电动汽车接入配电网的分区评估方法

姚文峰，陈亦平，王滔，方必武，张野，赵文猛，李永亮

（1.南方电网科学研究院有限责任公司，广州 510663； 2.中国南方电网有限责任公司，广州 510663）

引言

“双碳”战略目标背景下，新能源电动汽车发展迅猛，安全、快速的电动汽车充电成为了电动汽车推广的关键环节[1]。当前，最主要的充电方式是将电动汽车的电池通过换流变接入电网进行快速充电，快速充电的过程涉及到大功率电力电子设备的能量转换，容易对电网造成的冲击，主要体现为电动汽车大规模接入时的巨大电量需求，导致电网的电压、频率等参数发生变化。

当前对大规模电动汽车接入电网影响，多采用频率或电压单一状态的识别，实际电网运行过程中，只有当频率或电压的幅值出现较大变化时，才可以较好识别出来，对于幅值变化不是很明显情况下，识别度较差。

针对上述问题，本论文依托现有电动汽车测控系统的采样和计算能力，充分利用频率和电压两个指标的变化来观察电动汽车接入对电网的影响，综合采用频率和电压进行电动汽车大规模接入的电网状态识别。

1 冲击性负荷特性

电动汽车接入电网后，尤其大规模接入电网进行充电的过程，电网相当于接入了一个电力电子形式接口的巨大负荷，电动汽车接入区域电网的模型如图1 所示。此时，电动汽车所接入的区域电网出现了大量的用电需求，通常需要从其他区域电网通过联络线转移功率，以支撑电动汽车所接入的区域，较大的功率转移，会在联络线及其他相关线路造成更大的压降。电动汽车接入点PCC 的压降方程如公式（1）所示。

式中：

P—有功功率；

R—电阻大小；

Q—无功功率；

X—电抗大小；

ΔU—电网电压的变化量大小。

电动汽车大规模接入电网，相当于大量负荷突然接入电网，为了给负荷供电，有功P 和无功Q 都增加，电动汽车接入充电越多，P 和Q 就越大，ΔU 也就越大，即电网电压下降越多[2]。同时，短时大量负荷突然增加，对区域电网的频率也可能会有影响。电网的频率在正常供电的情况下在额定值附近波动，当大量电动汽车大规模接入电网时，相当于电网短时间接入大量负荷，电网容易受到冲击，电网的频率可能发生变化。电网频率的下降由负荷功率和发电功率不平衡导致，由转子运动方程（2）可以推出大量负荷突然接入时电网频率f 会下降[3]。

TJ—发电机的惯性时间常数；

ω—电气角速度；

PT—原动机机械功率；

PE—发电机电磁功率；

*—标幺值。

由公式（2），供电稳定时负荷功率和发电功率保持平衡PT*=PE*。电动汽车大规模接入电网，负荷大量增加，发电机电磁功率PE*突然上升，电动车刚接入充电时原动机机械功率不会突变，所以PT*保持不变，PT*＜PE*，负荷功率和发电功率不平衡，PT*-PE*小于0，小于0，电气角速度ω 减小，由公式（3），电网的频率f下降。

2 电压-频率二维坐标识别方法

针对电网检测的灵敏度、准确度不高的问题，本论文综合采用频率和电压进行电动汽车大规模接入的电网状态识别，通过同时检测电网的频率和电压两个指标，更全面考察电动汽车接入电网的运行状态变化，具体实现上，构建频率-电压二维坐标，在二维坐标上，进行电压和频率的直观展现分析，通过不同区的状态，可以及时预警电动汽车大规模接入时电网状态变化。本文建立“电压-频率”的二维坐标并进行分析识别，把电压-频率图分九区可以更清晰地展现电网所处的运行状态。

本文方法可以根据电网实际运行波动情况，灵活设置“电压-频率”九个区的允许偏离值，默认情况下，电压的偏差值参考GB/T 12325-2008《电能质量与供电电压偏差》要求，20 kV 及以下电压等级三相供电电压偏差在标称电压的士7 %，节点电压运行的上下限为0.93和1.07（标幺值）。

