规模化电动汽车三相负荷平衡充电选线装置与仿真分析

苏海锋，赵可为，李 岩，李 萌，温和龙，王 勇

(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003；2. 内蒙古电力经济技术研究院，内蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

能源危机与环境污染是当今世界发展过程中面临的两大难题，而大量的传统汽车给能源危机与环境污染带来了不可忽视的影响。电动汽车不直接消耗一次能源，因此具有效率高、低污染等优点，在解决上述问题方面相较传统汽车有着不可比拟的优势。但是，随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系统的运行与规划造成负荷增长、电网运行优化控制难度的增加和影响电能质量等不可忽视的影响[1]。

家用通勤电动汽车(私家电动汽车)通常在日间停驶，夜间停在小区停车场，具有较长的可充电时段供选择，因此通常采用更有利于延长电池使用寿命的常规慢速充电方式，即采用单相220V电源进行充电。规模化私家电动汽车在小区车库进行慢速充电时，如果不采取控制措施，会造成配电系统三相负荷不平衡。三相平衡是电网安全经济运行的基础，严重的三相不平衡不仅会导致电压质量不合格，还会增加电网损耗(线路、变压器损耗)，甚至引发电网安全事故。

诸多学者针对三相不平衡问题展开了相关研究。文献[2-4]以电动汽车充电导致的三相不平衡问题为研究内容。文献[2]分析了规模化电动汽车的接入对典型住宅小区配电网的影响。文献[3]针对配电网可能出现三相不平衡问题，提出了一种控制三相负荷平衡的电动汽车有序充电策略。文献[4]针对规模化电动汽车接入影响配电网三相不平衡度的现象，研究了不同渗透率下电动汽车对配电网三相不平衡的影响。文献[5]从电能质量的角度分析单相负载不平衡运行所造成的三相电压不平衡及危害，并从管理和技术上提出了治理措施。

文献[6-10]以三相不平衡计算方法为研究内容。文献[7]讲述了一种基于前推回代法对含分布式电源的配电网的三相不平衡潮流计算方法。文献[8]针对含不同类型分布式电源的配电网及其三相线路参数和负荷不平衡的情况提出了一种三相配电网连续潮流方法。文献[9]提出一种三相三线配电系统中基于负荷功率的、由不对称负荷引起的三相不平衡度的实用计算方法。文献[10]利用不对称线路三序解耦补偿模型对配电网进行三相潮流计算。以上多种算法为本文对选线装置的实际应用效果的验证工作提供了理论基础。

文献[11]通过动态平衡充电负荷，提高了配电网运行的经济性和安全性。文献[12]分析了电动汽车充电对电力系统的影响，并给出了解决相应问题的对策。文献[13]揭示了电动汽车充电机会对电能的计量产生影响。文献[14]基于车网互动(V2G)技术提出了一种快速的电动汽车充放电方法。文献[15]基于峰谷分时电价提出了一种控制居民小区电动汽车有序充电的策略。通过以上研究结果可知，电动汽车的不合理利用会对电力系统产生巨大的负面影响。反之，合理地引导这种负荷，会对电力系统产生积极的影响，可提高配电网的经济性、安全性和可靠性。

本文设计了一种可实现三相负荷平衡的电动汽车充电机选线装置。该装置利用发生三相不平衡问题时三相电路中电压参数幅值不等的特点为充电桩选择合适的线路接入，从而可以合理地分配规模化电动汽车的充电负荷。由此可以从根本上最大限度地减小电动汽车慢速充电带来的三相不平衡对小区配电系统的影响。最后，通过仿真分析验证了该装置具有实现充电负荷平衡、改善三相电压不平衡度及降低配网线损的效果。

1 选线装置的整体结构分析

不同于居民小区常规用电负荷，电动汽车用电负荷受到小区居民出行规律和生活习惯的影响，具有极强的随机性。即使是慢速充电(通常慢速充电功率为2～6kW)，充电功率较常规用电负荷而言也较大。如果各充电桩没有安装合适的选线装置，而是采用固定的或随机的单相接线方式，则会使小区电力系统在规模化电动汽车充电时出现严重的三相不平衡现象。

