馬澤坤 歐祖文 荀曉玉 郝一鳴

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院）

電動(dòng)汽車充電對(duì)微電網(wǎng)的影響

馬澤坤 歐祖文 荀曉玉 郝一鳴

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院）

汽車作為推動(dòng)人類文明向前躍進(jìn)的現(xiàn)代社會(huì)化工業(yè)產(chǎn)物，從生產(chǎn)、技術(shù)、規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益等方面來(lái)看，都取得了巨大的成就。但是燃油汽車對(duì)于環(huán)境和能源的弊端日益凸顯，而電動(dòng)汽車作為一種新能源汽車，對(duì)環(huán)境的保護(hù)有積極意義。目前電動(dòng)汽車已經(jīng)得到一定的推廣，但是其充電方式主要為通過(guò)外部提供的直流電源對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的“污染”。本文從電動(dòng)汽車充電設(shè)備及充電特性出發(fā)，分析了電動(dòng)汽車充電行為對(duì)風(fēng)或光微電網(wǎng)、負(fù)荷平衡、電能質(zhì)量、環(huán)境等方面的影響。探討了不同地點(diǎn)、不同數(shù)量的電動(dòng)汽車同時(shí)接入電網(wǎng)充電，對(duì)微電網(wǎng)造成的影響。

電動(dòng)汽車；充電模式；微電網(wǎng)；負(fù)荷平衡；電能質(zhì)量

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用化石能源帶來(lái)了能源危機(jī)，能源以及環(huán)境問(wèn)題亟待解決。新一輪能源革命也正在世界范圍內(nèi)蓬勃興起，而汽車作為推動(dòng)人類文明向前躍進(jìn)的現(xiàn)代化產(chǎn)物也在不斷進(jìn)步，為了減少對(duì)環(huán)境的污染以及對(duì)化石能源的依賴，電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生。世界各國(guó)政府紛紛出臺(tái)相關(guān)政策推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國(guó)作為全球最大的汽車生產(chǎn)國(guó)也不例外[1]。隨著電動(dòng)汽車的普及推廣，電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)充電，將對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生不可忽視的影響。

隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，大電網(wǎng)難以滿足用戶越來(lái)越高的用電安全性和可靠性的要求。發(fā)展高效率、環(huán)保的分布式電源，是一種行之有效的解決方法。隨著分布式能源滲透率的不斷增加，微電網(wǎng)將成為輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)之后的第三級(jí)電網(wǎng)。而作為未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)主要車型的電動(dòng)汽車，其使用場(chǎng)所與微電網(wǎng)密不可分，必將成為微電網(wǎng)中的主要負(fù)荷[2]。因此，有必要研究電動(dòng)汽車接入微電網(wǎng)對(duì)其的影響。目前，對(duì)于電動(dòng)汽車接入微電網(wǎng)的研究可歸結(jié)為以下三個(gè)方面。

（1）電動(dòng)汽車充電負(fù)荷建模與仿真計(jì)算

該方面的研究是研究電動(dòng)汽車對(duì)微電網(wǎng)的影響和進(jìn)行充放電調(diào)控的基礎(chǔ)。電動(dòng)汽車作為電力負(fù)荷，規(guī)模化的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷呈現(xiàn)出的特性將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃和安全運(yùn)行具有重要影響。因此在大數(shù)量電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)之前，對(duì)其負(fù)荷模型的建立有著十分重要的意義。電動(dòng)汽車作為交通工具具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，因此對(duì)其建模，除了需要考慮電池的荷電狀態(tài)、充電功率、充電時(shí)間，還需考慮充電地點(diǎn)[3]。

（2）微電網(wǎng)的建模與仿真

隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的大力推進(jìn)，加之新能源技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，風(fēng)力與光伏發(fā)電已經(jīng)越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，所以在建模過(guò)程中微電網(wǎng)主要由風(fēng)力發(fā)電部分與光伏發(fā)電部分構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)有一定的負(fù)面影響，由于本文主要研究短時(shí)間內(nèi)大量電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，所以忽略風(fēng)力的隨機(jī)性和波動(dòng)性；光伏發(fā)電模型由光伏電池和整流裝置構(gòu)成，作為太陽(yáng)能板的核心器件，光伏電池的輸出由光強(qiáng)、溫度等因素決定。

