*1基于数学模型对电动汽车接入电网及微电网问题的研究

刘继军,乔俊福

(1.太原工业学院,山西 太原 030008; 2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室 030051)



*1基于数学模型对电动汽车接入电网及微电网问题的研究

刘继军1,乔俊福2

(1.太原工业学院,山西 太原 030008; 2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室 030051)

〔摘要〕文章简要论述了电动汽车现如今和未来的发展情况,对电动汽车自身的负荷特点、接入传统电网带来的问题和应对策略进行初步研究,并对微网这种新型的电网组成联接方式进行深入研究,对电动汽车接入微网的优势进行了分析,重点对一般微网蓄电池和电动汽车接入微网充放电状态的荷电量进行了模型分析．

〔关键词〕电源模型;电动汽车;微电网

0引言

电动汽车作为汽车发展的方向已被公认．随着电池存储密度的提高、电机性能及其控制系统的优化等电动汽车关键技术的进步,以及节能减排等积极政策的支持,电动汽车作为新能源汽车的代表得到大力发展．据专家预测,到2040年电动汽车产能将占全球汽车产能的一半以上[1]．电动汽车在世界各国都得到了关注和发展,在美国由能源部实施了EV project计划,免费为电动汽车的家庭用户建设充电桩,以此来促进电动汽车的使用．在我国,科技部牵头开展“十城千辆”计划,计划用3年左右时间,以每年10个城市,每个城市推出一千辆电动汽车开展示范运行的方式来推进电动汽车的发展．以太原市为例,仅2015年建成并投入使用的大型充电场站就有3座,充电桩3 000余个,并以出租汽车的电动化为示范运营,以此带动电动汽车行业发展．

然而,电动汽车自身特性决定了电动汽车大规模接入将对电力系统的正常运行造成影响．电动汽车作为分布式的微储能单元接入电网后,将其由放射状网络变成和用户互联的分布式复杂网络,影响其运行特性的同时也影响其安全经济运行．

1电动汽车负荷特性及其影响

1.1受电动汽车用户行为不确定的影响

电动汽车接入电网的时间和频率具有较大的随机性和不可预测性,大量电动汽车在负荷高峰期的接入,将加剧电网负荷的峰谷差,在负荷低谷大量接入,又将带来新的用电高峰,引起负荷的不平衡的同时增加了预测难度．未来,此类负荷的空间分布也将具有很大不确定性和随机性,用户很难与电网进行安全有效的互动．仅仅通过经济和市场行为来对其影响无法得到明显效果．

1.2电动汽车充电负荷具有非线性的特点

电动汽车在充电过程中的整流装置会产生大量谐波,造成谐波污染,降低功率因素,对电能质量造成负面影响．

1.3电动汽车的能源获得来源为充电电池

其作为负荷可以从电力网络汲取电能,由于其储能特性还可以通过V2G(电动汽车入网技术)向电网输送能量,一定程度上影响电网负荷总体的平衡,但此影响在调节干预下可转化为正面影响和调节．

2应对策略

2.1针对电动汽车负荷空间分布不均带来的过负荷问题

从对配电网电压调节、负荷及三相平衡影响方面提出系统影响分析框架,如图1所示．以此为基础,针对电动汽车对配电网影响提出,在总电流限制范围内要尽可能增加每辆电动汽车充电电流,以缩短充电时间[2]．要保证总电流需求量不超载,必须要通过计算机智能判断来对每个单位的充电时机、电流大小、时间长短进行协调．

图1　系统影响分析框架

2.2针对电动汽车带来的谐波污染问题

提出以下对策:1)加装滤波装置来对谐波进行站内就地治理;2)提高系统的谐波承受力,加装无功补偿装置;3)提高换流装置相数来降低谐波电流有效值．

2.3从影响电网负荷平衡的角度考虑

对充放电过程进行技术上和制度上的协调控制和调度,这样不仅可以减少电动汽车接入对电网带来的负面影响,还可以降低充电成本及网损,移峰填谷,减少风能等新能源发电方式的间歇性．V2G与一般型发电机相比在峰值调节和负荷调节上略显不足,但随着电网控制技术的进步,其在调节和备用上有很大发展潜力．实验证明其联网时平稳快速的响应能起到很好的热备用作用,可以实现从隔离方式转换到和电力网络同步互联,结束后的相位角差很小．

3电动汽车接入微电网

1)微电网是相对于传统大电网而言的也被称为分布式能源孤岛系统,是分布式电源和负载按照一定的结构构成的拓扑网络,通过静态开关和大电网建立关联[3]．微电网可以实现自我管理、控制和保护,既可与外电网并网,也可孤立运行,是智能电网的重要组成．通常是将新能源发电系统、储能单元装置、能量转换单元装置、负荷与监控单元装置、保护单元装置集合构成的小型发配电系统．微电网相对于外部传统电网来说是一个可调大小的智能负载,为电力系统充当可调度负荷,可以在短时间内做出满足系统需要的响应,为系统提供适时支撑．对于用户来说微电网是一种可定制电源,可以满足各类需求,如降低馈电损耗、支持本地电压、利用废热提高效率、电压下陷调整等．