本文设计的充电接入开关装置将选线动作设定在充电机接入电路之前。这样不仅不会造成用电中断等现象，而且可以自动地平衡电动汽车三相充电负荷。

1.1 选线装置中各功能单元的作用及联系

本文针对居民小区内私家电动汽车慢速充电负荷的需求特性(单相220V充电)，设计了一种通过检测电源接入点电压以自动实现三相负荷平衡的电动汽车充电机选线装置，如图1所示。

图1 自动负荷平衡电动汽车充电机选线装置Fig.1 Charging line selection device of electric vehicle with automatic load balance function

充电机选线装置内部结构及各单元之间的相互联系如图1虚线框内所示，包括微型测量电压变换器(TV模块)、信号调理模块、A/D采样模块、CPU模块、三选一互锁固态开关。低压配电网中三相电源为三相四线制，分别为A相、B相、C相和N线，充电机单元分别与选线装置的三选一互锁固态开关的输出端和三相电源的N线连接。各单元之间紧密联系形成了一个有机的整体。

其中，TV模块是一个微型测量电压变换器，将220V电源电压变换到较低电压，以方便信号采集；信号调理模块的作用为将TV输出电压变换到A/D输入电压范围，同时对被采样信号进行滤波，抑制干扰以提高系统的量测精度和稳定性；A/D采样模块主要包括采样保持、多路选择和A/D转换三部分，实现模拟电压的数字化；CPU模块控制系统协调工作，完成A/D转换和数据处理，选出电压最高的一相，再控制三选一互锁固态开关导通电压最高一相作为电动汽车充电电源；三选一互锁固态开关是一个三相相互闭锁固态开关，根据输入控制信号，选通其中一相导通，其他两相截止。

该充电机选线装置具有如下特点：

a. 自动检测电压UAN、UBN、UCN，选择电压最高的一相作为电动汽车充电电源；

b. 电动汽车充电负荷在接入前进行选相，接入之后持续使用该相作为充电电源，直到充电完毕，中途不再切换其他相作为充电电源，因此不存在供电中断或电压跌落现象；

c. 不需要远方控制，应用简便。

1.2 选线装置工作过程

含自动负荷平衡功能的充电机选线装置的小区停车场慢速充电系统示意图如图2所示，当该系统出现三相不平衡现象时，配电变压器三相输出电流不一样，从而导致中性线N中出现电流。因此中性线会产生电压降，进而导致中性点位移使各相电压的大小发生变化：会产生负荷较大的一相电压降较大的同时负荷较小的一相电压降较小现象。利用此现象，当某停车位驶入需充电的电动汽车时，充电机选线装置通过内部各模块之间的相互配合，选择电压最高的一相作为电动汽车充电电源。

图2 私家电动汽车小区地下停车场集中慢速充电低压配网接线示意图Fig.2 Wiring diagram of centralized slow-charging low-voltage distribution network in private electric vehicle underground parking garage

选线装置详细工作步骤为：首先，将电源电压变换为信号采集电压；其次，将所述微型测量电压变换器的输出电压变换到A/D输入电压范围，并对采样信号进行滤波；再次，对滤波后的信号进行采样保持、多路选择和A/D转换；最后，CPU根据A/D转换的结果，选出三相电路中电压最高的一相，并由三选一互锁固态开关将此相导通以作为电动汽车充电电源，同时将另外两相断开。

由此，无需负载的通信装置及远程控制即可实现三相负荷的自动平衡。

2 电动汽车负荷需求建模

关于家用紧凑型电动汽车、中高级电动汽车和SUV电动汽车的分类方式和燃油私家车关于紧凑型汽车、中高级汽车和SUV汽车的保有量比例，得到的各车型的参数和车型比例如表1所示，参考车系为日产Leaf、长安E30、BYDE6。

