电网电动势范文

电网电动势范文（精选8篇）

电网电动势 第1篇

关键词：电动汽车,电网影响,充电负荷,储能,需求响应

规模化电动汽车的电力需求将为电网带来压力和挑战。电动汽车对电网的影响可体现在发电、输电和配电层面。关于电动汽车对电网的影响已有多篇文献在不同计算条件下进行了评估。由于考查案例和计算方法的不同, 关于电动汽车对电网的影响出现了不同的结论。电动汽车对电网影响的不确定性, 取决于电动汽车的数量、充电地点、充电功率、用户行为、与原有负荷高峰在时间和空间上的关联程度等。在发电和输电层面, 电动汽车对电网的影响与电动汽车的总体数量以及用户行驶和充电的统计特性有关。而在配电网层面, 电动汽车对电网的影响还与充电设施的分布以及各特定区域和场所下的用户使用特性有关。规模化电动汽车的充电需求加剧了电网的升级改造压力, 在经济运行目标下, 电网需要通过更加高效的手段, 维持系统的可靠运行。电动汽车的移动性、随机性等特点造成其对电网影响的不确定性, 同时也使其充电需求具备一定的灵活性。将电动汽车视为可控负荷和移动式储能单元, 减少其对电网的不利影响, 并利用其为电网提供支持也是当前研究的热点。

一、电动汽车对电网影响的分类

电动汽车对电网的影响可根据考察的空间范围、层面和评估指标进行划分。在电力系统各环节中, 电动汽车的影响可涉及发电、输电和配电层面;在空间领域, 可以从全网、区域电网乃至某小区供电范围内对电动汽车的影响进行考察;根据考查对象, 评估的指标可划分为设备负载率、设备寿命、电能质量 (谐波水平、压降、闪变、不对称) 、网损、可靠性、容量等。从影响层面看, 关于电动汽车对发电和输电影响的研究集中在发电和输电容量对电动汽车电量和电力需求的容纳能力。如某文献考虑电动汽车傍晚充电和夜间充电两种情景, 指出在傍晚充电情景下, 电动汽车将使电网峰值负荷发生较大增长, 到2030年美国13个供电区域中将有10个区域需要新增装机以满足电动汽车电能需求。以澳大利亚珀斯地区为例, 参照传统车辆行驶统计特性进行计算, 指出若该地区所有乘用车替换为电动汽车, 现有输电线路和变电站可满足100%车辆的需求, 但如果不增加该地区的装机容量, 需要在负荷高峰日对93%的车辆进行管理。对于电动汽车对发电和输电的影响, 一些文献还从经济性角度针对电动汽车对发电和输电的影响进行了评估。

关于电动汽车对配电网的影响集中在线路和变压器负载率、设备寿命、网损、可靠性、压降、不平衡和谐波等问题的评估。文献对带有不同数量电动汽车的变压器热点温度进行了计算, 得出严重情况下电动汽车充电负荷将使变压器寿命降低12%。文献对某城市生活区的89条10 k V线路进行考查, 结果表明, 当该区域电动汽车渗透率达到20%以上时, 线路末端压降将出现越限。

二、电动汽车对电网影响的评估

根据已有的研究工作, 评估电动汽车对电网影响的一般步骤可概括为:一是确定考查的内容和相关指标;二是划定时间和空间范围;三是确定研究范围内电动汽车的数量和类型;四是对充电负荷进行模拟和计算;五是计算原有运行背景下的各项指标;六是评估电动汽车充电负荷引起的各指标变化。

充电负荷的计算是评估电动汽车对电网影响的基础。充电负荷的计算结果与计算过程中采用的条件、方法和依据密切相关。在已发表的文献中, 充电负荷计算方法主要包括3种:

第一, 通过特定充电场景假设获得电动汽车的充电曲线, 如文献分别假定了电动汽车傍晚充电、夜间充电、分时段充电三种充电场景。该方法对各车辆和用户之间的差异进行简单的分类处理, 可简便地对不同场景下电网的承受能力进行评估, 并从中得到理想的充电场景。

第二, 通过微观仿真 (micro simulation) 软件对每个电动汽车用户的出行计划和充电行为进行模拟, 该方法从用户的需求出发, 体现了用户行为的差异, 还可建立用户对电价等外界条件的反馈, 该方法可同时从空间和时间尺度得到某一范围内电动汽车的充电负荷。

第三, 考虑电动汽车用户的随机性, 通过蒙特卡罗仿真对各种随机特性进行模拟, 进而得到一定数量电动汽车的叠加充电负荷曲线。对于前两种方法, 每次计算得到的电动汽车充电负荷是确定的, 而对于第三种方法, 得到的电动汽车充电负荷是不确定的, 因此, 也有文献将电动汽车充电负荷的计算方法总结为确定性和不确定性方法。实际上, 无论采用何种方法, 在对系统进行评估时, 都应当考虑电动汽车充电负荷的不确定性, 从而使电网的管理者和决策者更好地认识到电动汽车充电带来的风险。

