电动汽车充电对微电网的影响

马泽坤 欧祖文 荀晓玉 郝一鸣

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院）

电动汽车充电对微电网的影响

马泽坤 欧祖文 荀晓玉 郝一鸣

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院）

汽车作为推动人类文明向前跃进的现代社会化工业产物，从生产、技术、规模、经济效益等方面来看，都取得了巨大的成就。但是燃油汽车对于环境和能源的弊端日益凸显，而电动汽车作为一种新能源汽车，对环境的保护有积极意义。目前电动汽车已经得到一定的推广，但是其充电方式主要为通过外部提供的直流电源对电动汽车进行充电，会对电网造成一定的“污染”。本文从电动汽车充电设备及充电特性出发，分析了电动汽车充电行为对风或光微电网、负荷平衡、电能质量、环境等方面的影响。探讨了不同地点、不同数量的电动汽车同时接入电网充电，对微电网造成的影响。

电动汽车；充电模式；微电网；负荷平衡；电能质量

0 引言

进入21世纪后，大规模开发利用化石能源带来了能源危机，能源以及环境问题亟待解决。新一轮能源革命也正在世界范围内蓬勃兴起，而汽车作为推动人类文明向前跃进的现代化产物也在不断进步，为了减少对环境的污染以及对化石能源的依赖，电动汽车应运而生。世界各国政府纷纷出台相关政策推动电动汽车产业发展，我国作为全球最大的汽车生产国也不例外[1]。随着电动汽车的普及推广，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系统的运行产生不可忽视的影响。

随着电力需求的不断增长，大电网难以满足用户越来越高的用电安全性和可靠性的要求。发展高效率、环保的分布式电源，是一种行之有效的解决方法。随着分布式能源渗透率的不断增加，微电网将成为输电网和配电网之后的第三级电网。而作为未来汽车产业主要车型的电动汽车，其使用场所与微电网密不可分，必将成为微电网中的主要负荷[2]。因此，有必要研究电动汽车接入微电网对其的影响。目前，对于电动汽车接入微电网的研究可归结为以下三个方面。

（1）电动汽车充电负荷建模与仿真计算

该方面的研究是研究电动汽车对微电网的影响和进行充放电调控的基础。电动汽车作为电力负荷，规模化的电动汽车充电负荷呈现出的特性将会对电力系统规划和安全运行具有重要影响。因此在大数量电动汽车接入电网之前，对其负荷模型的建立有着十分重要的意义。电动汽车作为交通工具具有很强的随机性，因此对其建模，除了需要考虑电池的荷电状态、充电功率、充电时间，还需考虑充电地点[3]。

（2）微电网的建模与仿真

随着国家节能减排政策的大力推进，加之新能源技术的持续发展，风力与光伏发电已经越来越成为人们关注的焦点，所以在建模过程中微电网主要由风力发电部分与光伏发电部分构成。风力发电并入电网会对电网有一定的负面影响，由于本文主要研究短时间内大量电动汽车接入电网产生的影响，所以忽略风力的随机性和波动性；光伏发电模型由光伏电池和整流装置构成，作为太阳能板的核心器件，光伏电池的输出由光强、温度等因素决定。

（3）研究电动汽车接入对电力系统的影响

电动汽车接入对电力系统的直接影响是导致负荷的增长。本文主要研究电动车大规模集中充电对微电网的影响，通过对比负荷接入之前与接入之后的电流电压波形，可以对电网电压以及电流的波形畸变有一个直观的认识，然后通过谐波分析对不同情况下负荷对电网的影响进行分析。

1 电动汽车充电负荷模型

1.1 电动汽车的电池特性

电动汽车的充放电特性主要指输入输出功率与电池状态的内在联系，其中最重要的就是电池荷电状态SOC。当电动汽车接入电网充电时，电池的荷电状态SOC 会持续增大直至电流充满为止，即 SOC=100%[4]。当电动汽车处于行驶状态时，电池的荷电状态会不断减小。由于电量过低会加快铅板的硫化速度，所以一般若为锂电池，为了延长电池的使用寿命，一般在剩余电量为 15%～20%时对其充电。

在调研样地的选择上,遵循区域全覆盖、植物群落类型多样性、样地典型性等原则,结合环城绿带标段划分及各标段竣工图,从中选出49个典型样地,覆盖宝山、闵行、嘉定、浦东等7个区。

根据文献[5]的锂离子动力电池充电仿真结果，可知充电功率（输入功率）随动力电池状态的变化而发生变化。多数情况下，虽然电动汽车充电过程中，功率幅值随起始 SOC、温度等一系列外部环境的参数变化而发生变化，但是，这些变化对于整体的充电功率的影响基本可以忽略不计，所以可以近似地认为电动汽车的充电功率预测是一个整个过程均为恒定的功率交换的过程。

1.2 电动汽车的用户行为

研究用户驾驶行为对于电动汽车充电负荷模型至关重要[6]。一般基于用户用车行为来分析用户的电动汽车充电时间和空间分布，并对充电负荷进行统计或预测。这种不可控性是电动汽车充电对电网产生影响的最大因素。由文献[7]数据可分析：随着电动汽车的渗透率逐渐增大，其对电网的负荷影响也逐渐增大，如果不做优化调度，会增大电网的峰谷差，并对电网的电能质量造成严重影响。由于中国随着国家新能源汽车补贴政策的出台以及电动汽车技术逐渐成熟，我国电动汽车保有量大幅增加，所以大规模集中充电的现象在未来会经常出现。