表1 各车系的参数和车型比例Table 1 Parameters and market share of different vehicles

根据私家电动汽车的出行规律和行驶里程概率密度分布函数得到私家车辆最后行程返回时刻概率分布图和私家车辆日行驶里程概率分布图分别如图3和图4所示。

图3 私家车辆最后行程返回时刻概率分布图Fig.3 Probability distribution of returning time of last trip of private vehicle

图4 私家车辆日行驶里程概率分布图Fig.4 Probability distribution of driving distance during one day of private vehicles

根据私家电动汽车的用车习惯，统计得出的私家电动汽车谷时段有序充电假设条件如下。

(1) 电动汽车具备的开始充电时刻为最后一次出行返回时刻，开始充电时刻满足如下正态分布，其概率密度函数为：

(1)

其中，xt为时间；期望值μS=17.6；标准差σS=3.4。

(2) 日行驶里程概率密度函数为：

(2)

其中，L为日行驶里程；期望值μD=3.20；标准差σD=0.88。

(3) 家用电动汽车动力电池的容量通常在 20～30kW·h(也有容量更大的)范围内呈正态分布。目前家用电动汽车动力电池以恒流-恒压的两阶段慢速充电方法为主，恒流阶段可充入电池容量的90%以上。恒流阶段充电电流保持不变，电池电压逐渐上升，且变化范围不大。因此，仿真计算时电动汽车慢速充电功率可近似采用恒功率(如表1所示)，即充电功率PC分别取值3kW、4.8kW、15kW。

(4) 电动汽车充电时间计算公式如下：

(3)

其中，TC为充电时间长度，单位为h；W100为百公里耗电量，单位为kW·h。

3 电压不平衡度的计算

电压不平衡是电能质量考核参数之一，在计算相电压不平衡度时，GB/T 15543—2008《电能质量三相电压不平衡》中规定了电压不平衡度的计算方法。该方法需要各相电压的大小及其相位，再依据对称分量法计算得到正序分量和负序分量。电压不平衡度的计算公式为：

(4)

其中，U1为三相电压的正序分量方均根值，单位为V；U2为三相电压负序分量方均根值，单位为V。

传统输电网潮流计算方法不可直接应用于小区配电网系统三相潮流计算，可利用文献[8-9]所述的方法。计算时需得到k次迭代时负荷节点i的各相电流，如式(5)所示。

(5)

(6)

I0，1，2=AIa，b，c

(7)

(8)

4 仿真分析

图2所示的小区地下停车场充电用低压配电网所对应的低压配电线路参数如下：10kV/0.4kV变压器，额定容量Sn=630kV·A，短路阻抗Vs=6%，空载电流I0=1.6%，等效电阻和电抗分别为1.567Ω和9.524Ω；0.4kV电缆，型号为YJV-0.6/1kV-4×120，每相额定载流量为270A，每相额定负荷为59.4kW，等效电阻和电抗分别为0.1809Ω/km和0.08699Ω/km，配电线路始端与第一个充电桩之间的电缆长度为50m，相邻充电桩之间的电缆长度为5m，充电桩数量为50。

本文根据前文所述内容，基于图2所示的私家电动汽车小区地下车库集中充电系统(充电停车位共计150个)和相关电气设备参数，采用相关文献中私家电动汽车的出行规律和行驶里程概率密度分布函数，分别进行了不采用和采用选线装置的2种方案的时序仿真(时间间隔为5min)。

4.1 未采用选线装置的仿真分析

仿真方案1为未采用选线装置的分析，得到的充电私家电动汽车分布情况为：当天参与充电的汽车共计145辆，其中A相48辆，B相50辆，C相47辆；这些车辆的总行驶里程为8434km，总充电量为1380.4kW·h；得到的充电功率时序图如图5所示。

图5 方案1各相充电功率时序图Fig.5 Sequence diagram of charging power(Scheme 1)

电网正常运行时，电力系统公共连接点负序电压不平衡度(国标值)不超过2%，短时不超过4%。统计各时刻三相电压不平衡度最严重的节点三相电压不平衡度值，得到的系统三相电压不平衡度值时序图如图6所示。