三、电动汽车对电网影响的解决方案

电动汽车对电网的影响既包括本地的局部性的问题 (如压降、谐波、设备寿命等) , 也包括广域的全局性问题 (如负荷峰值、备用容量等) 。除减少电动汽车对电网的不利影响外, 电动汽车可作为移动式储能单元, 为本地负荷及电源提供有功和无功的支持, 大容量的电动汽车充 (换) 电站或经一定手段聚合后的电动汽车还可参与广域电网的优化运行, 包括提供旋转备用、参与系统频率调节、支持可再生能源的发电等。

为了减少电动汽车对电网的不利影响并对电动汽车的储能能力进行利用, 相关工作者已经开始了电动汽车充 (放) 电管理的研究和实践。在这些工作中, 多数仅单独对电动汽车在本地或广域电网的应用问题进行探讨。实际上, 避免电动汽车引起的本地问题, 同时利用电动汽车实现广域电网的优化是规模化电动汽车在电网中的理想应用模式。但在一些情况下, 这两项目标可能会发生冲突, 如通过分时电价引导用户在电网低谷时段充电, 可能引发电动汽车在部分时段内集中充电, 造成配电网的“阻塞”。在满足配电网约束条件下, 使电动汽车参与广域电网的优化运行需要建立各层级电网管理系统的协调控制机制。

四、结语

电网电动势 第2篇

【关键词】电动汽车 充放电 电网 电能质量 专利

1 引言

电动汽车作为新能源汽车的代表，在环保、清洁和节能等方面具有明显的优势。国家电网公司在其智能电网发展规划中也指出要大力开展电动汽车充放电关键技术的研究并全面推广应用。因此，随着电动汽车和充电站数量的不断增加，电动汽车将成为电网中的一种新型的重要负荷。由于大量的电动汽车的随机性的充电行为，电动汽车接入电网充电对电网的影响问题逐步凸显，如可能导致配电网络局部的负荷变大，甚至导致配电网过负荷。因此，电动汽车接入电网必须考虑对配电网负荷平衡的影响。另外，由于充电设备中包含大量的电力电子装置，当电动汽车入网充电时，所产生的谐波对配电网系统的电能质量将产生影响。本文试图从专利申请的角度，在对国内相关专利申请数据进行检索和分析的基础上，研究国内相关专利申请的技术重点和热点，为相关技术的开发研究提供参考。

2 近年国内相关专利申请概况

利用国内专利数据库，对减小电动汽车对电网电能质量影响的相关的发明专利申请进行了充分检索，得到了近年（2010-2014）相关的国内发明专利申请数据（共43件）。从图1中所示的发明专利申请量变化趋势可以看出，从2011年开始，相关的专利申请量有较大的增长，由于专利申请一般是自申请日起满18个月才公开，所以图1中的曲线下拐点并不表明相关的专利申请量的下滑。另外，通过统计申请人可以得知，专利申请量主要集中在国家电网（14件）和华北电力大学（6件），其它大学和公司也有相关的专利申请，例如上海交通大学、东南大学、广西电网公司等等，但是并没有明显的数量集中。

图1 近年发明专利申请量变化

图2 主要专利申请人分布

3 相关专利申请的主要技术分析

通过对这些发明专利申请中的主要的发明专利申请所公开内容的分析，从技术角度可以将它们分为以下几类：针对充电装置电路的改进、针对充电装置主电路控制方法的改进、有源滤波器的使用、电动汽车与新能源发电的结合以及电动汽车的充放电的调度。下面，将对它们进行详细说明。

（一）针对电动汽车充电装置电路的改进

通常，电动汽车的充电装置即充电桩的电路一般是由整流电路和DC/DC变化电路两级电路组成。经过分析发现，只有少量的专利申请涉及充电电路的改进。例如，在专利申请CN103078388A中公开了一种新型电动汽车动力电池充电机电路，该充电机电路包括依次连接的Z源网络（AC/AC变换器）、π形滤波电路和不可控整流桥。该充电机电路不同于传统的充电机电路，采用的电力电子器件大大减少，允许桥臂直通或者开路，电压调节范围大，能够缓解冲击并抑制谐波。而在另一专利申请CN103107583A中，公开了一种电动汽车充电站主电路拓扑结构，该专利申请主要针对的是充电站中的主电路的改进，将一般的分布于每辆电动汽车上的整流结构整合为一个高压PWM整流器，每辆电动汽车上只是存在非隔离型DC/DC变换器，能够提高了整体效能，减小谐波的产生。涉及充电电路结构改进的专利申请相对较少，这可能与已经比较成熟的电力变换技术有关。

