考慮充電樁入網的配電網無功規劃研究

譚松英

（廣東電網有限責任公司 韶關樂昌供電局，廣東 韶關 512200）

0 引 言

配電網無功規劃的具體內容就是實現電力系統的無功分配，也就是在滿足系統的一定限制條件下，設計無功規劃設備的最佳分配方案和補償容量，實現電力系統的有效運行。由于可再生能源的易變性與不穩定因素，給充電樁接入供電系統造成一定困難。而系統的無功設計方式通常以某一典型的工作情況為例，基本不考慮可再生能源的分配和充電樁入網的影響，其規劃方法已經不能滿足系統的有效性與穩定性需求[1]。本文考慮了充電樁入網的出力隔斷特性和順序式設計方法，提升配電網的無功規劃效果，以改進的變電器系統作為實驗平臺，對設計的無功規劃方法進行實驗。

1 考慮充電樁入網的配電網無功規劃

1.1 構建充電樁入網整流模塊

整流模塊屬于充電樁的上層結構，為了使整流后的電壓滿足充電樁入網直流電壓要求，根據整流器具有的電壓升高特性，確定整流輸出電壓為900 V。根據整流器的原理，搭建仿真結構[2]。供電電源的頻率為50 Hz，交流電源的有效值為400 V。整流器采用電壓外部控制和電流內部控制相結合的控制方式，使變電器中的特性電壓達到平衡狀態。仿真模型如圖1所示。

圖1 充電樁入網仿真模型

電壓外部控制能夠提供充電樁入網內部電流的調控指令，采用恒壓（Constant Voltage，CV）控制器進行電壓的外部控制，從而保證直流輸出主線電壓的穩定[3]。輸入電流的內部控制采用限制電流方法，使用非線性變電器代替傳統的電流控制器。變電器功率的選擇會直接影響到整流器輸出側主線電壓的變化情況，因此要平衡開關的頻率和電網側的波動電流，還要規定適合的變電器功率。變電器的功率越小，開關頻率會越大，充電樁入網電網側的波動電流將會減小；變電器的功率越大，開關頻率會越小，充電樁入網電網側的波動電流將會增大[4]。當輸入電流需要的功率偏差超過規定的變電器功率時，根據設計的開關頻率控制電路開關的打開和關閉，從而使得需求功率的偏差控制在變電器功率的范圍內。對變電器電壓進行平衡控制是為了防止電壓產生大幅度的波動，從而減小因電壓不穩定產生的惡劣電流波動。

根據節點電流定律實現節點波動電流值的控制，對充電樁的入網過程進行濾波處理。目前，電流波動防治方面的技術相對來說已經比較完善，濾波的方法也有很多種，其中稀疏時域（Sparse Time Domain，STD）法的反應速度快、可控性高、價格合理且技術成熟，因此采用STD法對電流值進行控制[5]。利用STD法對單個充電樁入網電流進行濾波后的波形如圖2所示。

圖2 濾波后A相電流波形

從圖2可以看出，使用STD法進行濾波后的電流波形有了很大的優化，幾乎與正弦形態相近，電流的波動趨勢也大幅下降，濾波效果十分明顯。

1.2 設計配電網的準入目標

根據充電樁入網電流值，設計配電網的準入目標。為了保證配電網可以安全運行，所有的用電設備都需要進行安全設定，不能因單體存在的安全風險影響電網的安全運行。根據配電網電力質量的相關標準規定，設計電壓的最大偏差量和波動電流的最大值。為了確保配電網能夠安全可靠地運行，充電樁接入電網時應保證電網各節點的電壓偏差量不超過其最大規定值，即

式中：ΔUj為節點電壓偏差量；Uj為節點電壓；UM為電網標準電壓值；n為配電網節點數；ΔUmax為配電網所規定的節點電壓偏差最大值[6]。充電樁接入電網時，向接入節點注入的波動電流應不超過所允許的最大值，各波動電流的含有量應滿足標準規定的相應標準值，即

式中：THDj為波動電流含有量；l為波動次數；H為震蕩電流值；THDjmax為總波動電流形變率。由于直流充電樁接入電網所產生的波動電流相對于震蕩電流的含量較少，且高頻率波動含量相對于低頻率波動次數可忽略不計，因此本文只研究不高于18次的波動電流[7]。配電網運行的經濟性也是電力系統無功規劃任務之一，經濟運行的一個重要標準是配電網的損耗率，主要指有功損耗。含有充電樁的配電網有功損耗率φ的計算公式為

式中：φ表示配電網的有功損耗率；p1表示電網負載；pe表示充電樁入網的有功功率；pspend為配電網的有功損耗。有功損耗為

式中：i為配電網支路的編號；Ii為第i號支路的電流量；Rq為第i號支路的電阻值。研究電網接納充電樁入網能力的大小就是研究在滿足電網電力質量標準和電網流通量限制的前提下同時接入配電網充電樁的最大負荷是多少，由于配電網的大功率充電是通過充電樁接入電網的，因此確定最大的充電負荷可以轉化為確定接入電網的充電樁數量。

1.3 設計配電網無功規劃目標函數

根據配電網中的充電樁準入目標，設計無功規劃目標函數。為了更明顯地體現出規范方法降低損耗的能力，采用規劃方法的總收益作為目標函數[8]。構建設備損耗率、配電網設備壽命與規劃方案的收益模型為

式中：Sp為每年的無功規劃收益；ΔPspend為有功損耗的減少值；t為最大負荷的持續時間；β為電價；Sw為每年的維護費用，一般取投資費用的8%；Sv為電壓超越限制的多余費用；α為等額分配的折算系數；Sc為配電網設備的投入資金。考慮充電樁入網做功、不做功的順序性，設計配電網減少的有功損耗計算公式為

式中：Δpn為第n種做功狀態時配電網無功前后的有功損耗減少值；ηn為第n種做功狀態的頻率[9,10]。根據做功情況分別計算電壓超越限制的費用，再進行權重處理，具體計算公式為

式中：KV為電壓超越限制的指數；m為配電網的節點數。

2 實驗分析與結論

為了證明本文設計方法的優越性，根據設計的規劃函數，采用C++語言設計配電網無功規劃模型。以配電網的無功規劃為基礎，該配電網的網絡結構如圖3所示。

圖3 配電網網絡結構

節點0為結構平衡節點，充電樁的接入點為計算機控制節點，其他為無載體節點。為了驗證本文設計的無功規劃方法的優點，將傳統無功規劃方法和本文設計規劃方法進行對比分析。實驗中，上層節點的電壓取11.2 kV，配電網設備的使用期限為12年，電價取0.46元/（kW·h），無功規劃的固定投資費用為10 000元，維護成本取初始投入資金的8%，資金的變現率為7%。最大負荷需求時間取4 000 h，規劃容量為10的整數倍。利用無功規劃目標函數對本文方法及傳統方法進行進行對比實驗，迭代次數的最大值為380次，2種方法的對比結果及投入成本如表1所示。

表1 2種方法的規劃結果及投入成本

從表1可以看出，充電樁的入網操作能明顯減少配電網的有功損耗，配電網設備的投入資金減少了2.46萬元。合理安裝無功補償變電器組能降低配電網的損耗，以總收益最大為目標函數設計了規劃方案，能使收益最大化。

3 結 論

利用充電樁做功和不做功出力狀態設計配電網無功規劃方法，考慮配電網負荷情況與充電樁入網輸送能力，能夠更有效地增強無功設計的合理性。通過分析充電樁入網情況下的規劃方法，其函數和方法也可應用于其他接入電源或多種接入電網的配電網無功規劃研究。