（3）研究電動(dòng)汽車接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響

電動(dòng)汽車接入對(duì)電力系統(tǒng)的直接影響是導(dǎo)致負(fù)荷的增長(zhǎng)。本文主要研究電動(dòng)車大規(guī)模集中充電對(duì)微電網(wǎng)的影響，通過(guò)對(duì)比負(fù)荷接入之前與接入之后的電流電壓波形，可以對(duì)電網(wǎng)電壓以及電流的波形畸變有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，然后通過(guò)諧波分析對(duì)不同情況下負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響進(jìn)行分析。

1 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型

1.1 電動(dòng)汽車的電池特性

電動(dòng)汽車的充放電特性主要指輸入輸出功率與電池狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，其中最重要的就是電池荷電狀態(tài)SOC。當(dāng)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電時(shí)，電池的荷電狀態(tài)SOC 會(huì)持續(xù)增大直至電流充滿為止，即 SOC=100%[4]。當(dāng)電動(dòng)汽車處于行駛狀態(tài)時(shí)，電池的荷電狀態(tài)會(huì)不斷減小。由于電量過(guò)低會(huì)加快鉛板的硫化速度，所以一般若為鋰電池，為了延長(zhǎng)電池的使用壽命，一般在剩余電量為 15%～20%時(shí)對(duì)其充電。

在調(diào)研樣地的選擇上,遵循區(qū)域全覆蓋、植物群落類型多樣性、樣地典型性等原則,結(jié)合環(huán)城綠帶標(biāo)段劃分及各標(biāo)段竣工圖,從中選出49個(gè)典型樣地,覆蓋寶山、閔行、嘉定、浦東等7個(gè)區(qū)。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的鋰離子動(dòng)力電池充電仿真結(jié)果，可知充電功率（輸入功率）隨動(dòng)力電池狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。多數(shù)情況下，雖然電動(dòng)汽車充電過(guò)程中，功率幅值隨起始 SOC、溫度等一系列外部環(huán)境的參數(shù)變化而發(fā)生變化，但是，這些變化對(duì)于整體的充電功率的影響基本可以忽略不計(jì)，所以可以近似地認(rèn)為電動(dòng)汽車的充電功率預(yù)測(cè)是一個(gè)整個(gè)過(guò)程均為恒定的功率交換的過(guò)程。

1.2 電動(dòng)汽車的用戶行為

研究用戶駕駛行為對(duì)于電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型至關(guān)重要[6]。一般基于用戶用車行為來(lái)分析用戶的電動(dòng)汽車充電時(shí)間和空間分布，并對(duì)充電負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)或預(yù)測(cè)。這種不可控性是電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響的最大因素。由文獻(xiàn)[7]數(shù)據(jù)可分析：隨著電動(dòng)汽車的滲透率逐漸增大，其對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷影響也逐漸增大，如果不做優(yōu)化調(diào)度，會(huì)增大電網(wǎng)的峰谷差，并對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。由于中國(guó)隨著國(guó)家新能源汽車補(bǔ)貼政策的出臺(tái)以及電動(dòng)汽車技術(shù)逐漸成熟，我國(guó)電動(dòng)汽車保有量大幅增加，所以大規(guī)模集中充電的現(xiàn)象在未來(lái)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)。

1.3 電動(dòng)汽車的充電模型

動(dòng)力電池仿真使用的等效電路模型有電流輸入和功率輸入兩種，兩種模型的電路結(jié)構(gòu)相同，只是數(shù)學(xué)關(guān)系不同。電池的等效回路如圖1所示。

該模型可以仿真大部分主流的電池類型，包括：鉛酸電池、鋰離子電池、鎘鎳電池以及鎳金屬氫化物電池，根據(jù)不同的電池類型，可以通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)來(lái)進(jìn)行仿真。在模擬電動(dòng)汽車的蓄電池時(shí)，選擇鋰離子電池模型。

圖1 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 微電網(wǎng)的建模與仿真

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

由于本文主要研究短時(shí)間內(nèi)大量電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，所以忽略風(fēng)力的隨機(jī)性和波動(dòng)性。當(dāng)風(fēng)速大于一定值時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電，該風(fēng)速稱為切入風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)按式（1）計(jì)算風(fēng)輪的輸出功率，當(dāng)風(fēng)速增大到額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪的輸出功率為額定值，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大超過(guò)某一值時(shí)風(fēng)機(jī)停止工作，如圖2所示。

