电动汽车换电站V2G运行对中压配电网故障特征的影响

张颖达，刘 念，张建华

（华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）

0 引言

发展电动汽车被世界各国普遍确立为保障能源安全和转型低碳经济的重要途径，电动汽车换电站BSS（Battery Swap Station）作为一种重要的集中式充电基础设施而备受关注［1］。考虑到电网实际运行情况和可再生能源系统对电力系统的影响，BSS可以应用V2G技术作为电网和可再生能源的缓冲：当电网负荷过高时，由BSS高价向电网售电；而当电网负荷低时，BSS存储电网过剩的发电量。应用V2G技术的BSS不仅可以获得额外的收益，还可以为电网提供辅助服务，如调峰、无功补偿等，增加电网稳定性和可靠性，降低电力系统运营成本［2-3］，但是对保护系统影响较复杂。

目前基于V2G的BSS对配电网保护影响的文献尚不多见，但是可以借鉴类似的研究，如逆变器型分布式电源对保护系统的影响。文献［4］分析了逆变型分布式电源的故障特征，并在此基础上分析了仅含逆变器型分布式电源的微网在并网和孤岛运行2种模式下的故障特征，但是分布式电源的控制模型不够精确；文献［5］仿真分析了在三相对称系统中，逆变型分布式电源在PQ控制策略和Vf控制策略下的故障特征；文献［6］分析了在接地电阻不同、负荷水平不同情况下逆变器型分布式电源的故障特征，并与传统电源的情况进行了对比；文献［7］改进了逆变器型分布式电源的控制策略，并对含多个逆变器型分布式电源低压配电网的故障特征进行了仿真分析；文献［8-9］基于逆变器型分布式电源的控制策略，对重合器-熔断器配合的馈线自动化的故障特征进行了分析。

BSS在充电时对配电网故障特征的影响很小，因此本文只介绍接入10 kV配电网的BSS放电控制策略，仿真分析配电网发生各种类型短路故障时BSS的电气量特征，并在此基础上仿真分析基于V2G的BSS在不同场景下对配电网故障特征的影响，为含BSS的配电网保护方案的制定提供一定的依据。

1 BSS结构及充放电机控制策略

1.1 BSS结构

BSS主要包括配电系统、充放电系统、电池维护系统、电池更换系统、监控系统等，其中充放电系统由多个电池充电架组成，每个电池充电架由多台充放电机组成，如图1所示。

图1 BSS结构Fig.1 Structure of BSS

1.2 充放电机的结构及其控制策略

根据目前对电动汽车充放电机的研究［10-11］，典型的电动汽车充放电机由隔离变压器、滤波器、AC/DC环节和DC/DC环节组成，如图1所示。由于充放电机在放电时逆变器直流侧电压基本保持恒定，且动力电池按指令提供电能，对交流侧的电气特性影响很小，结合文献［12-13］的研究，可用一个恒压源代替DC/DC环节和动力电池。目前BSS并网运行时不允许出现主动孤岛的情况，因此充放电机放电时的控制策略主要有PQ控制策略［14-15］和恒流控制策略［10，13］。相对于恒流放电策略，PQ 控制策略具有更好的控制特性，在削峰填谷等方面具有更好的效果，因此本文主要研究BSS采用PQ控制策略时对配电网故障特征的影响。基于LCL滤波结构的30 kW充放电机简化后的拓扑结构及其放电控制策略如图2所示。

图2 充放电机的拓扑结构及其控制策略Fig.2 Topology of charging/discharging device and its control strategy

在配电网故障状态下，充放电机的端电压下降，电流增大，由于逆变器的过载能力有限，为保护逆变器的正常运行，通常将其输出电流限制在1.5～2倍额定电流以内［16-17］，也即图2中限流环节的功能。本文将电流限定值设置为2倍额定电流，限流原理如图3所示。

图3 充放电机限流原理Fig.3 Current limiting principle of charging/discharging device

图3中，Ilim为电流的限值，即2倍额定电流。首先对输入的和分别用Ilim限幅得到和然后优先保证不变而限制这是因为配电网故障时，逆变器输出的电流增大，导致充放电机的隔离变压器和LCL滤波器吸收的无功增加，必然会使增大，促使逆变器发出一定的无功。若限制逆变器发出的无功必然减少，充放电机将从电网吸收大量的无功，可能导致配电网稳定性降低。

2 故障时BSS电气量特征分析

本文采用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC对10 kV配电网故障时BSS的电气量特征进行仿真分析。10 kV配电网线路结构如图4所示，110 kV/10 kV变压器容量为31.5 MV·A；所有线路均为架空线路，线路参数为 r1=0.27 Ω /km，x1=0.347 Ω /km，其中 AB、BC、DE 的长度为 2 km，CD、AF 的长度为4km，FG的长度为 3km；在每个节点接入（3+j1.5）MV·A的负荷；节点C接入额定容量为600 kW的BSS，由20台额定容量为30 kW的充放电机组成，每台充放电机放电时均采用图2所示的控制策略。