频率的偏差值参考GB/T 15945《电能质量电力系统频率允许偏差》标准中的规定：“我国电网频率正常为50 Hz，频率等级：A 级 ≤±0.05 Hz；B 级≤±0.5 Hz；C 级 ≤±1 Hz”。本文选取A 级0.05 Hz作为允许偏差值。

电网电压和频率同时满足上述条件即落在正常波动区间，其中：

UN+表示电网电压的最大允许值，UN-表示电网电压的最小允许值，fN+表示电网频率的最大允许值，fN-表示电网频率的最小允许值。UN为电网额定电压，fN为电网额定频率。

以UN+，UN-，fN+，fN-四个指标为界划定九个区，根据当前电网电压和频率落在哪个区来检测电网的变化。

针对“电压-频率”9 区中，电压和频率都偏低，但按经典的电压或者频率阈值方法又属于允许偏差范围内的运行数据，处于边缘状态的电网运行情况，设立电动汽车识别曲线以提高识别灵敏度。

电动汽车大规模接入充电后，相当于短时接入巨大的冲击性负荷，接入点的电网电压和频率可能降低，同时考虑大电网的频率由于具有惯性，相当于电压的变化会较为缓慢。因此，构建的电动汽车识别曲线呈曲线下降趋势，形状类似反比例函数，采用反比例函数来近似表示电动汽车识别曲线。电动汽车识别曲线具体的数据模型如下分析。

故电动汽车识别曲线定义如下：

图2 蓝色阴影部分即轻微预警区间的定义如下：

图2 电网状态的九区划分-基于电压和频率

假设某一时刻电网的电压和频率分别为U、f，在电压-频率图中表示为坐标（f，U），满足：

则电网状态落入轻微预警区间，发出轻微警报。

图2 红色阴影部分即严重预警区间的定义如下：

在电压-频率图中表示为坐标（f，U），满足

则电网状态落入严重预警区间，发出严重警报。

3 仿真分析

在Matlab 软件上，搭建电动汽车接入区域电网的模型，在此基础上构建联络线实现两个区域电网的连接，如图3 所示，仿真的控制方法与模型参数借鉴文献[4]，但本文重点分析电动汽车接入后对电网的冲击，不考虑电动汽车作为储能元件的放电过程。本文选择所区域电网B 作为所研究的电动汽车，从小到大的容量进行仿真分析。

图3 接入电动汽车的区域电网模型

进行电动汽车容量比25 %、50 %、75 %、100 %的仿真，把这四个容量比的电压、频率值用“电压-频率”二维坐标表示，分别记作点C（f1，U1）、D（f2，U2）、E（f3，U3）、F（f4，U4）， 取fN=50 Hz，UN=10 kV，具 体 数 值 为C（fN-0.014，0.965UN），D（fN-0.019，0.946UN），E（fN-0.037，0.932UN），F（fN-0.063，0.753UN） 。取标准：fN-=fN-0.05，UN-=0.93UN。用九区进行划分，CDE 落在9 区，F 落在6 区，由于CDE 均落在预警区（UN-≤U ≤UN，fN-≤f ≤fN）利用电压识别曲线判断这三点是落在轻微预警区还是严重预警区。若满足fN-≤f ≤fN且则落在轻微预警区，若满足fN-≤f ≤fN且则落在严重预警区。参数为便于表示，记分别代入CDE 点，得U′1、U′2、U′3，计算得对于落在预警区的CDE 点，C 在轻微预警区，DE 在严重预警区，如图4 所示。

图4 电网状态九区图中各点分布

4 结论

通过对电动汽车接入电网的冲击性负荷特性的分析，研究不同容量比情况下电动车接入电网对电网电压和频率的变化情况，对电网状态的检测和评估，并及时发出预警，有助于保证电网的供电质量。