电动汽车负荷对配电网暂态电压稳定性的影响仿真与分析

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引言

在环保的压力和政府的扶持下,我国电动汽车行业发展十分迅速。许多学者在规模化充电负荷对电网的影响等方面做了研究,对电动汽车负荷建模的研究着重于静态负荷模型,而对充电动态过程的研究较少。电动汽车充电站作为一种大功率的电力电子器件组成的设备,未来若大量接入含有感应电机负荷等的配电网,根据接入位置、接入点容量和渗透率等的不同,会对配电网暂态电压稳定性产生不同程度的影响。

基于此,本文通过搭建电动汽车充电站的动态模型,将其和综合负荷模型接入配网系统中进行仿真分析,对电动汽车负荷大量接入对配电网暂态电压稳定性的影响及影响因素进行了评估和研究。

1 电动汽车负荷渗透率对电网暂态电压稳定性的影响

选择合适的电路参数,在matlab/Simulink平台中搭建含有三相电压源型PWM整流器、移相全桥ZVS直流变换器和动力电池组的充电站模型,每台充电机最大充电功率35kW。在IEEE33节点辐射状配电网中,根据有功、无功容量水平和离电源点远近的不同,选取若干个有代表性的节点,接入充电站动态模型和综合负荷模型,分析电动汽车充电站动态过程对电压稳定性的影响及影响因素。配电系统如图1所示,该系统基准电压为12.66kV,基准容量为10MW,网络总负荷为5084.26＋j2547.32kVA。

综合负荷由用感应电动机表示的动态负荷模型和用恒功率负荷表示的静态负荷并联形成。其中,感应电动机的极限切除时间反应了暂态电压稳定的水平,可以此参数作为指标,定量评估电动汽车充电站动态过程对配电网暂态电压稳定性的影响以及不同特性的配网节点接入电动汽车负荷的稳定水平。

图1 IEEE33节点配电网络

设感应电机负荷所占比例为30%。在0.6s时设置三相短路故障,0.7s切除。在不同的电动汽车负荷渗透率下计算得到的极限切除时间结果如下图。

图2 不同电动汽车负荷渗透率下的极限切除时间对比

可见,随着电动汽车负荷渗透率的提高,节点暂态电压稳定水平呈先上升后下降的趋势。在渗透率较小的时候,相对于没有电动汽车负荷之时,暂态电压稳定水平略有提升,这一点在负荷水平较高的节点中体现得尤为明显,负荷水平较低的节点(2)基本持平,负荷水平最低的节点(3、18)则没有上升的过程。

这是因为切除故障之后,整流器的快速响应能力对电压恢复起到了一定的促进作用。由图3可见,0.7s切除故障,恢复过程中整流器发出无功功率,提高了母线电压,由于电压和电磁功率Te呈正比,故而增加了加速面积,提高了极限切除时间。而整流器的调节能力是有限的,之后渗透率继续提高,极限切除时间便开始减小。

图3 渗透率为25%时节点25有功无功功率曲线

2 电动汽车负荷对配电网暂态电压稳定性的影响因素

2.1 电动汽车负荷接入点距离根节点的远近 从图2可以看出,虽然节点4、节点14和节点3、节点18分别具有相同的负荷水平,但在各种渗透率下,距离电源点较远的14、18节点极限切除时间更小。

2.2 节点的无功容量大小 以负荷渗透率为25%时为例,极限切除时间随无功容量的变化曲线如下图。

图4 极限切除时间随无功负荷的变化曲线

显然,无功容量越高的节点,其暂态电压稳定水平也越高,受到电动汽车负荷动态特性的影响也越小。

2.3 节点动态负荷比例 实际的配电网系统中,各节点的动态负荷比例不尽相同。如城市工业区的动态负荷比例要高于居民区和商业区。对节点2和节点14,改变其感应电动机负荷所占比例α,在不同的EV负荷渗透率下进行仿真,得到结果如下图。可见动态负荷含量越高的节点,其暂态电压稳定水平越容易受到电动汽车动态的影响。

图5 不同动态负荷比例下的极限切除时间对比

3 结论

本文从电动汽车充电机的动态模型出发,将其接入配电网仿真算例中,以同节点的感应电动机负荷极限切除时间为指标,研究不同电动汽车渗透率下的暂态电压稳定水平及其影响因素。结果显示：在渗透率较小的时候,由于整流器能快速响应发出无功,暂态电压稳定水平相对于没有电动汽车负荷之时略有提升,在负荷水平较高的节点表现更明显。而渗透率进一步提高时,电动汽车充电负荷开始对暂态电压稳定水平产生不利影响。对比各个接入点可以发现,充电站动态过程对配电网暂态电压稳定水平的影响与接入点无功容量大小、接入点与电源节点的距离远近以及接入点动态负荷所占比例有很大关系,在充电站选址建设中应予以重视。通过评估和分析电动汽车充电站动态过程对配电网暂态电压稳定水平的影响及其影响因素,为电动汽车大规模接入电网的安全稳定运行提供了一定的参考。结合电动汽车充电随机特性和控制策略研究充电站的动态特性,将是下一步的方向。