当BSS以单位功率因数运行于额定放电状态，即每台充放电机的放电功率指令均为P*=0.03 MW、Q*=0时，以线路CD末端f2处发生单相接地短路、两相接地短路、两相短路和三相短路故障为例，仿真分析BSS发出的有功、无功及0.4kV侧电流和并网点电压标幺值。各种类型短路故障均发生于0.3 s，并在0.5 s结束，仿真结果如图5所示。

图4 10 kV配电网结构Fig.4 Structure of 10 kV distribution network

图5 线路CD末端发生各种短路故障时BSS发出的有功、无功、电流和并网点电压标幺值Fig.5 Active power，reactive power，current and voltage p.u.of BSS when different short circuit faults occur at end of line CD

由仿真结果可知，在发生单相短路、两相短路和两相接地短路时，随着BSS端电压的降低输出电流会增大，从而保持BSS输出的有功功率和无功功率基本不变。而在这3种短路故障中，单相接地短路时端电压最高，两相接地短路时端电压最低，因此BSS在单相短路时提供的短路电流最小，在两相接地短路时提供的短路电流最大，但均小于2倍额定电流；而发生三相短路时，BSS端电压过低，输出电流已达到2倍额定电流，BSS不再按照恒功率输出，根据图2的限流原理，BSS输出的无功功率保持不变，而有功功率随端电压的进一步降低而降低。

配电网中故障点位置不同时BSS的电气量特征也不同。以图4所示配电网中线路DE末端f3处于0.3～0.5 s发生三相短路故障为例，对BSS的电气量特征进行仿真，仿真结果如图6所示。

图6 线路DE末端发生三相短路故障时BSS发出的有功、无功、电流和并网点电压标幺值Fig.6 Active power，reactive power，current and voltage p.u.of BSS when three-phase short circuit fault occurs at end of line DE

对比分析图5（d）与图6可知，f3处距BSS并网点较远，故障时BSS电压较高，输出电流未达到2倍额定电流，BSS仍按指令恒功率输出。同理可以分析故障点距BSS比f2更近的情况，此时BSS电压更低，输出电流限制在2倍额定电流，根据图2的限流原理，输出的无功功率保持不变而有功功率更低。

一是各工程项目部领用工程材料时，均以工程管理部填列的大料单为依据，在特别情况发生时，存在超出限额部分未及时办理审批手续的情况；二是工程管理部的大料单以设计管理部的设计图纸为依据编制，领料单一出，就将材料悉数领出，存在未用材料存于企业仓库或散于工地现场的情况，不利于施工企业采购资金的安排和材料存放安全；三是单个工程完工后办理退料时，工程项目部往往将尚未用完的的散件直接退回，未能按照节约原则在下一个工程中进行充分利用，存在不愿领用可改造使用的散件而领用整件再分割使用的情况.

3 BSS对配电网故障特征的影响

3.1 BSS单位功率因数运行时

当BSS以单位功率因数运行时，考虑配电网故障时BSS对故障点提供最大短路电流的情况，即每台充放电机放电功率指令P*=0.03 MW，BSS放电功率为0.6 MW。

10 kV配电网的仿真模型如图4所示，以系统最严重的故障即三相短路为例，当BSS额定容量分别为0、0.6 MW、1.2 MW时，若故障点分别在BSS上游AB末端f1处、下游CD末端f2处以及相邻馈线AF末端f4处，对配电网故障特征的仿真结果分别见表1—3。其中 IBC、ICD、IAF分别为故障时流过线路 BC、CD、AF的电流。

由表1可知，BSS上游线路故障时，BSS会提供反向的短路电流；分析表2可知，BSS下游线路故障时，BSS会提供助增电流，并使得BSS上游保护测得的故障电流减小；分析表3可知，相邻馈线故障时，BSS会提供反向电流，并使得故障线路的短路电流增大。

表1 f1处三相短路时配电网故障电流Table 1 Fault current of distribution network when three-phase short circuit fault occurs at f1

表2 f2处三相短路时配电网故障电流Table 2 Fault current of distribution network when three-phase short circuit fault occurs at f2

表3 f4处三相短路时配电网故障电流Table 3 Fault current of distribution network when three-phase short circuit fault occurs at f4

由仿真结果还可看出，0.6 MW换电站对10 kV配电网的故障特征影响不大，原因主要有3点：BSS放电时要考虑逆变器的过流能力，提供的最大电流仅为额定电流的2倍；BSS的容量比较小，提供的电流有限；BSS提供的故障电流与其运行状态有关，将在3.2节中详细介绍。

进一步分析比较表1—3中BSS额定容量不同时配电网中短路电流的大小可知，BSS容量对配电网的故障特征有重要影响。当换电站容量增大时，若BSS上游线路（如f1处）故障，则故障点短路电流增大；若BSS下游线路（如f2处）故障，则故障点短路电流增大，而流过BSS上游的短路电流减小；若BSS相邻线路（如f4处）故障，则故障点短路电流增大，而流过BSS上游的电流减小。如果BSS容量继续增大，则BSS上游线路故障时，BSS提供的反向电流可能导致BC线路保护误动作；BSS下游线路故障时，BSS对下游故障的助增电流可能导致CD线路保护的保护范围延伸，失去选择性；BSS相邻线路故障时，BSS提供的反向电流可能导致BC线路上流过反向电流。此时，BSS对配电网的故障特征影响较大，对配电网保护的影响不容忽视。

