電動汽車接入配電網的分區評估方法

姚文峰，陳亦平，王滔，方必武，張野，趙文猛，李永亮

（1.南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510663； 2.中國南方電網有限責任公司，廣州 510663）

引言

“雙碳”戰略目標背景下，新能源電動汽車發展迅猛，安全、快速的電動汽車充電成為了電動汽車推廣的關鍵環節[1]。當前，最主要的充電方式是將電動汽車的電池通過換流變接入電網進行快速充電，快速充電的過程涉及到大功率電力電子設備的能量轉換，容易對電網造成的沖擊，主要體現為電動汽車大規模接入時的巨大電量需求，導致電網的電壓、頻率等參數發生變化。

當前對大規模電動汽車接入電網影響，多采用頻率或電壓單一狀態的識別，實際電網運行過程中，只有當頻率或電壓的幅值出現較大變化時，才可以較好識別出來，對于幅值變化不是很明顯情況下，識別度較差。

針對上述問題，本論文依托現有電動汽車測控系統的采樣和計算能力，充分利用頻率和電壓兩個指標的變化來觀察電動汽車接入對電網的影響，綜合采用頻率和電壓進行電動汽車大規模接入的電網狀態識別。

1 沖擊性負荷特性

電動汽車接入電網后，尤其大規模接入電網進行充電的過程，電網相當于接入了一個電力電子形式接口的巨大負荷，電動汽車接入區域電網的模型如圖1 所示。此時，電動汽車所接入的區域電網出現了大量的用電需求，通常需要從其他區域電網通過聯絡線轉移功率，以支撐電動汽車所接入的區域，較大的功率轉移，會在聯絡線及其他相關線路造成更大的壓降。電動汽車接入點PCC 的壓降方程如公式（1）所示。

式中：

P—有功功率；

R—電阻大小；

Q—無功功率；

X—電抗大小；

ΔU—電網電壓的變化量大小。

電動汽車大規模接入電網，相當于大量負荷突然接入電網，為了給負荷供電，有功P 和無功Q 都增加，電動汽車接入充電越多，P 和Q 就越大，ΔU 也就越大，即電網電壓下降越多[2]。同時，短時大量負荷突然增加，對區域電網的頻率也可能會有影響。電網的頻率在正常供電的情況下在額定值附近波動，當大量電動汽車大規模接入電網時，相當于電網短時間接入大量負荷，電網容易受到沖擊，電網的頻率可能發生變化。電網頻率的下降由負荷功率和發電功率不平衡導致，由轉子運動方程（2）可以推出大量負荷突然接入時電網頻率f 會下降[3]。

TJ—發電機的慣性時間常數；

ω—電氣角速度；

PT—原動機機械功率；

PE—發電機電磁功率；

*—標幺值。

由公式（2），供電穩定時負荷功率和發電功率保持平衡PT*=PE*。電動汽車大規模接入電網，負荷大量增加，發電機電磁功率PE*突然上升，電動車剛接入充電時原動機機械功率不會突變，所以PT*保持不變，PT*＜PE*，負荷功率和發電功率不平衡，PT*-PE*小于0，小于0，電氣角速度ω 減小，由公式（3），電網的頻率f下降。

2 電壓-頻率二維坐標識別方法

針對電網檢測的靈敏度、準確度不高的問題，本論文綜合采用頻率和電壓進行電動汽車大規模接入的電網狀態識別，通過同時檢測電網的頻率和電壓兩個指標，更全面考察電動汽車接入電網的運行狀態變化，具體實現上，構建頻率-電壓二維坐標，在二維坐標上，進行電壓和頻率的直觀展現分析，通過不同區的狀態，可以及時預警電動汽車大規模接入時電網狀態變化。本文建立“電壓-頻率”的二維坐標并進行分析識別，把電壓-頻率圖分九區可以更清晰地展現電網所處的運行狀態。

本文方法可以根據電網實際運行波動情況，靈活設置“電壓-頻率”九個區的允許偏離值，默認情況下，電壓的偏差值參考GB/T 12325-2008《電能質量與供電電壓偏差》要求，20 kV 及以下電壓等級三相供電電壓偏差在標稱電壓的士7 %，節點電壓運行的上下限為0.93和1.07（標幺值）。