（二）针对充电装置主电路控制方法的改进

经过统计和分析发现，涉及充电装置的主电路控制方法的改进的专利申请的数量相对较多，占据了全部申请量的近17%。例如，专利申请CN103023117A公开了一种高电能质量电动汽车充电系统，该系统的PWM整流器的控制系统采用PI调节电压外环和无差拍控制电流内环的双闭环控制结构，能够减少电动汽车充电系统对电网诸如的谐波电流，改善电能质量。专利申请CN103647281A以由电压型PWM变流器和对称半桥LLC谐振式双向DC/DC变换器构成的主电路为基础，也是通过采用PWM控制方式使得一级功率变换器电网侧电流接近正弦波，减小谐波含量。专利申请CN102570566A将高频整流器和基于高频变压器的DC/DC变换器进行组合，对高频整流器的控制采用内环为交流母线电流、外环为DC/DC变换器的输出电压或电流的双闭环结构，实现输入侧无功电流的控制，从而提高功率因数。专利申请CN103647281A和CN103187729A实质上都是基于由双向PWM变换器和DC/DC变换器构成的两级电路的控制方法的改进，将有源滤波谐波补偿方法应用于双向功率变换器的控制，在电动汽车的充电电池与电网的能量能够双向流动的同时，实现电网谐波的就地补偿。专利申请CN103545899A提出了一种针对电动汽车充放储一体化电站的无损增值效益控制方法，其利用储能电池的增值控制或者变流装置电容的增值控制或者将二者进行比例融合的增值控制，即利用，从而降低非线性负荷产生的谐波和无功。由此可见，由于充电装置主电路拓扑结构的技术的成熟，更多地关注主电路的控制方法的改进也是必然。而且，其中相当多的专利申请是借用了无差拍控制、电流电压双闭环控制、有源滤波谐波补偿控制等经典控制算法。专利申请CN103545899A提出的利用变流装置的富余容量对电网谐波和无功功率进行无损增值控制的方法较为独特。而且，综合这些专利申请的技术内容，其中的变换器电路都能够实现电动汽车电池与电网之间的能量的双向流动，即V2G模式。

（三）有源滤波器（APF）的使用

有源滤波器虽然能够较好地实现谐波补偿从而提升电能质量，但是其制造和使用成本较高。经过分析发现，采用有源滤波器的相关的专利申请主要是关注如何降低APF的使用成本。例如，CN103872684A公开了一种消除电动汽车谐波的装置及方法，虽然其采用的主要的装置仍然是APF，但是其关注点在于如何减少所使用的APF的数量。该专利申请将每个充电桩看成一个节点，如果节点间引起的谐波相互叠加，则判定节点间存在一条边。计算网络中所有任意两点之间的最短路径，所有最短路径路过每条边的次数为每条边的介数，启动安装在最大的边上的有源电力滤波器。这样，只是采用少量的APF便能消除大量分散的电动汽车充电桩充电时产生的谐波，提高供电质量。CN103928930A公開了一种减少电动汽车充放电过程中电网谐波的方法，将有源滤波和无源滤波相结合并安装在电网侧，通过采用双阶段间谐波检测方法，第一阶段基于加窗插值FFT方法提取谐波分量，并将其滤除，第二阶段再次进行加窗插值FFT方法提取谐波分量，从而去除该间谐波分量，最终将加入电网侧的谐波减小到最小。另外，CN103812109A公开了一种电动汽车充电站并联有源滤波器的容量配置方法，其主要是针对充电站并联有源滤波器之后的谐波放大效应的问题所作出的改进，通过计算描述该放大效应的系数来指导有源滤波器的容量选型。

（四）电动汽车与新能源发电的结合

由于新能源发电的快速发展，利用能量存储技术、并通过合理的调度电动汽车的充放电，可以使得新能源发电效率的提升并增强配电网络的电压稳定性。例如，CN102361334A公开了光伏储能电动汽车充电站系统及储能系统状态切换方法。利用该系统中的储能系统与光伏系统、电网以及充电系统的能量互动，既提高了充电站对太能能的利用率，还可以保证供电稳定性。CN102324752A公开了风力发电的纯电动汽车有序充放电协调控制系统，将每个充电站的信息传送至电网调度中心，由调度中心判断当前电力系统的状态，生成相应的充电控制模式。调度中心通过充电站集中协调控制系统的通信网络将调峰指令发送给各个电动汽车的动力电池，动力电池接收命令实现调峰同时向电网反馈剩余电量。

（五）合理调度电动汽车的充放电

除了对充电装置的电路结构及控制方法进行改进之外，通过合理地调度电动汽车的充放电也是提高电能质量的措施之一。例如，电子科技大学在CN103855767A中提出一种电动汽车充电的调度方法，相比于通常的就近调度策略，其考虑各条道路的交通状况（非机动车辆的影响、边摩阻的影响、大型车流量的影响），选择出更合乎实际情况、更精确的电动汽车驾驶路径。同时考虑充电站的气象因素和充电情况，选择出谐波最小的充电站调度方案提供给电动汽车，从而优化电动汽车充电站的调度，减小电动汽车充电产生的危害电网的谐波。

4 总结与展望

由此可见，随着电动汽车的逐渐普及，其对电网电能质量的影响越来越受到相关企业的关注，这也体现在相关的发明专利申请的数量变换上。从专利申请的数量上看，国家电网公司是申请量最为集中的申请人，这也与其作为电动汽车入网应用的主要建设者和推动者的身份是吻合的。另外，从国内的相关专利申请的技术信息可以看出，为了降低电动汽车充放电对电网的影响，虽然有少量的关于充电机主电路拓扑结构的改进，但是近期较多的关注点仍在于针对充电电路中电力变换器的优化控制，而且这些控制方式都是在V2G模式的基础上进行的，可见，V2G模式相关的技术已经得到了广泛的开发。APF已经比较成熟，专利申请主要是针对如何减少APF的应用成本或者提高其应用效率。除此之外，有人提出了通过优化电动汽车充电的调度方法来降低谐波污染的专利申请，在充电装置的电路结构和控制方法日趋成熟和完善的情况下，进一步开发电动汽车与电网的协调优化经济运行可能是今后的一个研究方向。