如果充放电机带低压检测功能，则可以在电压大幅度下降后停止向电网放电。IEEE Std.1547标准规定分布式电源的并网点电压在0.88～1.1 p.u.之间时，分布式电源处于正常运行状态［18］，参考该标准，可认为当BSS并网点电压小于0.88 p.u.时，配电网处于不正常运行状态，需停止放电。假设图4中f2处0.2s时发生三相短路，充放电机停止放电的动作时间为10 ms，BSS在10 kV侧输出电流如图7所示。

根据仿真结果，线路故障后充放电机若继续放电，则BSS向配电网提供的电流为73 A；若检测到低电压后停止放电，则BSS提供的电流为61 A。结合图7可知，虽然充放电机在检测到低电压后停止向电网放电，但是在检测低电压和充放电机动作过程中，充放电机仍然会向配电网提供电流，导致故障发生后一小段时间内BSS仍然会对配电网的故障特征造成一定影响。

图7 充放电机具备低电压停止放电功能时BSS的输出电流Fig.7 Output current of BSS when charging/discharging device are equipped with low-voltage discharge prohibition function

3.2 BSS提供无功服务时

基于V2G的BSS可以为电网提供无功服务，假设每台充放电机的有功功率指令P*=0.03 MW，以线路CD和DE末端发生三相短路为例，当充放电机的无功指令Q*不同时分别对配电网的故障特征进行仿真，对应的BSS发出的无功QBSS、BSS功率因数、f2和f3处故障时的短路电流If2和If3见表4。

表4 BSS提供无功服务时配电网的故障特征Table 4 Fault characteristics of distribution network when BSS provides reactive power services

分析表4可知，与BSS单位功率因数控制时相比，若BSS从配电网吸收无功，则BSS提供的故障电流减小，当吸收一定的无功功率时，BSS对配电网的故障电流没有影响（如f2处故障BSS吸收0.18 Mvar无功时和f3处故障BSS吸收0.24 Mvar无功时），且故障点不同时该无功功率也不同，当吸收的无功功率更大时，配电网的故障电流甚至比不接入BSS时更小；反之，若BSS向配电网发出无功，则BSS提供的故障电流增大。

以BSS下游某点发生故障为例分析无功对配电网故障特征的影响，等效电路图如图8所示。

在接入BSS之前，配电网的故障电流If计算如下：

其中，U为等效电源电压；Znet为电源到馈线首端，即图4中A点的等效阻抗；Z1为馈线首端到BSS并网点之间的线路阻抗；Z2为BSS并网点到故障点的阻抗；R为故障电阻。

图8 配电网故障电路等效图Fig.8 Equivalent circuit diagram of distribution network with fault

BSS接入后，可将BSS等效为一个电流源，则配电网的故障电流变为：

其中，IBSS为BSS输出的电流。

式（2）中等号右边第2项的阻抗在特定的故障情况下均是定值，因此可以简化为：

其中，k、θl均为常数。

因此式（2）可简化为：

根据图2的控制策略与式（3）、（4）可得出图9所示的矢量图，其中If为BSS未接入时的故障电流，Ug为BSS接入点配电网电压，UBSS为BSS并网点电压，因此Ug与UBSS一致，If滞后Ug一定角度。BSS单位功率因数运行时其输出电流IBSS1与UBSS同相位，IBSS1经过式（3）后得到 IB1，根据式（4）If与 IB1合成了故障电流IfB1；BSS从配电网吸收少量无功时，其输出电流IBSS2超前电压一定角度，且该电流与IBSS1近似相等，同时由于式（3）中k和 θl均不变，因此IB2与IB1大小相等，相位差和IBSS2与IBSS1的相位差相同，因此故障电流变为IfB2，明显小于 IfB1；同理，当 BSS发出无功时，故障电流变为IfB3，大于IfB1。

图9 无功对故障电流影响分析图Fig.9 Analytical diagram of reactive power influence on fault

4 结论

本文基于BSS放电时PQ控制方法，对含BSS的配电网故障时BSS的电气量特征和配电网的故障特征进行了仿真和分析，得出了以下结论。

a.故障类型与故障位置对BSS的电气量特征都有影响，若配电网故障时BSS并网点电压降落不太大，则BSS按照恒功率输出；若电压降落较大，则BSS按2倍额定电流恒流输出。

b.由于BSS中电力电子器件的过流承受能力有限，BSS提供的故障电流比较有限，当BSS容量大时对配电网故障特征的影响较明显。

c.BSS的运行状态对配电网的故障特征影响明显。与BSS单位功率因数运行相比，BSS从配电网吸收无功时提供的短路电流减小，而向配电网发出无功时提供的短路电流增大。