1.3 电动汽车的充电模型

动力电池仿真使用的等效电路模型有电流输入和功率输入两种，两种模型的电路结构相同，只是数学关系不同。电池的等效回路如图1所示。

该模型可以仿真大部分主流的电池类型，包括：铅酸电池、锂离子电池、镉镍电池以及镍金属氢化物电池，根据不同的电池类型，可以通过设置不同的参数来进行仿真。在模拟电动汽车的蓄电池时，选择锂离子电池模型。

图1 电动汽车动力电池内部结构图

2 微电网的建模与仿真

2.1 风力发电系统模型

由于本文主要研究短时间内大量电动汽车接入电网产生的影响，所以忽略风力的随机性和波动性。当风速大于一定值时，风机进行发电，该风速称为切入风速。当风速大于切入风速小于额定风速时按式（1）计算风轮的输出功率，当风速增大到额定风速时，风轮的输出功率为额定值，当风速继续增大超过某一值时风机停止工作，如图2所示。

图2 输出功率与风速的关系

该曲线符合下式：

式中，Pω为风机的输出功率；Vc为切入风速；Vo为切出风速；VR为额定风速；PR为风机的额定功率。

2.2 光伏发电模型

光伏发电模型由光伏电池和整流装置构成，作为太阳能板的核心器件，光伏电池的输出由光强、温度等因素决定。仿真模型如图3所示。

图 3 基于matlab/Simulink的光伏发电模型

在该模型中，由阶跃信号来模拟一天中光强的变化，分别在 0.5s、1s、1.5s 施加阶跃信号，造成输出电压变化，输入的阶跃信号在不同的时刻进行叠加之后的函数为：

3 研究电动汽车接入对电力系统的影响

未对电动汽车进行充电时的仿真结果如图4～图5所示。

图 4 微电网输出的电压与电流波形

图 5 电流谐波测量及分析

充电高峰时电动汽车进行集中充电时的仿真结果如图6～图7所示。

图 6 微电网输出的电压与电流波形

图 7 电流谐波测量及分析

充电高峰时电动汽车进行分散充电时的仿真结果如图8～图9所示。

图 8 微电网输出的电压与电流波形

图9 电流谐波测量及分析

充电低谷时电动汽车进行集中充电时的仿真结果如图10～图11所示。

图 10 微电网输出的电压与电流波形

图 11 电流谐波测量及分析

在上述几种情况下，电网电压畸变较小，电压波形均较稳定，故主要分析对电流的影响。电动汽车蓄电池未接入微电网前，电流稳定，谐波含量小；当电动汽车充电时，会对微电网产生较大谐波污染。[8]

由图4和图6比较可得，电动汽车充电负荷大时对微电网产生的谐波影响更为严重；由图6和图8比较可得，电动汽车分散充电时比集中充电时对微电网产生的谐波影响更为明显。谐波污染会导致测量仪表不准确，容易损坏大容量电容器，加重的负荷会使电力导线过热以及会使保护装置误报警。为尽量减小谐波污染，提高微电网电能质量，本文根据仿真结果分析提出以下建议：应逐步取消集中充电站，同时考虑到电动汽车用户充电的方便性，通过规划，在合适的地点设置适量分散的充电桩；还可通过电网分时收费方式来引导电动汽车用户分批充电以避开充电高峰，减小电网充电负荷，从而减小谐波影响。[9]

4 结束语

本文主要对电动汽车接入微电网的影响进行了分析总结。对于电动汽车接入微电网影响，可按以下两个方面进行研究：

1）分析微电网接纳电动汽车接入电网的能力，应综合考虑电源供给、电网传输能力和电能质量等因素。

2）分析接纳电动汽车所需的电源、电网和充电设施的建设和投资。电动汽车充电设施的合理部署是电动汽车大规模接入电网得以实现的基本保障。既要考虑不同电动汽车类型的使用和充电需求，还应考虑接入电网的成本，并与电网规划相协调。

[1]丁孝华.智能电网与电动汽车[M].北京：中国电力出版社，2014：11-66.

[2]Meng T,Ai X. The Operation of Microgrid Containing Electric Vehicles[C]//Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2011 Asia-Pacific. IEEE, 2011:1-5.

[3]罗卓伟，胡泽春，宋永华，等.电动汽车充电负荷计算方法 [J]．电力系统自动化，2011，35(14)： 36-42.

[4]戴鹏.电动汽车接入微电网的影响研究[D].上海：上海电力学院，2014.

[5]Battery Management System Based on Battery Nonlinear Dynamics Modeling[J].Vehicular Technology IEEE Transactions on,2008,57(3):1425-1432.

[6]胡泽春，宋永华，徐智威，等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报，2012，32（4）:1-10.

[7]张明霞,庄童.小区电动汽车充电负荷实测分析[J].电力需求侧管理，2012，14（3）：44-46.

[8]朱兰,杨秀.含多种分布式电源的微网系统的设计与仿真分析[J]. 华东电力, 2011, 39(10): 1604-1607.

[9] 高赐威，张亮. 电动汽车充电对电网影响的综述[J]．电网技术，2011，35（2）： 127-131．

2017-09-26）