电动汽车对低压变压器的影响分析

姚岳，吕晨旭，周茜

（国网山西省电力公司忻州供电公司，山西忻州034000）

电动汽车对低压变压器的影响分析

姚岳，吕晨旭，周茜

（国网山西省电力公司忻州供电公司，山西忻州034000）

指出随着国家在推动电动汽车（EV）及其充电站的过程中充电技术的创新发展，EV在充电时会产生较大的冲击负荷，这样会影响到站端低压变压器的稳定运行。对电动汽车接入状态进行仿真，分析了充电过程中产生的低压变压器损耗以及变压器两侧电压的波动情况。结果表明电动汽车的接入量对变压器的损耗值、低压侧的电压有着不同的影响；充电时间以及充电机到变压器的距离影响着变压器高压侧的电压变化。

电动汽车；低压变压器；电压变化

0 引言

随着国家大力推行电动汽车的发展，电动汽车充电站的建立已是当务之急。当电动汽车EV（Eletric Vehicle）需要电网对其充电时，充电站的作用是将电能转换为维持汽车继续行驶所需要的化学能，是对电动汽车续航能力的补给[1-2]。智能电网SG（SmartGrid）在发展中就兼顾了EV与SG之间的双向互动的特性（即充放电）。由此可见，EV充放电站将在SG的建设中发挥更大的作用，EV对电网负荷特性等方面的影响将会更加明显。为了分析EV对电网负荷特性的影响程度需要研究与之相关的充电技术，这样既有利于站端的优化设计，又对SG的快速发展有着巨大的推动促进作用。

1 电动汽车充电模式

现阶段，单向充电是EV充电方式中比较常见的模式，在电网众多的用电设备中EV作为比较特殊的一环，在该模式下经由电网终端的充电机进行充电。北京奥运会期间使用的电动汽车就采用了单向变流的技术来实现自行充电。当EV成规模地投用于日常生活中时，在电网用电高峰时段相当于大的用电负荷，此时这种充电模式对电网调峰极其不利。该模式的实现方案如图1所示。

图1 单向充电模式示意图

2 智能电网中电动汽车可实现的功能

2.1 移峰填谷

当EV逐渐成为日常工作生活中不可缺少的必需工具时，它所具有的双向负荷以及可移动的储能单元等特性在SG发展中体现着重要的调节作用。在白天的用电低谷时段EV可作为用电负荷使用达到吸收电能的作用，在晚上的用电高峰时段EV可通过充放电站向电网传输电能。这样的充放电设计可以最大程度地开发EV的储能能力，同时实现了节约用户日常开销、减少电厂调峰投资、降低调峰电厂的闲置率、实现负荷的移峰填谷。

2.2 调频

为使运行中的系统发出的功率和负荷吸收的电能处在平衡的水平之上，需总体调控电网频率的变化波动，而电网负荷大小的改变就直接影响着频率的变化。在用电的高峰时期，电网频率降低，可通过EV对电网输送电能调节频率，在低谷时段电网频率升高，通过作为负荷的EV吸收电能进行调节，并且EV具有极快的响应速度，这样的功效可以作为传统调频电厂的补充。并且EV放电时可视作为一种独立于系统的分布式电源，当其规模发展时，大量EV的使用均能参与到电能的双向传输服务之中。可见，EV调频功能的实现极大地提高了电网对频率调整的响应速度。

2.3 用作应急电源

当电网出现临时性的中断电源等紧急情况时，EV可通过双向传输功能的实现来保证电网对重要负荷的持续供电，这样不仅节省了电网对应急供电装置的投入资金，更重要的是可及时恢复电网运行中重要的资料数据用于备份，确保电网不受断电的影响。可见，当EV作为应急电源使用时可大大提高电网供电的可靠性。

2.4 接纳新能源发电

在SG的规划建设中，诸如风力发电、太阳能发电等新能源发电技术是其中重要的一环，新能源发电具有波动性（如受时间的影响），这样接入电网会造成频率出现波动，会影响电网的运行的稳定性。这时作为可实现双向传输功能的EV就可以平抑新能源接入所产生的功率波动，减少调峰机组，降低电网总体投资。

