充電站對配電網電能質量的影響分析

童偉　毛弋　陳萍　陳艷平　張毅磊

摘 要 大量的充電站接入電網會對配電網電能質量產生影響，而電動汽車采用不同的充放電模式對電網的影響與諧波污染不同.本文設計了充電機等效充放電模型以及電路中各參數數值，根據V2G原理與充放電機等效模型，研究了充電機充放電過程對電網的諧波影響.通過simulink仿真分析了多輛電動汽車共用一個充電機和多個充電機同時放電時對電網的影響.分析結果表明當采用多臺充電機同時充放電，并且每臺充電機有多臺電動汽車同時放電時，有利于減少充電站對電網的諧波污染.通過對仿真結果的分析提出了幾種可行性對策，使諧波影響降到最小.

關鍵詞 電動汽車；諧波；充電機；V2G

中圖分類號 TM714 文獻標識碼 A 文章編號 1000-2537（2015）03-0058-05

石油資源匱乏的危機和環境保護的緊迫需求，促使著汽車工業勢必朝著零排放、低噪聲和綜合利用能源的方向發展，積極地研發生產電動汽車是解決這個日益嚴重問題的最佳途徑，其中純電動汽車被普遍認為是未來汽車工業的發展方向[1].

但是，大量的電動汽車接入電網會對電力系統的運行和規劃產生一些負面影響[2]：（1）電負荷增加，尤其大量電動汽車在用電高峰期充電會增加峰谷差，造成電力系統不穩定，嚴重時還可能導致電網崩潰；（2）電動汽車蓄電池充放電設備充放電時具有非線性， 這將導致充放電時產生很大的諧波污染，供電系統的電能質量將受到影響；（3）負荷結構發生改變，增加了電網規劃的難度[3].

國內外學者對電動汽車充電時諧波污染情況進行了較多研究，而對電動汽車向電網放電時的諧波污染情況分析較少[4].因此，本文重點研究多臺充電機放電過程對電網的影響，通過仿真分析多臺充電機共用一個充電樁和多個充電樁同時放電時對電網的影響，提出了幾種可行性對策，使諧波影響降到最小[5-6].

1 V2G技術介紹

充電機放電主要是V2G技術的應用，V2G全稱是Vehicle-to-grid，它描述的是這樣一個系統：當混合電動車或者純電動汽車沒有運行的時候，可以通過鏈接到電網的電動馬達將汽車中多余的能量賣給電網，反過來，當電動車的電池需要充電時，電網可以發送電流給蓄電池充電，實現在受控狀態下電動汽車的能量與電網之間的雙向互動和交換[7].V2G技術可以應用于任何可網絡化的車輛，也就是插電電動汽車（Plug-in Electric Vehicle， PEV）或者插電混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle， PHEV）.因為大部分的電動汽車平均有95%的時間都是停著的，這些沒有工作的汽車電池可以將電能輸給電網[8].目前研究最多的還是利用車載電池來處理電網的高峰低谷負荷均衡問題，雖然研究表明電池組不適合對電網提供基本電力，但是V2G車輛對電網的調峰調頻的作用還是非常有吸引力的[9].理想中的V2G車輛是能在非高峰時段自動給蓄電池充電，在高峰時段對電網放電、售電，以替代效率較低的調峰電廠.因為火電廠在接到調峰信號后，需要較長的啟動時間，然而高性能車載動力蓄電池對信號的反應速度能達到毫秒級別[10].

顯然，單臺電動汽車的動力蓄電池遠遠無法滿足電網調峰的要求.但是通過智能化的電網平臺，分散的電力資源即可實現規?；?例如，假設我們將10，000輛平均存儲容量為15 kWh的V2G電池車接入電網，可以獲得30 MW容量，30 MW對于基本電網電力負荷可能并不能起多大作用，但對于調頻來說作用還是不容小視，相當于PJM系統中5%的調節負荷[11].

電動汽車既可以選擇公共電網進行充電，也可以選擇可再生能源（譬如風力或太陽能）發電作為電力來源.隨著未來新能源技術的發展，有人認為使用這種方法后可以緩沖可再生能源發電對電網的沖擊，例如，通過將大風期間生產的電能儲存起來和在電網高負荷期間將電能返回到電網的方式，可以很好地穩定風力發電供能的間歇性和不穩定性[12].

2 充電機充放電對電網仿真分析

電動汽車除了能夠有助于節能減排的完成，還可以幫助電力公司完成削峰填谷的作用.本文重點研究了電動汽車放電時對電網的影響.充電機放電原理圖如圖1所示，車載電源由控制系統控制后再經逆變系統把直流電壓轉化為交流電壓，最后接入電網.

充電機放電仿真時，采用三相SPWM逆變電路[13].充電機等效為一個蓄電池，此仿真圖中，等效蓄電池容量為120 Ah，輸出電壓為220 V.仿真電路中電網電壓為10 kV.放電過程中，采取了諧波分析，根據國家標準GB/T14549-1993《電能質量 公用諧波》有關規定，測量電網側電流諧波幅值最大的3，5，7，11，13，15，17，19次諧波的具體數值.

為了更真實地仿真充電機放電的情形，將電網電路等效為一個π型電路，變壓器仿真實際額定容量為1 000 kVA的10 kV級有載調壓配電變壓器.根據實際的電網架空線路LGJ—400/50參數可得其電阻、電抗和電納.其中r=0.08 Ω/km，xL=0.406 Ω/km，bC=2.81×10-6 S/km，并設一段電網線路的長度為1.5 km，則可得：

R=rl=0.08×1.5=0.12 （Ω），

XL=xLl=0.406×1.5=0.609 （Ω），

12BC=12bcl=12×2.81×10-6×1.5=21.1×10-7 （S），

由上式計算出π型等效電路的電感和電容值：

L=XL2πf=0.6092×π×50=1.94×10-3（H），

C=BC2πf=21.1×10-72×π×50=0.672×10-8 （F）.

對于配電變壓器采用文獻[14]中的參數計算方法，根據國家標準GB/T10288-2008《干式電力變壓器技術參數和要求》精確的仿真了額定容量為1 000 kVA的10 kV級有載調壓配電變壓器，由計算得出的各種參數運用到simulink中進行仿真，電路圖如圖2：