针对涉及减小电动汽车对电网电能质量的影响的发明专利申请，进行了统计和分析，总结了近期专利申请的技术热点和方向，供技术人员参考，可以在专利申请公开的技术内容的基础上进一步开发，节约研究成本。另外，将来可进一步开展的工作是针对国外的专利申请的挖掘和分析，以进一步了解國外的技术动态并加以利用。

参考文献：

电网电动势 第3篇

三相电压型PWM整流器 (以下称PWM整流器) 的启动过程:首先由二极管不控整流桥对直流侧电容充电并对电网电动势进行锁相, 当直流侧电压达到指定值时, 开启PWM整流器进行控制。传统的PI控制保证了期望的稳态性能, 但PI控制器的瞬态反应较慢, 在启动阶段会产生较大的冲击电流, 当电流尖峰过大时, 可导致整流器系统的过流保护动作, 这使得在设计时需要增大开关器件的电流阈值, 增加了成本, 甚至有可能会损坏开关器件, 所以对启动冲击电流的研究显得尤为重要。

参考文献[1]提出PWM整流器启动时令无功电流不为零的变结构控制方案, 提高了整流器系统的响应速度, 但该方案以牺牲系统的单位功率因数为代价。参考文献[2]提出基于斜坡给定的电压前馈补偿以减小PWM整流器的启动冲击电流的方法, 与传统的PI控制相比, 该方法有效抑制了启动冲击电流, 但并没有对电网电动势初始相位角对启动电流的影响进行深入研究。

本文分析了PWM整流器启动冲击电流产生的原因, 以及电网电动势初始相位角和交流侧电压初始相位角对启动电流的影响。分析结果表明, 启动时合理选取电网电动势的初始相位角可避免某相电流过大, 从而使三相交流电流的大小相差不大, 有效减小开关器件的电流阈值, 降低系统成本。实验结果验证了理论分析的正确性和所采用方法的有效性。

1 PWM整流器的数学模型及控制策略

1.1 PWM整流器的数学模型

PWM整流器的主电路结构如图1所示, L为交流侧滤波电感, R为交流侧滤波电感的电阻, C为直流侧滤波电容, RL为负载电阻, ea, eb, ec为电网电动势, ia, ib, ic为三相交流电流, udc为直流侧电压, Sk (k=a, b, c) 为对应于三相开关管的开关函数。每一相上下2个功率开关管是互补导通的, 即上桥臂功率开关管导通时, 其对应的下桥臂开关管关断。

为了简化控制系统设计, 通常将PWM整流器在abc三相静止坐标系中的基波正弦量转化成d-q同步旋转坐标系中的直流量进行分析[3]:

式中:ed, eq分别为电网电动势的d, q轴分量;id, iq分别为交流侧电流的d, q轴分量;ud, uq分别为交流侧电压的d, q轴分量;ω为电网电压角频率。

1.2 PWM整流器的控制策略

实现电压型PWM整流器稳定运行的关键是其交流侧电流的控制。由于直接电流控制策略采用交流侧电流闭环控制, 使交流侧电流动、静态性能得到了提高, 同时也使交流侧电流控制对参数不敏感, 增强了电流控制系统的鲁棒性, 目前已经成为PWM整流器电流控制策略的主流[4]。

直接电流控制一般采用电压外环、电流内环的双闭环控制结构, 如图2所示。电压外环的作用是控制PWM整流器直流侧电压并生成有功电流参考值;电流内环的作用是进行电流控制, 获取指令电压, 并实现单位功率因数正弦波电流控制。电流指令id*来自电压外环PI调节器的输出, 电流指令iq*可独立给定或由功率因数外环调节器输出给定, 易于有功、无功电流的解耦控制。电压、电流调节器均采用PI调节器。电压空间矢量调制 (Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM) 模块将电流调节器输出的空间电压矢量ud, uq经2r/2s旋转变换至两相静止坐标系中, 判断出矢量所在扇区并确定各电压空间矢量的作用时间, 得到开关管的脉冲信号。锁相环在系统中跟踪电网电动势的相位并输出旋转变换所需的角度θ。

2 PWM整流器启动电流分析

为简化分析, 以d轴分量为例。d轴电流id电流环结构如图3所示。

交流侧电压ud可描述为

式中:KiP, KiI分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益。

将式 (2) 代入式 (1) , 可得id的变化率为

三相PWM整流电路按升压斩波电路工作, 其输出的参考电压应高于二极管不控整流时的输出电压[5], 即在启动时, 直流侧电压参考值u*dc高于实际的直流侧电压udc, 两者之差经过图2中PI调节器的比例积分环节后迅速增加, 相应地, PI调节器的输出id*数值较大, 而此时id

