电动汽车充电行为对配电系统可靠性影响的研究

电动汽车充电行为对配电系统可靠性影响的研究

崔,瑞,任有松

云南电网有限责任公司德宏供电局 云南德宏 678400

随着科技的发展和人民生活水平的提高，人们对生活品质和生活环境的要求越来越高，普通的燃油汽车已无法满足人们的需求，由此电动汽车的发展备受人们关注。但是，电动汽车作为一种随机性大的特殊负荷，如果大量的电动汽车无序地在电网中充电，会导致电网的供电压力增大，损耗增加。因此，电动汽车充电行为对配电网影响的研究就显得格外重要。

关键词：电动汽车充电机；充电电池；配电网可靠性；节点电压；线路损耗

引言

随着新能源汽车的推广，充电站建造的规模会越来越大，但电动汽车的充电负荷具有充电时间、位置、模式（无序充电和有序充电）及行驶行为等不确定性，如果电动汽车较大规模地同时或者乱序充电，很容易导致电网的供电负担加重，电压降落加剧、线路损耗增加、谐波污染以及电网峰谷之差加大等问题，严重影响了配电网的可靠性。因此，研究电动汽车大量使用时对电网所造成的负面影响，并采取适当的控制和引导策略，是未来电动汽车科学技术发展过程的重要基础。 本文主要通过在Simulink仿真平台上搭建电动汽车充电机和电池模型，分析了充电负荷不同数量、不同时刻、不同位置接入电网对电网变化的影响。

1电动汽车充电方式

现阶段我国电动汽车的充电方式主要有：一般模式、快速模式、更换模式。在研究电动汽车充电对配电网可靠性的影响时，需要考虑电动汽车充电方式、提供动力源的动力电池特性、以及电动汽车充电负荷的随机性和不确定性、用户使用习惯等因素。

1.1一般充电模式

一般充电是指充电设备可以随车携带──充电机，充电时通过携带式充电线对电动汽车进行充电，主要采用恒流和恒压充电两种方式，如图1-1所示。

图1-1  一般充电模式

1.2 快速充电模式

快速充电简单来说就是快速充满电，这种模式不同于常规充电，它的充电机不安装于车内，而是独立建在地面。它是充电机通过直流充电桩、直流电缆、接口为动力电池进行充电，如图2-2所示。

图1-2  快速充电模式

1.3 更换模式

    除了直接给车辆充电的前两种模式外，还有一种通过更换动力电池，在电池电量所剩不多时，用电量满载的电池组把电量低的电池换下的模式，称为更换电池模式，如图2-3所示。

图1-3  更换电池模式

在搭建仿真模型分析电动汽车充电行为对配电网可靠性的影响时，采用蓄电池代替电动汽车作为充电负荷对象接入充电机，从而对电动汽车充电过程进行仿真模拟。

2电动汽车充电负荷建模

通过前面的分析，发现电动汽车的充电方式主要是以电池和充电机为研究对象，所以本文采用电动汽车的蓄电池作为电动汽车的充电负荷模型。

2.1 电池模型的搭建

电池系统的模型一般有：电化学模型、热模型、耦合模型和性能模型四种[1]。

其中，电池性能模型是用来描述电池工作性能的，广泛用于电动汽车的充放电研究领域，又称为电气模型，主要有等效电路和交流阻抗两种模型，本文主要根据电池的等效模型利用MATLAB建立电池的充电模型。常用的线性等效电路模型为模型，基本原理是将电池等效为理想电压源E和内电阻R组成的串联电路，其中开路电压U1是随温度和电池荷电状态SOC变化的函数，电流为负载电流，规定充电时为负值，放电时为正值，其等效电路如图2-1所示。

图2-1  模型等效电路图

在Matlab/Simulink仿真软件中搭建电池模型时，本文选择了其SimPowerSystems模块中自带的电池模块，根据对各类电池性能的了解后，选择了作为理想动力源的锂离子电池模型作为了电动汽车的蓄电池模型，如图2-7所示。

图2-3 Simulink仿真环境下的蓄电池模型

2.2充电机模型的搭建

纯电动汽车的构成如图1-7所示。充电机主要由整流、DC/DC高频变换两部分构成，一般来说，电动汽车的充电机有三种基本结构：不可控整流电路＋斩波器、不可控整流电路＋DC/DC高频变换和PWM整流+DC/DC高频变换[2]。本文建立的充电机主要包括SPWM三相全控整流、Buck变换电路两部分，如图1-8所示，工作原理简要概括如下：380V三相交流电经过整流电路得到稳定的700V直流电压，整流输出的接入Buck电路进行DC/DC功率变换后为蓄电池进行充电。

