电动汽车充电对区域电网电能质量的影响

王金行，赵生传，刘远龙，龚文杰，李文升

（青岛供电公司，山东 青岛 266002）

0 引言

随着环境危机和能源危机所带来的影响日益显著和电池技术不断发展，电动汽车的经济性能在不断地提高，以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势，并已经成为普遍共识。

电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范围内逐渐推广应用[1]。由于充电机中的整流装置等非线性元件的存在，必然会对电网产生谐波[2]。

1 区域电网设计

对区域电网进行如下假设：设计一个进线为35 kV出线为10 kW的变电站，主要为居民电网供电。为此变电站所供电网加入储能空间：1）为其添加一定量的储能空间，即充电电池；2）在电网中加入一个电动汽车充电站，距离上级变电站3 km。区域电网设计图见图1。

图1 带充电设备储能的区域电网设计图

为了进行仿真分析，在此作出以下假设：

1）假设1户居民日常用电的最大功率为6 kW，2000户居民，即最大负荷为12000 kW。

2）根据国家科技部规划[3]，2015年电动汽车数量将达到230万辆，2020年将达到1 700万辆。所以在此假设电动汽车的拥有数量为1%，平均1户人家为3口人，则此35 kV变电站下有60辆电动汽车。若考虑最严重的情况，电动车辆全部为大型车是很不现实的，也缺乏研究价值；若全部为中小型车，虽然应该符合实际但仍缺少含有大型车的可能性，所以在此每辆电动车的最大功率还是使用平均功率，即12 kW。此电网中电动汽车总功率为720 kW。

3）假设变电站储能占变电容量的5%，最大负荷为变电容量的80%。则变电站储能最大功率为750 kW。

4）对变电站本身的储能忽略线路损耗，对电动汽车充电站的储能输电线路选用LGJ-120/25线路，其每公里参数为r=0.223，x=0.348。

5）对电动汽车的使用者的行为预测是很重要的，直接影响着充电功率，在这里只考虑最严重的情况：假设所有的充电均是在用电高峰期进行，并且每户用电量全是最高的6 kW。假设传统负载功率因数为1，并且忽略传统负载的谐波。

2 仿真模型的建立

根据上述电路设计图，由matlab进行仿真，仿真电路图见图2。

充电设备模型中10 kV/380 V变压器，整流装置，滤波电感和电容的参数与单台充电机模型相一致，充电负载等效电阻按照单台充电机模型仿真所用方法分别取 0.423 Ω、0.423 Ω、0.441 Ω、0.441 Ω。电源参数，35/10 kV，并对变压器参数，线路参数，负载变压器参数，负载参数等进行设置。

3 仿真与谐波分析

对波形质量即谐波含量进行分析，原负载处电压电流波形均发生了较小程度的畸变。另外，电力变电站高压侧电流也含有一定的谐波。

3.不断树立巡视干部良好形象。教育巡视干部始终坚持正确的政治立场和政治方向，始终做到政治上清醒坚定、在重大问题的把握上旗帜鲜明，始终在思想上、行动上与党委保持高度一致。保持公道正派、严谨敬业的作风，讲党性、讲原则，讲真话、讲实情，全面、真实、客观、准确地向党委反映被巡视单位的情况。深入基层，调查研究，谦虚谨慎，谨言慎行。恪守廉洁自律准则，严肃巡视工作纪律，认真执行巡视工作《条例》《办法》和《工作人员守则》，从严遵守巡视工作政治纪律、组织纪律、工作纪律和保密纪律，切实维护巡视工作的威信和尊严。

由单台充电设备的仿真实验可知充电设备产生5次、7次、11次、13次、17次、19次谐波。并由图3-5的FFT分析图看出这些谐波进入电网，电流波形发生畸变，其THD为2.39%。由图7、图8可知，充电设备的加入使负载电压发生畸变，其THD为1.80%，从而引起负载电流发生畸变。

图2 matlab仿真电路图

图3 变电站高压侧电流波形FFT分析

图4 传统负载电流波形FFT分析

图5 传统负载电压波形FFT分析

以上数值只是最大负荷时的谐波畸变率，没考虑传统负荷变化、变压器充电时间和电动汽车使用习惯（传统负荷简化模型[4]见表1、图6，假设变电站充电时间为夜间0：00-5：00，电动汽车每小时充电数量[5]见表2、图7），考虑这些因素后改变设备参数可以得到一天中总负荷曲线和THD变化曲线。

表1 传统负荷百分比

图6 传统负荷百分比曲线图

表2 电动汽车充电百分比

图7 电动汽车充电百分比曲线图

由上面数据可得到一天内周期总负荷曲线，如图8。从图中我们明显的可以看出电动汽车等储能设施的使用方式，可以很好的起到“填谷”的作用。可以想象由于储能设施的加入，为电网提供了储能空间风电等一些间断性电源可能在低谷时加入电网。

图8 一天内周期总负荷曲线

由此可得一天内总谐波含有率曲线，见图9。

图9 一天内总谐波含有率曲线

从曲线上可以看出由于储能的加入和储能的使用方式，电网所增加的低谷期间，电网中所含有的谐波比例比较大特别是在后半夜，并在午后的一段时间出现一定数量的谐波。而在高峰期当储能容量为10%左右时，充电设备所引入的谐波畸变率最大不超过5%。

4 仿真与电压分析

由于充电站的加入，必然会引起负载的增加而增加电压压降，电压压降是由于线路损耗造成的，由于上述仿真中，负载的输电线路是采用理想线路，所以不能分析传统负荷的压降问题，为研究这个问题，重新进行电路设计，研究在一天的负荷周期内带有具有储能的电网中的电压最大压降。

所设计电路图如图10和图11所示，即在上个仿真的基础上，在变电站与电源之间加上线路损耗。

图10 仿真电路原理图

图11 仿真电路图

设计所加线路为30 km。根据最大载流量选择横截面积为150 mm2的钢绞铝输电线路，其参数为每公里r=0.21，x=0.387。对参数进行设置，并将电源电压提升1.1倍。

5 结论

本文使用matlab对区域电网进行建模并研究大规模电动汽车充电对区域电网电能质量的影响，主要包括谐波影响和电压影响。高峰时段当储能容量为负荷10%时，充电设备所产生的谐波畸变率不超过5%。考虑最严重情况，即负荷高峰时段充电设备满负荷运行时，电压下降2%左右。谐波影响和电压影响均在国标允许范围之内。