頻率的偏差值參考GB/T 15945《電能質量電力系統頻率允許偏差》標準中的規定：“我國電網頻率正常為50 Hz，頻率等級：A 級 ≤±0.05 Hz；B 級≤±0.5 Hz；C 級 ≤±1 Hz”。本文選取A 級0.05 Hz作為允許偏差值。

電網電壓和頻率同時滿足上述條件即落在正常波動區間，其中：

UN+表示電網電壓的最大允許值，UN-表示電網電壓的最小允許值，fN+表示電網頻率的最大允許值，fN-表示電網頻率的最小允許值。UN為電網額定電壓，fN為電網額定頻率。

以UN+，UN-，fN+，fN-四個指標為界劃定九個區，根據當前電網電壓和頻率落在哪個區來檢測電網的變化。

針對“電壓-頻率”9 區中，電壓和頻率都偏低，但按經典的電壓或者頻率閾值方法又屬于允許偏差范圍內的運行數據，處于邊緣狀態的電網運行情況，設立電動汽車識別曲線以提高識別靈敏度。

電動汽車大規模接入充電后，相當于短時接入巨大的沖擊性負荷，接入點的電網電壓和頻率可能降低，同時考慮大電網的頻率由于具有慣性，相當于電壓的變化會較為緩慢。因此，構建的電動汽車識別曲線呈曲線下降趨勢，形狀類似反比例函數，采用反比例函數來近似表示電動汽車識別曲線。電動汽車識別曲線具體的數據模型如下分析。

故電動汽車識別曲線定義如下：

圖2 藍色陰影部分即輕微預警區間的定義如下：

圖2 電網狀態的九區劃分-基于電壓和頻率

假設某一時刻電網的電壓和頻率分別為U、f，在電壓-頻率圖中表示為坐標（f，U），滿足：

則電網狀態落入輕微預警區間，發出輕微警報。

圖2 紅色陰影部分即嚴重預警區間的定義如下：

在電壓-頻率圖中表示為坐標（f，U），滿足

則電網狀態落入嚴重預警區間，發出嚴重警報。

3 仿真分析

在Matlab 軟件上，搭建電動汽車接入區域電網的模型，在此基礎上構建聯絡線實現兩個區域電網的連接，如圖3 所示，仿真的控制方法與模型參數借鑒文獻[4]，但本文重點分析電動汽車接入后對電網的沖擊，不考慮電動汽車作為儲能元件的放電過程。本文選擇所區域電網B 作為所研究的電動汽車，從小到大的容量進行仿真分析。

圖3 接入電動汽車的區域電網模型

進行電動汽車容量比25 %、50 %、75 %、100 %的仿真，把這四個容量比的電壓、頻率值用“電壓-頻率”二維坐標表示，分別記作點C（f1，U1）、D（f2，U2）、E（f3，U3）、F（f4，U4）， 取fN=50 Hz，UN=10 kV，具 體 數 值 為C（fN-0.014，0.965UN），D（fN-0.019，0.946UN），E（fN-0.037，0.932UN），F（fN-0.063，0.753UN） 。取標準：fN-=fN-0.05，UN-=0.93UN。用九區進行劃分，CDE 落在9 區，F 落在6 區，由于CDE 均落在預警區（UN-≤U ≤UN，fN-≤f ≤fN）利用電壓識別曲線判斷這三點是落在輕微預警區還是嚴重預警區。若滿足fN-≤f ≤fN且則落在輕微預警區，若滿足fN-≤f ≤fN且則落在嚴重預警區。參數為便于表示，記分別代入CDE 點，得U′1、U′2、U′3，計算得對于落在預警區的CDE 點，C 在輕微預警區，DE 在嚴重預警區，如圖4 所示。

圖4 電網狀態九區圖中各點分布

4 結論

通過對電動汽車接入電網的沖擊性負荷特性的分析，研究不同容量比情況下電動車接入電網對電網電壓和頻率的變化情況，對電網狀態的檢測和評估，并及時發出預警，有助于保證電網的供電質量。