随着SG的发展建设，当EV规模化发展之后，具有移峰填谷、调峰调频、应急供电、平抑扰动等功能，并且最大程度地实现了对电能的合理分配和利用，使得EV在双向模式下达到传统电网运行所无法实现的经济性和高效性[3-6]。

3 变压器损耗介绍

由于在多级电网中变压器数量多容量大，所以在电能的传输中变压器所产生的电能损耗值也较大。变压器的铁耗是空载电流所产生的有功损耗，也是变压器的空载损耗。变压器铜耗是短路电压所产生的有功损耗，也是变压器绕组的总损耗。变压器的损耗还包括漏磁损耗等，但是在电网损耗的研究中以铜耗和铁耗为主要损耗[7-10]。

3.1 双绕组变压器

双绕组变压器的等值电路图可近似为“Γ”型电路，此处只研究了双绕组变压器的铁耗和铜耗，如图2所示。

图2 变压器Γ型等效电路

变压器绕组支路产生的损耗为

变压器励磁支路产生的损耗为

式中：I——归算到高压侧的变压器负荷电流，A；

P2、Q2——分别为变压器绕组支路电阻消耗的有功和电抗消耗的无功，单位为kW、kvar；

RT、XT——变压器绕组支路的电阻值和电抗值，Ω；

U1，U2——为变压器首端电压和末端电压，kV；

ΔPCu、ΔQCu——为变压器的有功、无功铜耗，单位为kW、kvar；

ΔPFe、ΔQFe——为变压器的有功、无功铁耗，单位为kW、kvar；

RT、XT、GT、BT——分别为归算到高压侧的等值电阻、电抗、电导、电纳值。

3.2 三绕组变压器

图3为三绕组变压器的等值电路图，三绕组变压器损耗的计算方法与之前介绍的双绕组变压器类似，其总损耗为空载损耗与短路损耗之和，公式见式（3）、式（4）。

图3 三绕组变压器的等值电路

式中：ΔP0——变压器的空载损耗，kW；

RT1、RT2、RT3——变压器三侧绕组的等值电阻，Ω；XT1、XT2、XT3——变压器三侧绕组的等值电抗，Ω；

I0%——变压器的空载电流百分比；

Se——三绕组变压器的额定容量值，kVA。

4 仿真分析

如图4是五台山电动汽车充电站站内配置图，由茹豆线供电，共15个充电车位（充电功率为40 kW），站内低压配电变压器容量为1 000 kVA。

本次仿真利用软件PSASP进行，将站内参数录入，运用软件中的损耗计算以及潮流计算等功能进行分析。

电动汽车接入量直接影响着低压配电变压器的损耗值。通过损耗计算分析，结果如表1所示。

表1 电动汽车不同接入量情况下的变压器损耗

图4 充电站车位分布图

表1显示了当电动汽车的接入量由10%增加到40%的过程中，变压器铜耗较最初10%接入量增加了近170%，相反铁耗的变化幅度不明显，由式（1）可知，这是由于总负荷电流由15 A增长为600 A，负荷电流逐渐增大，同时电流的平方值与变压器的铜耗成正比，故变化幅度较大。由式（2）可知，变压器铁耗与所处电网的运行电压有关，而充电站变压器低压侧运行电压维持在400V，故铁耗变化较小。同时也可以看出铜耗、铁耗之和基本为变压器的总损耗量。变压器的这些损耗特性都应该在SG高效、经济、安全、稳定的运行中所考虑。

设置电动汽车的一种充电模式（模式1），此时在3个时间段内11:00—13:00、19:00—21:00、15:00—17:00安排EV在充电位进行充电，记录变压器高压侧电压的变化趋势，如图5所示。

图5 配电变压器高压侧电压变化曲线

从图5可以看出EV充电时，充电机与配电变压器之间的距离对高压侧的电压变化有影响，当充电距离越远时，配变高压侧的电压越低，当充电距离越近时，高压侧的电压越高。还可以看出充电时间也对电压变化有影响，11:00—13:00和19:00—21:00是用电高峰期，此时对EV充电会使电网电压降低，由于晚上用电量较中午更大，所以晚上充电时电压较中午充电更低。反观下午15:00—17:00是用电低谷时段，此时EV充电对电压影响较小。

