電負荷接入系統后可能給系統帶來負荷波動增強、頻率偏移、電能質量降低和網絡損耗增加等負面影響，造成系統難以維持安全穩定運行狀態、減小系統經濟運行能力的不良后果[3]。因此，提前做好電動汽車負荷對局域配電網的影響分析對電網安全穩定運行具有重要意義。

對于電力系統來說，保證供電的可靠性、保證良好電能質量和經濟運行是它的基本運行要求[4]。電壓質量、頻率質量和波形質量是衡量電力系統電能質量的三個技術指標。其中，電壓質量和頻率質量一般以偏移是否超過給定值來衡量，波形質量則以畸變率是否超過給定值來衡量。大規模電動汽車接入配電網充電對配電網帶來的影響，除了給系統的負荷波動帶來影響之外，還會影響電網的電能質量和經濟運行兩個方面。其中對電能質量的影響主要包括電壓偏移和諧波污染等方面，對經濟運行的影響主要指網絡損耗[5][6]。

2 配電網潮流計算

為了研究電動汽車充電負荷對配電網的負荷波動、電壓偏移和網絡損耗的影響，需要對接入充電負荷后的配電網進行潮流計算，得到系統的運行數據并進行分析[7]。對于輻射型配電網，可以采用前推回代法進行潮流計算。前推回代法的主要包括兩步迭代計算過程，分別為回代過程和前推過程[8]。電動汽車充電負荷接入的配電網潮流計算步驟如下所述：

（1）對配電網系統和各節點進行編號，生成系統的節點阻抗矩陣和關聯矩陣;

（2）輸入系統中接入電動汽車充電負荷的節點位置和各節點的負荷;

（3）假設系統所有節點電壓均為根節點的電壓，從系統的末端節點開始向根節點方向求解各支路的電流和功率損耗，即回代過程;

（4）基于回代過程得到的線路電流分布，從系統的根節點開始向末端節點計算更新各節點的電壓，即前推過程;

（5）判斷是否收斂，以前后兩次迭代的電壓幅值之差是否小于迭代精度為判斷條件，若，則迭代不收斂，轉至步驟（3）;若，則收斂，結束迭代。

電動汽車充電負荷接入的配電網潮流計算流程圖如圖1所示。

3 算例

配電網以IEEE33節點配電系統標準數據為參考，接線圖如圖2所示，電網中共有33個節點，32條支路，節點1設為平衡節點，其他節點均為PQ節點，節點支路信息如表1所示，，，網絡有功負荷。未接入電動汽車充電負荷的配電網負荷數據見表2。

4 電動汽車充電負荷對電網影響

顯然，形成足以影響配電網的電動汽車負荷與電動汽車接入電網的數量有關，即電動汽車充電負荷與汽車數量成正相關，同理可知對配電網的影響程度與汽車數量成正相關。那么，可定義電動汽車的滲透率為電動汽車接入電網的用電量與配電網的額定容量之比的百分數，如式（3.1）所示。

（3.1）

式中，為每輛標準電動汽車電池的充電功率，為該時刻時正在充電的電動汽車數量，為電網的額定有功容量。

假設每個節點分布的充電負荷較均勻，以下以990輛電動汽車的充電負荷為研究樣本接入電網，分別對局域配電網的負荷波動、電壓偏移和網絡損耗進行分析。

（1）負荷波動

選定滲透率為20%（248輛）、50%（620輛）和全部接入（990輛）三種電動汽車負荷接入電網時，電網的日負荷曲線如圖3所示。不同的滲透率對應的峰谷差率結果如表3所示。

從圖3中可以看出，電動汽車負荷接入電網之后，電網的總負荷在15：00至20：00明顯增大，其中包含負荷峰時，全部負荷接入電網之后的負荷峰值達到了4278.1，這是因為電動汽車負荷的峰時與電網本身的峰時基本重合，因此造成了“峰上加峰”的現象;以峰谷差率來衡量電網的負荷波動程度，從表3中可以得到，隨著電動汽車的滲透率的增加，峰谷差率逐漸增大，由56.25%增加到了58.03%，即負荷波動程度隨著滲透率的增加逐漸變大。

（2）電壓偏移

從負荷波動曲線中，可以得出20：00是系統的最大負荷時刻，分別作出在不同滲透率電動汽車下，20：00的33個節點的電壓偏移曲線，如圖4所示。可以觀察到，系統電壓偏移程度最大的節點18號節點。在沒有電動汽車負荷接入時，系統的最大電壓偏移低于9%。接入電動汽車充電負荷之后，18號節點的電壓偏移隨著滲透率的增大而增大，逐漸超出系統允許的電壓偏移限值，且隨著滲透率的增大，距離首端較遠的其他節點比如14號至17號、32號、33號節點的電壓偏移也超過了系統允許值。

（3）網絡損耗

不同滲透率的電動汽車負荷接入電網時的系統網絡損耗如圖5所示。可以看出，在20：00附近時的網絡損耗出現最大值，對比網絡損耗和負荷波形，發現兩者的變化趨勢相近，可見當系統中的負荷越大，產生的網損越大。隨著滲透率的增加，網絡損耗也增大，在電動汽車負荷高峰時期變化明顯，全部隨機充電負荷接入電網時的網絡損耗最大值為250kW。不同滲透率的電動汽車的接入系統時，在一個調度周期內，系統的總網損率如表4所示，沒有電動汽車負荷接入電網時，網損率為3.70%，當滲透率為20%、50%和全部接入時，網損率增加到3.72%、3.75%和3.79%，可見隨著電動汽車滲透率的增加，系統產生的總網損增大，使得電網不能達到經濟運行的要求。

5 總結

本文通過研究證明，隨著滲透率的增加，電動汽車充電負荷對系統的電負面影響逐漸增大：系統的負荷波動、電壓偏移程度、網絡損耗均會增大，從而影響系統安全穩定經濟運行。

結論表明，隨著電動汽車的逐漸普及，放任電動汽車充電負荷以隨機模式接入電網將對局域配電網產生多種不良影響。因此，供電部門采取電動汽車充電基站建設集中化、選址科學化、分時充電電價差異化等手段來對電動汽車的充電行為進行正確引導，最小化電動汽車充電負荷給局域配電網產生的不良影響存在必要性。

參考文獻：

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