图2-4  电动汽车充电机结构

图2-5  电动汽车充电机仿真模型

3电动汽车充电对配电网可靠性的影响

本节以IEEE14节点系统为例，将充电机作为理想负荷接入该配电网各节点，其网络拓扑图如图3-1所示，配电网参数如表3-1和表3-2所示。将主要研究不同数量充电、不同接入位置，对配电网各节点电压和线路损耗的影响。

图3-1  IEEE14配电网络结构拓扑图

表3-1  IEEE14配电网支路参数

表3-2  IEEE14配电网节点功率参数

3.1　不同充电负荷大小对配电网的影响

在研究不同充电负荷大小时，本文作了一定的假设，在Simulink仿真环境下搭建的IEEE14配电网的仿真模型，然后将充电机作为理想负荷接入配电网，研究充电负荷大小对该配电网各节点电压和线路损耗的影响。通过MATLAB计算程序计算各节点电压和线路损耗。仿真环境假设：每台充电机的型号相同，功率都为20KW，且充电机同时工作，假设分别在IEEE14配电网的8节点接入20台和50台充电机仿真结果如图3-2所示。

（a）电压变化                               （b）线路损耗

图3-2 不同数量充电机接入后配电网的节点电压和线路损耗变化

通过图3-2的（a）图可以看出：充电机接入数量越多，各节点电压幅值越低；由图3-2的（b）图可以看出：充电机接入后对该配电网的2号线路和7号线路的线路损耗影响较大，说明充电负荷越大，线路损耗越大且对接入点附近的线路影响更严影响更严重。

3.2　不同节点位置接入对配电网的影响

在研究充电机接入配电网位置对配电网的影响时，仿真模型、充电机功率以及工作状态均和上部分内容相同：每台充电机的型号相同，功率都为20KW，且充电机同时工作，在不同节点接入相同数量（数量设为50台）充电机，然后分别对同一馈线（3、8、9）和不同分支馈线上（2、3、4）的三个节点为例，仿真结果如图3-3所示。

（a）同一馈线三个节点（3、8、9）接入充电机的各节点电压变化及线路损耗

（c）不同馈线三个节点（2、3、4）接入充电机各节点的电压变化及线路损耗

图3-3不同位置接入充电机后配电网的节点电压和线路损耗变化

由表3-2可以看出位于同一馈线分支上的3、8、9节点的有功和无功功率较接近，不同馈线分支上的2、3、4节点的有功和无功功率有一定的差距，由图3-3可以看出在3、8、9这三个节点分别接入充电机的时候，配电网各节点电压和线路损耗的变化基本相同，而在2、3、4这三个节点分别接入相同数量的充电机时，配电网各节点电压和线路损耗的变化有一定的差别。以同一分支馈线的3、8、9号节点为例，3号节点网络的原始负荷较小，当接入相同负荷大小时，在该节点接入相比8、9号节点接入充电机，对配电网的各节点电压和线路损耗小，可以得出充电机的接入位置越靠近供电源母线，对配电网的节点电压和网络损耗相对于在其他节点位置对配电网的影响小。

3.3仿真结论

    1）充电负荷接入数量越多，各节点电压幅值的下降越大，导致电压偏移增大；

2）接入的节点距离电源点越远，该节点的电压标幺值更容易受到充电负荷的影响；

3.3总结

通过前面的仿真结果的分析，我们可以得出，电动汽车规模化接入配电系统对其可靠性的影响主要包括一下几个方面：

    1）充电负荷集中在某些同一区域时，会导致负荷局部过载；

2）大量充电负荷在同一时间或电网用电高峰期时充电，会加大电网的峰谷差，加重配电网的负担；

3）电动汽车的随机充电还会使母线电压越限、电压和电流波形畸变严重、增大网络损耗、变压器过载、线路过载[3]；

4）充电机作为典型的非线性设备，会使充电站在运行对配电网造成谐波污染和功率因数降低。

因此，在对充电站进行选址时，需要考虑选择离电源点近的母线作为充电站的供电母线；同时在对充电站的规模大小设计时，还需要考虑充电机数量（充电负荷）对配电网的影响，从而选择合适的充电站规模，尽可能使电力网络的电压偏移值小，保证配电网的可靠性。

参考文献

[1]刘志勇．电动汽车充电站对电网的影响及有序充电控制策略的研究[D]．北京：华北电力大学，2013．

[2]尹国龙．电动汽车充电设备电能质量分析及改善研究[D]．北京：华北电力大学，2011

[3]曹霞，关振宇，黄栋杰，等．Buck电路在Matlab/Simulink下的仿真研究[J]．电气开关．2009，6：23-25．