3 电网电动势初始相位角对启动电流的影响

以上分析了d-q坐标系中启动冲击电流产生的原因, 下面分析在abc坐标系中, 考虑电网电动势初始相位角后的PWM整流器的启动电流。以A相为例, PWM整流器基波等效电路如图4所示。

由图4可得A相回路方程为[6]

其中, A相交流侧电压ua的开关函数表达式为

对应于不同的开关调制模式, ua在调制过程中的取值分别为±udc/3、±2udc/3和0, 所得波形为以正弦波为基波的一系列PWM波形。忽略谐波分量, 近似地取其基波分量进行分析。

设ea和ua的基波表达式为

式中:θ为ea的初始相位角;φ为ua的初始相位角。

将式 (6) 代入式 (4) , 可得

其中,

式 (8) 为一阶常系数线性非齐次微分方程, 具有解析解。其解由2个部分组成:一部分为稳态分量i′a, 另一部分为自由分量i″a, 即

式中:Im为i′a的幅值, ;In为i″a的幅值, 由初始条件确定。

设PWM整流器空载投入电网, 由于开启时刻处于二极管整流状态, 电流很小, 故可认为交流侧A相电流的初始值ia (t0) =0, 代入式 (9) , 可得

则

由式 (11) 可知, 启动时刻的A相电流与γ-α有关, 即与PWM整流器A相交流侧电压ua的初始相位角φ和电网电动势ea的初始相位角θ有关。如果投入瞬间γ-α=180°, 自由分量的幅值达到最大值Im;如果不计自由分量的衰减, 此时A相电流可能达到的最大值为2Im。如果投入瞬间γ-α=0°, 自由分量的幅值达到反向最大值-Im, 则此时A相电流可能达到的最大值为-2Im, 这是2种最不利的情况。如果投入瞬间γ-α=90°, 自由分量的幅值为0, 则此时的A相电流可能达到的最大值为Im, 相对来说, 这是一种启动电流较小的情况。由上面的分析知, 不同的初始相位角γ-α会对A相启动电流产生影响。对B, C相启动电流产生影响的主要为γ-α-120°和γ-α+120°, 故γ的大小会对启动电流产生影响。事实上, 随着时间的推移, 自由分量将逐步衰减, 衰减的速度取决于时间常数T1=L/R。

实际系统中, 交流侧电压ua的初始相位角φ并不能直接控制, 但是电网电动势ea的初始相位角θ却是可控的。由式 (4) 可知, ea和ua之间的相位差与参数R及L有关。PWM整流器启动过程中, 首先由二极管不控整流桥单独作用一段时间, 期间对电网电动势进行锁相, 之后开启PWM整流器进行控制。PWM整流器由二极管不控整流切入到PWM可控整流时刻的电网电动势的相位角可由锁相环的输出获得, 即可通过锁相环的输出来控制电网电动势的初始相位角, 从而使启动时三相电流的大小相差不大。

4 实验结果

在以DSP芯片TMS320F2812为控制核心的PWM整流器实验平台上, 对采用固定开关频率的SVPWM电流控制策略的PWM整流器系统在不同的电网电动势初始相位角下的启动电流进行了相关对比实验。

系统由主电路、信号采样及调理电路、驱动电路组成。主电路的功率器件选用智能功率模块PM25RSB120。DSP与上位机间通过CANUSB-I通信。交流侧电压的测量采用霍尔电压传感器KV50A/P, 测量结果由示波器TDS3014输出。负载为电阻箱。电路参数:L=8mH, R=0.1Ω, C=1 020μF, 采样及开关周期Ts=150μs, 整流器工作在单位功率因数状态。

实验条件:直流侧电压为650V, 三相交流输入电压为380V。图5图8为空载切入、电网电动势初始相位角分别为0、180、-60、90°时的A相电压ua和三相电流ia, ib, ic波形 (纵坐标中的电压为每格500V, 电流为每格5A, 横坐标为每格20ms) 。

从图5图8可看出, 三相最大电流为5A, 并且三相的启动电流差别不大。图8中, 三相启动电流相差很大, A相和B相的启动电流比C相大得多, 最大电流达到15.2A, 导致系统过流保护动作。由此可见, 不同的电网电动势初始相位角对启动电流的影响很大, 合理地选取电网电动势初始相位角可以使启动时的三相电流的大小相差不大。

5 结语

分析了PWM整流器启动冲击电流产生的原因, 对交流侧启动冲击电流进行了暂态分析, 对电网电动势初始相位角和交流侧电压初始相位角对启动电流的影响进行了研究, 提出合理地选取电网电动势初始相位角可以使PWM整流器启动时的三相交流电流的大小相差不大, 从而减小开关器件的电流阈值, 降低整流器系统成本。实验结果验证了理论分析和所提方法的正确性。

参考文献

[1]钟炎平, 沈颂华.PWM整流器的一种快速电流控制方法[J].中国电机工程学报, 2005, 25 (12) :52-56.