2)电动汽车接入微网相比直接接入电网可解决负荷不平衡、电网优化难度增加、电能质量降低、电网规划复杂等问题．微网控制单元可合理安排每辆电动汽车的充放电时间,避免集中充电．微网采用分层控制,大电网与微网控制单元交互由控制单元来实时调度控制,降低优化控制难度．由于电动汽车是通过微网接入电网,电网规划可以从微网层面来考虑,减小规划难度．同时电动汽车也可为微网运行的经济、稳定方面发挥积极作用,如平抑分布式电源出力波动、替代部分微网蓄电池功能等．

3)电动汽车接入微网,由其特点分析可知相比于一般微网蓄电池有以下优势:①购置费用车主负担,减少微电网系统的储能单元投入;②具有明显的时段聚集性和分散性,通过对区域电网及微电网的总体策略控制和调度及政策影响,可以平衡微网的发电量与负荷需求量;③具有快速充放电特性,电能双向流动的特点适合短期快速调用;④具有可移动性,一定程度上可将便宜、充足的电能转送至供应不足、价格昂贵处．电动汽车有Smax,Smin,Slow,Sup荷电状态(state of charge),分别为充放电量的上限、下限,放电量最低、最高限制值,汽车在某时刻荷电量EEV(t)必须满足Smin≤EEV(t)≤Smax来保持汽车电池持续利用,接入微网需同时满足Slow≤EEV(t)≤Sup来保障汽车能够正常行驶[4]．

4)微网的发电单元模型主要考虑风力发电机、燃气轮机、燃料电池、光伏电池、蓄电池、电动汽车等分布式电源．其中风力、光伏类电源属于不可调度范畴,燃气、燃料类发电同时产生热能属于可调度范畴,蓄电池类属于储能单元,这里仅对储能部分进行模型分析．图2为一种含电动汽车的微网结构图．

图2　电动汽车微网结构图

3.1一般微电网蓄电池电源模型

蓄电池某时刻t的荷电量由t-1时刻荷电量和该时段内系统能量的供求情况决定．假设蓄电池放电效率为1,不考虑其自放电率．当总发电量大于用电量,蓄电池充电时,其荷电量表示为:

(1)

当总发电量大于用电量,蓄电池充电时,其荷电量表示为:

(2)

其中EB(t)和EB(t-1)为对应时刻蓄电池电荷量,EGA(t)为t时刻系统提供总能量,EL(t)为t时刻负荷用电量,ηBatt为充电效率．

3.2电动汽车电源模型

电动汽车某时刻t的荷电量由t-1时刻荷电量和该时段内充放电情况决定．当其充电时,t时刻荷电量为:

(3)

其中EEV(t)和EEV(t-1)为电动汽车在对应时刻的荷电量,tcharge为充电时间,ιEV为完全充满电所需要时间,EEVmax为充电量上限．

当电动汽车放电时,其t时刻荷电量为:

(4)

其中tdischarge为电动汽车放电时间,Pdischarge为其放电效率,ηconv为其逆变效率．

4结论

电动汽车接入微网和电动汽车大量接入电网一样是必然趋势和未来研究方向,电动汽车接入微网还有诸多关键问题需要研究解决．如充放电设施的建设和运营方式,统一通信和管理平台的建设,微网控制中心的建立和功能确定等．解决好以上问题,电动汽车在基本技术已经成熟的前提下即可安全接入微网,为大电网和微网提供服务的同时获得能量来源．

参考文献：

[1]吴憩棠.我国“十城千辆”计划的进展[J].新能源汽车,2009,1(24):15-19

[2]宋永华,杨岳希,胡泽春.电动汽车电池的现状及发展趋势[J].电网技术,2011,35(4):1-7

[3]袁越,李振杰,冯宇,等.中国发展微网的目的方向前景[J].电力系统自动化,2010,34(1):59-63

[4]张双乐,李鹏,陈超,等.智能电网中微网控制中心的应用研究[J].陕西电力,2012,40(9):1-4

Mathematical Model of Electric Vehicle Connected to the Grid and Micro-grid-Based Problems

LIU Jijun1， QIAO Junfu2

(1.Taiyuan institute of technology, Taiyuan 030008;2. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University 030051, China)

〔Abstract〕This article briefly discusses the electric car now and future developments, preliminary study about problems caused by electric vehicles own load characteristics and the traditional power grid access and coping strategies to them, depth study focusing on the new micro-grid network consisting connection. Advantages of electric cars access to micro-grid is analyzed. It also performs the model analysis on usually micro-grid battery and access to micro-grid electric car charging and discharging state of the battery charge.

〔Key words〕power model;electric vehicle; micro grid

*收稿日期：2015-12-14

基金项目：山西省高等学校科技创新项目(2013162).

作者简介：刘继军(1983-),男,山西盂县人,硕士,太原工业学院讲师,主要从事电力系统自动化研究.

〔文章编号〕1672-2027(2016)01-0031-04〔中图分类号〕TM711

〔文献标识码〕A