图6 方案1三相电压不平衡度时序图Fig.6 Sequence diagram of three-phase voltage unbalance(Scheme 1)

由于线路末端的节点电压变化最大，所以本文重点研究线路末端节点各相电压幅值。末端节点各相电压幅值时序图如图7所示。

图7 方案1线路末端节点各相电压幅值时序图Fig.7 Sequence diagram of node voltage amplitude at end of lines

未采用此选线装置的不平衡充电模式时，三相24h的网损为A相8.39kW·h、B相9.96kW·h、C相7.04kW·h，系统网损率ΔP=1.8%。

4.2 采用选线装置仿真分析

仿真方案2为采用选线装置的仿真分析，仿真得到的充电的私家电动汽车分布情况如下：当天参与充电的汽车共计146辆，其中A相49辆，B相47辆，C相50辆；这些车辆的总行驶里程为8329km，总充电量为1398.6kW·h；得到的充电功率时序图如图8所示。

图8 方案2各相充电功率时序图Fig.8 Sequence diagram of charging power(Scheme 2)

统计各时刻三相电压不平衡度最严重的节点三相电压不平衡度值，得到的系统三相电压不平衡度值时序图如图9所示。

图9 方案2三相电压不平衡度时序图Fig.9 Sequence diagram of three-phase voltage unbalance(Scheme 2)

末端节点各相电压幅值时序图如图10所示。

图10 方案2末端节点各相电压幅值时序图Fig.10 Sequence diagram of three-phase voltage amplitude at end of lines(Scheme 2)

采用此选线装置的平衡充电模式时，三相24h的网损为A相7.81kW·h、B相6.02kW·h、C相7.91kW·h，系统网损率ΔP=1.6%。

4.3 数据分析

由图5和图8可以看出：在充电车辆相当的情况下，在未采用本文所述选线装置的充电模式时，B相出现了近8kW过负荷，A、C两相出现了轻微过负荷(图8)；而采用本文所述选线装置的三相平衡充电模式时，各相负荷比较均衡，不仅未出现过负荷现象，而且还有留有一定负荷域度。

由图6和图9可以看出：未采用本文所述选线装置的充电模式时，系统出现了明显的三相电压不平衡度(超过国标允许值2%)；而采用本文所述选线装置的三相平衡充电模式时，未出现三相电压不平衡度超标现象。

由图7和图10可以看出：采用本文所述选线装置的三相平衡充电模式后，末端节点电压最小值(212.5V)明显好于未采用本文所述选线装置的充电模式时末端节点电压的最小值(208.5V)，电压质量也得到了提升。

另外采用本文所述的三相平衡充电模式后，系统网损率也由1.8% 减少到1.6%。

5 结论

本文针对居民小区电动汽车单相慢速充电方式会造成小区电力系统三相不平衡的问题，设计了一种实现三相负荷平衡的电动汽车充电机选线装置。利用私家电动汽车的出行规律(出行和回家时间、日行驶里程)数据和充电数据，对该装置的实际应用效果进行了仿真分析，验证了该装置在实现充电负荷平衡、改善三相电压不平衡度及降低配网线损等方面具有优良的效果。具体结论如下。

a. 电动汽车单相慢速充电方式会造成居民小区配电系统出现严重的三相不平衡现象，该选线装置的自动负荷平衡功能利用发生三相不平衡问题时的特点合理地安排电动汽车充电负荷。在采用此选线装置后，配电系统各相负荷比较均衡，不会出现某一相过负荷的情况。

b. 由于电动汽车三相充电负荷的合理分配，从根本上最大限度地改善了三相不平衡现象。小区配电系统三相不平衡度较未采用该装置的充电模式而言不但未超过国标规定的范围，而且均值较小。

c. 该选线装置的应用可使小区电力系统具有良好的电压水平，尤其是波动最大的末端节点电压。且由于三相电流越平衡，系统网损越小，故较未采用该装置的充电模式而言降低了网损。

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