[2]QU Bo, HONG Xiaoyuan, LU Zhengyu.A study ofstartup inrush current of three-phase voltage sourcePWM rectifier with PI controller[C]//IEEE 6thInternational Power Electronics and Motion ControlConference, Wuhan, 2009.

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M].3版.北京:机械工业出版社, 2003.

[4]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[5]张崇巍, 张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社, 2005.

电网电动势 第4篇

如何推动电动汽车的发展同时又能满足日益增长的电动汽车的用电需求,如何利用电动汽车作为移动式分布储能单元来缩小日益增长的电力峰谷负荷差,以提高输配电设备负荷利用率和减缓新发电厂建设,本文提出了可实现电网和电动汽车互动的车辆到电网(Vehicle-to-Grid,V2G)技术来解决上述问题。

1 V2G技术的概念介绍

V2G技术描述的是一种新型电网技术,电动汽车不仅作为电力消费体,同时,在电动汽车闲置时可作为绿色可再生能源为电网提供电力,实现在受控状态下电动汽车的能量与电网之间的双向互动和交换。

V2G技术体现的是能量双向、实时、可控、高速地在车辆和电网之间流动,充放电控制装置既有与电网的交互,又有与车辆的交互,交互的内容包括能量转换、客户需求信息、电网状态、车辆信息、计量计费信息等。因此,V2G技术是融合了电力电子技术、通信技术、调度和计量技术、需求侧管理等的高端综合应用,V2G技术的实现将使电网技术向更加智能化的方向发展,也将使电动汽车技术的发展获得新突破。

2 V2G技术的工作原理

V2G技术是一项较为前瞻的科技,从结构框架上大致分为4个层面:电网层、站控层(本地监控层)、智能充放电装置层和车辆层,涉及电力电子、通信、调度、计量和需求侧管理等多方面的技术。V2G技术的系统原理框图见图1。V2G技术的系统工作原理如下。

1) 实现电能在电网和车辆之间双向流动的双向智能控制装置与参与V2G技术的车辆连接后,将连接车辆可充放电的实时容量、充电状态(SOC)等受控信息提供给后台管理系统。

2) 后台管理系统采集、统计、计算所管辖范围内所有车辆可充放电的实时容量、受控时间等信息,实时提供给电网安全监控和数据采集(SCADA)系统。

3) 后台管理系统根据电网SCADA系统的调度指令,下发充放电指令,对所管辖范围内双向智能控制装置进行充放电控制管理并反馈相关信息。

4) 双向智能控制装置执行后台管理系统指令,对连接车辆进行充放电操作。

3 V2G技术的充放电业务流程

V2G技术的充放电业务流程设计如图2所示。在V2G技术的充放电业务流程中,当工作模式启动后,能量管理系统读取电池状态信息和受控条件,汇总辖区车辆可充放电的容量信息,根据既定的充放电策略和电网负荷信息,下发充放电指令,并监测车辆电池的充放电状态信息,实时计算、储存和转发相关数据,运行结束后停机核算账单。

4 V2G技术相应标准制定情况

V2G技术作为智能电网技术的重要组成部分,属于新生事物、新型技术,其相应规则标准的制定尤其重要。在电动车辆研讨会“EVS24”上,国际电工委员会(IEC)、国际标准化组织(ISO)、美国机动工程师协会(SAE)分别就电动汽车充电系统与车辆设施连接、车载电池标准化进行了讨论。

相关国际组织已对有关电动汽车和智能电网相关标准的制定,开展了大量工作,主要包括以下内容。

1) 电气接口:

包括连接器、电缆、插座、电源开关等,需统一规格标准。

2) 通信接口:

通过电力线载波通信(PLC)设备或其他通信设备连接车辆和充电设施,进行信息交换,需统一规格和通信协议。

V2G技术是连接车辆和电网的桥梁,汽车企业和电力企业只有在相关标准、规范的研究和制定方面加强合作,形成规范的体系,才可使电动汽车和智能电网获得广泛发展。

5 国外V2G技术的研究应用现状

智能电网相关工作启动以来,V2G技术正日益受到各方关注。

目前只有少数机构涉足此领域,相关研究与示范大多都在美国,具有代表性的就是美国特立华大学的Willlett Kempton教授领导的团队,在2007年10月,成功将一辆电动汽车接入电网并接受调度命令,车辆作为调峰发电设备,每车每年可为电力公司带来 4 000美元的效益。其他研究机构与示范包括:美国国家可再生能源实验室(Warwick大学);美国太平洋电力公司PG&E,一定数量的丰田普锐斯PHEV在GOOGLE园区示范;Xcel Energy,6辆福特Escape 示范;Google Recharge IT项目,2008年4月Google宣布投资1000万美元开发混合动力汽车和电动汽车,并展开V2G技术研究,把电动汽车的电能输回到电网上。