设置电动汽车的另一种充电模式（模式2），记录在工作时间段内充电时变压器低压侧电压的变化趋势，如图6所示。

图6 配电变压器低压侧电压变化曲线

图6反映了在工作时段内充电时EV接入量的不同对变压器低压侧电压的影响。可以看出EV接入量在由10%增加到40%的过程中，变压器低压侧电压表现出由高到低的变化趋势，即电动汽车接入量越大，变压器低压侧的电压越低。

通过模式1和模式2的比较分析可以看出，模式1能够全面地分析高压侧的电压变化情况，模式2能够分析低压侧的电压变化情况；模式1可分析充电距离、充电时间对电压的影响，模式2可分析充电负荷（EV接入量）对电压的影响；2种充电模式都对分析站端变压器的电压变化有着指引作用[11-13]。

5 结论

本文首先介绍了电动汽车的发展前景以及可实现的2种充电模式。通过设置电动汽车的多种充电条件，根据不同的接入量以及各时间段中充电车位的充电情况，分析了低压变压器的损耗和两侧电压变化趋势。可以看出在未来智能电网的发展建设中，引导用户非高峰时段充电有利于电网电压的调节，合理安排电动汽车的接入量也可以调节电网电压。所得结论对于电动汽车的研究具有一定的参考价值。

［1］崔胜民.新能源汽车技术［M］.北京：北京大学出版社，2009.

［2］寇凌峰.电动汽车大规模接入对电网的影响分析［D］.北京：华北电力大学，2011.

［3］马其燕.智能配电网运行方式优化和自愈控制研究［D］.北京：华北电力大学，2010.

［4］贺先豪.含分布式电源的配电网理论线损计算方法［D］.长沙：湖南大学，2009.

［5］M.K.Pal.Assessment of Corrective Measures for Voltage Stability Considering Loads Dynamics［J］.Electrical Power&Energy Systems，1995，17（5）：325-334.

［6］章健.电力系统负荷建模方法的研究［D］.北京：华北电力大学，1997.

［7］贺仁睦.负荷模型在电力系统计算中的作用及发展［J］.华北电力学院学报，1985，12（3）：1-8.

［8］贺仁睦，王卫国，蒋德斌.广东电网动态负荷实测建模及模型有效性研究［J］.中国电机工程学报，2002，22（3）：78-82.

［9］Kip Morison，Hamid Hamadani，LeiWang.Practical Issues in Load Modeling forVoltageStabilityStudies［C］.IEEE，2002，1392-1397.

［10］杨华春，贺仁睦，王鹏，等.基于聚合理论的大区电网负荷建模［J］.电力系统自动化，2005，29（4）：49-52.

［11］黄嘉兴.电动汽车产业发展路径与政策研究［D］.北京：北京交通大学，2007.

［12］杨健，王媚，张屹，王道生，等.电动汽车动力电池参与电网调峰的应用［J］.华东电力，2010，38（11）：1685-1687.

［13］刘金行.建设电动汽车电池更换式充电站的可操作性分析［J］.科技广场，2010（3）：226-229.

The Analysis on the Effects of Electric Vehicle on Low Voltage Transformer

YAO Yue，LV Chen-xu，ZHOU Qian
（State Grid Xinzhou Power Supply Company，Xinzhou，Shanxi 034000，Chin）

Vigorous developmentofelectric vehiclesand their charging stationswillhave a greater impacton the stable operation of low-voltage transformer.By simulating the status of electric vehicle being accessed to station，the transformer losses in the process of charging and the fluctuations of both sides voltage are analysed.The results show that differentamountof vehicles accessed has different impacts on transfomer lossand the voltage at low voltage side；and different charging time and the distance between the transformer and chargingmachineaffectvoltagevariation of thehigh-voltage sideof the transformer.

electric vehicle；low voltage transformer；voltage change

TM711

B

1671-0320（2014）05-0042-04

2014-05-20，

2014-07-21

姚岳（1985-），男，山西忻州人，2012毕业于太原理工大学电力系统专业，硕士研究生，工程师，研究方向为电力系统运行与控制；

吕晨旭（1973-），男，山西忻州人，2003毕业于太原理工大学电力系统专业，硕士研究生，高级工程师，研究方向为电力系统保护；

周茜（1986-），女，山西忻州人，2008年毕业于山西大学，助理工程师，从事电气专业工作。