典型区域配电网接纳电动汽车充电的适应性研究

罗晓乐,刘 莉,沈 丽,冷 雪,赵文静，陈 万

(1.沈阳工程学院 a.研究生部 b.学术委员会 c.电力学院,辽宁 沈阳 110136；



典型区域配电网接纳电动汽车充电的适应性研究

罗晓乐1a,刘 莉1b,沈 丽1c,冷 雪1c,赵文静1a，陈 万2

(1.沈阳工程学院 a.研究生部 b.学术委员会 c.电力学院,辽宁 沈阳 110136；

2.大连花园口经济区城乡建设管理局 质监局，辽宁 大连 116423 )

电动汽车以其节能减排及政策导向的优势,已经成为汽车行业发展的一个主要方向。大量电动汽车的充电行为将会对区域配电网产生一定的影响。首先，分析了电动汽车充电行为对区域配电网的影响因素。其次，建立了包含电动汽车充电负荷的典型区域配电网模型,研究不同渗透率下,电动汽车充电对配电网的谐波畸变率、电压偏移、变压器负载能力、支路堵塞程度的影响规律。最后，对典型区域配电网接纳电动汽车充电的适应性进行评估。结果表明：所研究成果为电动汽车大规模入网后典型区域配电网的适应性改造提供了理论依据。

电动汽车接入率;配电网; 电压偏移;谐波畸变率

1 电动汽车的充电特性

1.1 单台充电桩模型

根据市面上最常见的电动汽车交流充电桩建立充电桩模型。单台充电桩主要由整流电路、谐波电路和DC/DC变换器等组成,如下图1所示。目前充电机类型多种多样。这种充电机结构简单、控制方便、技术最为成熟,是应用较多的充电机拓扑结构。

1.2 电动汽车充电模式

根据国家十三五电动汽车专项规划,电动汽车可分为3个充电等级,如表1所示。一级充电需要用户长时间停泊进行电能充电，适用于车载充电、家庭充电，二级充电大多为充电桩充电，适用于住宅、商场、学校等场所。三级充电为快速充电,10 min 内可完成充电，适用于充电站、高速公路充电等。

图1 电动汽车充电机模型

表1 电动汽车充电标准

电动汽车到达办公楼或者居民小区一般会停泊1 h以上,用户多数会选择一级或者二级充电方式。考虑供电设施成本问题,充电装置接在负荷终端,由原有变压器供电。对充电装置采用分散式供电，如图2所示。

图2 充电装置供电方式

2 限制电动汽车入网的影响因素

2.1 电压偏移

电压偏移是指在一定时间段内,电压幅值缓慢变化而偏离额定值的程度。

(1)

式中,δU为某时刻电压偏移；Ure为某时刻实际电压；UN为某时刻系统标称电压；Ψ为10 kV或380 V母线集合。

当电动汽车大规模接入时,将会严重危及配电网的安全运行。根据国标GB/12325-1990规定,20 kV以下电压偏移标准为标称电压的±7%。

2.2 谐波

大量非线性电动汽车充电设备接入所产生谐波对电网以及用电设备产生不可忽视的影响。根据国家标准GBT/14549-1993的要求,谐波电压限值:400 V及以下母线电压总畸变率不得超过5%，10 kV电压总畸变率不得超过4%。

(2)

式中,HRUn为n次谐波电压含有率；Un为第n次谐波电压有效值；U1为基波电压的有效值。

UH表示谐波电压含量,如式(3)所示:

(3)

THDU表示电压谐总畸变率,如公式(4)所示:

(4)

2.3 支路堵塞程度

支路堵塞程度是表征电动汽车大规模接入时,该支路稳定运行所能承受的能力。当支路堵塞程度在100%范围内时,负载线路可以长时间稳定运行。当支路堵塞程度超过120%时,由于线路过热等原因不能安全运行。同时支路堵塞程度越高,配网损耗越大,经济性越差。

(5)

2.4 变压器负载能力

变压器负载能力是表征当大规模电动汽车接入时,变压器二次侧所能承受负载的情况。当λ超度75%时,工作人员应当重点监视该变压器，不可再接入大负荷。当λ超过100%时,应考虑对变压器增容升级。

(6)

3 限制电动汽车接入配电网的因素仿真分析

3.1 典型区域配电网模型

以包括办公楼、商业中心、居民小区的典型园区配电网为例,园区建筑面积约为32万m2,可容纳大约3 000辆电动汽车停车位。园区由10 kV中心变电站对6组箱式变电站供电。整个园区由高压环网接线。应用S9系列干式变压器,容量为630 kVA。空载损耗为1 200 W,负载损耗为6 200 W,空载电流为1.1%,阻抗电压为4.5%。每组箱式变电站低压侧400 V系统有10至14个出线,每条出线为1个负荷单元。每个400 V系统分别由交流中心、大门、南小门及部分路灯，写字楼A、B、C、D座、园区综合楼、门诊部、南小门及部分路灯，1～10栋住宅楼，综合服务中心、换热站、水泵房、浴池、活动中心、体育场等负荷单元组成。园区峰值负荷达到3 154.2 kW,谷值负荷为1 714.2 kW。基于ETAP对区域配电网进行仿真建模。10 kV配网如图3所示。电动汽车负载采用分散式供电,接在400 V系统内。