据2009年6月的英国《卫报》报道:丹麦政府、丹麦能源协会、丹麦Dong公司和德国西门子公司正在丹麦一座岛屿上试验利用电动汽车电池储存风电,这个被称为“利用可持续能源与开放式网络的分布式以及一体化市场中的电动汽车”(英文缩写为Edison)的项目中,利用V2G技术在风力强劲时,使用停放的电动汽车上的电池来存储多余的电力;当无风时,电池可将电力回馈到电网,因此允许建设更多的风力涡轮机,可为该岛屿提供高达50%的电力,而且不会让电网崩溃。在该项目中有4万居民被招募参加试验,这是迄今为止V2G技术最大规模的示范化应用。

6 发展V2G技术的重要意义

1) V2G技术实现了电网与车辆的双向互动,是智能电网技术的重要组成部分。V2G技术的发展将极大地影响未来电动汽车商业运行模式。研究表明:与智能车辆和智能电网同步进展,可外接插电式混合电动车(PHEV)和纯电动汽车(EV)将在20 a之内成为配电系统本身不可分割的一部分,提供储能,平衡需求,紧急供电和电网的稳定性。90%以上的乘用车辆平均每天行驶时间1 h左右,95%的时间处于闲置状态。将处于停驶状态的电动汽车接入电网,并且数量足够多时,电动汽车就可以作为可移动的分布式储能装置,在满足电动汽车用户行驶需求的前提下,将剩余电能可控回馈到电网。

2) 应用V2G技术和智能电网技术,电动汽车电池的充放电将被统一部署,根据既定的充放电策略,电动汽车用户、电网企业和汽车企业将获得共赢:

(1) 对电动汽车用户而言,可以在低电价时给车辆充电,在高电价时,将电动汽车储存能量出售给电力公司,获得现金补贴,降低电动汽车的使用成本。

(2) 对电网公司而言,不但可以减少因电动汽车大力发展而带来的用电压力,延缓电网建设投资,而且可将电动汽车作为储能装置,用于调控负荷,提高电网运行效率和可靠性。

(3) 对于汽车企业,电动汽车目前不能大规模普及的一个重要原因就是成本过高。V2G技术使得用户使用电动汽车的成本有效降低,反过来必然会推动电动汽车的大力发展,汽车企业也将受益。

3) V2G技术还使得风能、太阳能等新能源大规模接入电网成为可能并实现。风能和太阳能受天气、地域、时间段的影响,不可预测性、波动性和间歇性使其不可直接接入电网,避免影响电网稳定。目前所建风力发电厂的60%以上能量都因为不够稳定而不能接入电网。通过V2G技术,可用电动汽车来储存风力和太阳能发出的电能,再稳定送入电网。

7 结语

1) 将电动汽车和智能电网相结合的V2G技术,既解决了电动汽车大规模发展带来的电网负荷压力,又可将电动汽车作为移动的分布式储能单元接入电网,用于削峰填谷、旋转备用、新能源接入,提高电网供电灵活性、可靠性和能源利用效率,延缓电网建设投资。

2) V2G技术的应用与个体用户和电动汽车企业密切相关,因此进行有关V2G技术的商业运行模式探讨和政策法规导向研究也是至关重要的,对提高用户和汽车企业的参与积极性具有重要意义。

参考文献

[1]国际能源署.混合动力和电动车展望[N].能源科技动态监测快报,2009.

电动汽车的电网调峰模型及效益分析 第5篇

目前国内外关于V2G技术已经展开广泛研究[3,4,5]。但目前电动汽车尚未形成大规模应用,尤其是V2G技术的完善还需时日,仍有大量基础研究工作需要展开。本文提出了一种电动汽车参与电网调峰、平衡负荷的方法。

1 V2G技术

V2G技术就是指电动汽车作为移动储能单元接入电网,在受控状态下实现与电网之间的信息与能量的双向互动的技术。采用双向有序的电能转换的充电模式,电动汽车车载电池可以作为一种移动储能单元与电网进行双向电能转换。V2G的能量转换可分为充电和放电两个过程。如果闲置的电动汽车数量足够多,就可以作为可移动的分布式储能装置用于削峰填谷、平衡负荷等,提高电网运行的效率,同时给电动汽车用户带来直接的经济效益。采用V2G技术,电动汽车可以与电网的能量管理系统建立通信联系,并受其控制,实现电动汽车与电网的能量转换。

2 电动汽车充放电站的充放电特性分析

充放电站是电动汽车的能源供给单元。目前,电动汽车的主要充电方式有常规充电、快速充电和更换电池这3种模式[6]。

1)常规充电方式根据电池相应的充电曲线,以比较低的充电电流在较长的时间内对蓄电池进行慢速充电,典型的充电时间为8~10h。这种方式主要针对大量低电压(220 V)分布式充电点,可充分利用电力低谷时段进行充电。

2)快速充电方式又称应急充电,是指在短时间内使蓄电池达到或接近充满状态的一种方法。该充电方式以1C~3C(C为电池的额定容量,单位为A·h,是放电电流和放电时间的乘积)的大充电电流在短时间内为蓄电池充电,其典型的充电时间是10~30min。该方式充电功率很大,对电网要求较高。

3)更换电池方式通过直接更换电动汽车的电池组来达到充电的目的。整个电池更换过程可以在10min内完成。更换下来的电池,一般采用常规充电方式进行集中充电。电池充电时间的可控性高,可以根据电网要求安排在负荷低谷时段进行。