圖2 輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系

該曲線符合下式：

式中，Pω為風(fēng)機(jī)的輸出功率；Vc為切入風(fēng)速；Vo為切出風(fēng)速；VR為額定風(fēng)速；PR為風(fēng)機(jī)的額定功率。

2.2 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電模型由光伏電池和整流裝置構(gòu)成，作為太陽(yáng)能板的核心器件，光伏電池的輸出由光強(qiáng)、溫度等因素決定。仿真模型如圖3所示。

圖 3 基于matlab/Simulink的光伏發(fā)電模型

在該模型中，由階躍信號(hào)來(lái)模擬一天中光強(qiáng)的變化，分別在 0.5s、1s、1.5s 施加階躍信號(hào)，造成輸出電壓變化，輸入的階躍信號(hào)在不同的時(shí)刻進(jìn)行疊加之后的函數(shù)為：

3 研究電動(dòng)汽車接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響

未對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)的仿真結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖 4 微電網(wǎng)輸出的電壓與電流波形

圖 5 電流諧波測(cè)量及分析

充電高峰時(shí)電動(dòng)汽車進(jìn)行集中充電時(shí)的仿真結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖 6 微電網(wǎng)輸出的電壓與電流波形

圖 7 電流諧波測(cè)量及分析

充電高峰時(shí)電動(dòng)汽車進(jìn)行分散充電時(shí)的仿真結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖 8 微電網(wǎng)輸出的電壓與電流波形

圖9 電流諧波測(cè)量及分析

充電低谷時(shí)電動(dòng)汽車進(jìn)行集中充電時(shí)的仿真結(jié)果如圖10～圖11所示。

圖 10 微電網(wǎng)輸出的電壓與電流波形

圖 11 電流諧波測(cè)量及分析

在上述幾種情況下，電網(wǎng)電壓畸變較小，電壓波形均較穩(wěn)定，故主要分析對(duì)電流的影響。電動(dòng)汽車蓄電池未接入微電網(wǎng)前，電流穩(wěn)定，諧波含量?。划?dāng)電動(dòng)汽車充電時(shí)，會(huì)對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生較大諧波污染。[8]

由圖4和圖6比較可得，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷大時(shí)對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波影響更為嚴(yán)重；由圖6和圖8比較可得，電動(dòng)汽車分散充電時(shí)比集中充電時(shí)對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波影響更為明顯。諧波污染會(huì)導(dǎo)致測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確，容易損壞大容量電容器，加重的負(fù)荷會(huì)使電力導(dǎo)線過(guò)熱以及會(huì)使保護(hù)裝置誤報(bào)警。為盡量減小諧波污染，提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量，本文根據(jù)仿真結(jié)果分析提出以下建議：應(yīng)逐步取消集中充電站，同時(shí)考慮到電動(dòng)汽車用戶充電的方便性，通過(guò)規(guī)劃，在合適的地點(diǎn)設(shè)置適量分散的充電樁；還可通過(guò)電網(wǎng)分時(shí)收費(fèi)方式來(lái)引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶分批充電以避開(kāi)充電高峰，減小電網(wǎng)充電負(fù)荷，從而減小諧波影響。[9]

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)電動(dòng)汽車接入微電網(wǎng)的影響進(jìn)行了分析總結(jié)。對(duì)于電動(dòng)汽車接入微電網(wǎng)影響，可按以下兩個(gè)方面進(jìn)行研究：

1）分析微電網(wǎng)接納電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的能力，應(yīng)綜合考慮電源供給、電網(wǎng)傳輸能力和電能質(zhì)量等因素。

2）分析接納電動(dòng)汽車所需的電源、電網(wǎng)和充電設(shè)施的建設(shè)和投資。電動(dòng)汽車充電設(shè)施的合理部署是電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)的基本保障。既要考慮不同電動(dòng)汽車類型的使用和充電需求，還應(yīng)考慮接入電網(wǎng)的成本，并與電網(wǎng)規(guī)劃相協(xié)調(diào)。

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2017-09-26）