图3 区域10 kV配电网

3.2 仿真结果

通过电动汽车接入率AcEV表示园区电动汽车充电数量总和占整个园区车辆的总数量的百分比，表征停车位数量的限制。

(7)

式中，NCEV为某一时刻园区电动汽车充电数量；N为园区能容纳车辆的数量。

当配电网负荷峰值情况下,峰值负荷3154.2 kW。逐步增加电动汽车渗透率,应用ETAP计算园区配电网的谐波畸变率、电压偏移、变压器负载能力、支路堵塞程度。计算结果如表2所示。

表2 配电网负荷峰值下限制因素的计算结果

当在园区配电网峰值运行下,电动汽车渗透率20%的情况下,电网侧各个限制因素满足国家标准,园区配电网可安全可靠运行。当电动汽车渗透率增加到30%时,变压器低压侧母线谐波畸变率达到5.16%,已经超过国家标准,应考虑从充电桩内部消除谐波或对充电区域集中消除谐波来增加电动汽车的接入。当电动汽车渗透率增加到40%时,变压器负载能力达到84.80%,应对变压器重点监视。当电动汽车渗透率增加到50%时,变压器负载能力已经达到106.40%。此时变压器负载能力已超过上限。

在变压器低压侧,采用无源滤波器对高次谐波集中滤波或利用充电桩内部消除谐波。图4为除去谐波源,不同电动汽车渗透率下,变压器负载能力、母线电压偏移、支路堵塞程度三种限制因素的影响程度。

由图4可以看出,随着电动汽车渗透率的逐步增加,变压器负载情况变化最为明显,在电动汽车渗透率50%时,已经超过国家标准，而支路堵塞程度和电压偏移仍在允许范围内。

利用二分法量化电动汽车渗透率来逐步逼近变压器的最大负载能力。仿真计算结果如表3所示。

当电动汽车渗透率为48%时,变压器负载能力为99.50%,已接近变压器负载能力的上限。此时母线电压偏移以及支路堵塞程度仍然满足标准,可安全稳定运行。如果不对变压器升级改造,由于变压器负载能力的限制,园区配电网可容纳电动汽车渗透率最大为48%。最大可接入电动汽车数量占园区所能容纳汽车数量的16%。

图4 三种限制因素对比

EV渗透率380V母线电压偏移支路堵塞程度变压器负载能力40%95．39%85．28%84．80%45%94．86%90．57%97．71%48%94．53%92．11%99．50%50%94．19%96．74%106．40%

4 结 论

考虑典型区域配电网峰值情况下,逐步增加电动汽车接入率，对电动汽车大规模接入限制因素进行总体评估。通过ETAP仿真得出:随着电动汽车渗透率的增加,谐波的总畸变率最先超过国家标准,限制了电动汽车的继续接入，采用无源滤波器对其高次谐波集中滤除后,继续增加电动汽车渗透率,变压器负载能力成为了限制的关键因素。

针对配电网为稳定运行限制,对电动汽车大规模接入可得到如下结论：

1)随着电动汽车接入增加，谐波畸变率首先超过国家标准。利用充电桩内部消除谐波或者充电区域集中消除谐波来应对电动汽车的接入。

2)随着电动汽车接入数量进一步增加,通过改善配电网的供电方式，对配电网络重新组合并且配电网与充电桩达成通信协议,实现智能充电。

3)随着电动汽车的普及,当前配电网框架无法大规模化接受电动汽车的接入,需要通过对配电网变压器进行升级改造,提高配电网电压等级等措施来保证配电网安全稳定的运行。

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(责任编辑 佟金锴 校对 魏静敏)

Adaptability Study on Electric Vehicle Charged in the Typical Area Distribution Grid

LUO Xiao-le1a,LIU Li1b,SHEN Li1c,LENG Xue1c,ZHAO Wen-jing1a,CHEN Wan2

(1a.Graduate Department,1b.Academic Committee,1c.School of Electrical Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136; 2.Bureau of Quality Supervision,Dalian Huayuankou Economic Area Administration of urban and rural construction,Dalian 116423,Liaoning Province)

Electric vehicle has been becoming a major development direction of the automotive industry owing to its energy saving and emission reduction and the advantages of policy guidance.The charging behavior of a large number of electric vehicles is exerting a certain influence on the regional distribution grid.This paper analyzed the influence factors of the electric vehicle charging behavior on the regional distribution grid firstly,and then established the model of the typical regional distribution grid including the electric vehicle charging load,obtained the influencing factors which restricted large scale electric vehicles access to the distribution grid of the typical area by researching the impact of the different sizes of vehicles to transformer load condition of typical regional distribution network,branch blockage degree,bus voltage deviation and harmonic distort.Finally,the adaptability of the acceptance of electric vehicle charging in typical area distribution grid was evaluated.The research results provide a theoretical basis on the large-scale electric vehicle access to the typical regional distribution network.

Electric vehicle access ratio; Distribution network; Voltage drop; Harmonic distortion rate

2016-11-30

辽宁省电网节能与控制重点实验室建设-风光储及电动汽车一体化微电网关键技术研究项目(F16-091-1-00)；规模化电动汽车接入区域配电网的影响研究(LGXS-1606)

罗晓乐(1992-)，男，辽宁铁岭人，硕士研究生。

作者简介： 刘 莉(1963-),女,辽宁沈阳人，教授，博士,硕士生导师,主要从事电力系统运行分析控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.010

TP273

A

1673-1603(2017)02-0143-05