本文将充电过程近似为恒功率特性,简化充电过程如图1所示。

电池的放电容量与放电电流有关,放电电流越大,在该电流下所放出的有效容量越少。电池典型容量特性示意图如图2所示。为了保证电池特性和有效容量,一般采用小电流放电方式[7,8,9]。

3 电动汽车参与电网调峰的模型

3.1 调峰容量计算

要建立电动汽车参与电网调峰模型,首先要预测可参与电网调峰的容量,即充电容量和放电容量。

由于电动汽车的充电和放电在时间和空间上具有很大的随机性,而放电则需要考虑客户的意愿等问题,因此充电功率和放电功率也具有很大的随机性。这就需要对电动汽车参与电网的调峰容量进行分析预测。

对于电动汽车充电方式,国家电网公司提出了“换电为主、插充为辅”的模式,本文只考虑可控性高的电池更换模式。对集中充电站而言,充电开始时间和充电功率是按照电网需求或由调度中心确定,那么充电持续时间就取决于待充电池的电量总需求。

1)假设待充电池数目为M,电动汽车每次充电的起始荷电状态(State of Charge,SOC)满足正态分布[8]。假设其起始SOC为s1服从正态分布N(μ1,σ12),则充电站充电容量SC为

式中:Capi为第i个电池的容量,类似燃油车排量差异,考虑家用电动汽车电池容量分布,本文假设其在20~30kW·h范围内均匀分布。

2)放电容量取决于负荷高峰时段可以调度的电动汽车电池容量。假设可调度电池数目为N,则放电容量一般可由两种方法取得:(1)用户根据自己的情况制定好某一时间段(如一周)参与V2G的计划,并将此计划上报给后台管理中心;(2)采用历史数据进行预测的方式。

假设某电池放电起始SOC为s2,放电结束时SOC为s3,且分别服从正态分布N(μ2,σ22)、N(μ3,σ32),则可调度放电容量SF为

3.2 调峰模型及求解流程

3.2.1 填谷模型

在电动汽车参与电网调峰时,集中充电站可根据电网需求或调度中心计划安排充电计划,实现填谷目的。

在电池更换模式下,更换下来的电池一般采取集中充电的方式,在标准的大型集中充电站中进行,即国家电网公司提出的“集中充电、统一配送”模式。

对动力电池的集中充电一般安排在负荷低谷时段,且充电站的充电功率是固定的,则充电持续时间取决于待充蓄电池的总电量需求。

在安排充电时以集中充电站为一个单位,假设该地区这类充电站的数目是K1,则可得充电站i的充电持续时间Ti为

式中:Pi为第i个充电站的充电功率。

在确定开始充电时刻时以拉平负荷曲线最小负荷为目的,将充电站充电时段安排在负荷曲线上滑动平均值最小的时段,并修正原始负荷曲线L0,得到等效负荷曲线。然后寻找等效负荷曲线的滑动平均值最小的时段,并安排下一充电站的充电计划,直至所有K1个充电站充电安排完成。从而可以得到电动汽车的填谷方案和修正的负荷曲线D1L0。

电动汽车参与电网调峰的填谷计算流程如图3所示。

3.2.2 削峰模型

在电动汽车参与电网调峰时,车主可根据电网需求或调度中心计划安排放电计划,实现削峰目的。本文假设按照分批分时段方式进行,即以填谷以后的修正负荷曲线为基础,以削减最大负荷为目的。

以某区域可调度电动汽车为一组,假设该地区共有K2组,以填谷后修正负荷曲线D1L0负荷最高时刻为中心,安排放电的第i电动汽车组为1,开始依次向两端延伸安排放电,并修正负荷曲线,得到第i组电动汽车放电后的等效负荷曲线,再寻找该等效负荷曲线的负荷峰值,并依此为中心点安排下一组电池的放电计划,直至所有可调度电池放电容量安排完成。从而可以得到削峰方案和修正的负荷曲线D2L0。

电动汽车参与电网调峰的削峰计算流程如图4所示。

4 算例与分析

假设集中充电站中待充电池的起始SOC服从正态分布N(0.3,0.12)。放电起始SOC服从正态分布N(0.9,0.12),放电功率服从均匀分布U(2,3),安排放电时长为3h。

本节以某地区电网为例,取该省2015年10月典型日预测负荷曲线。假设该省2015年电动汽车日充电规模分别为10、20、50、100万辆,可调度放电规模为充电规模的1/10。假设集中充电站设计相同,每座集中充电站充电功率为2 000kW,每日可为1 000组电池充电;每个区域可调度100组电池放电。

根据上述模型及条件计算,模拟次数设定为1 000次。则不同规模电动汽车参与调峰平衡后修正负荷曲线如图5所示。

不同规模电动汽车对电网峰谷差的影响及调峰效益见表1。表1中,在计算调峰效益时以等容量抽水蓄能调峰机组为标准,抽蓄机组单位投资取5 000元/kW。

计算结果表明,电动汽车规模化应用以后,可起到了良好的削峰填谷效果,提高了电力设备的利用率。在表1中,当电动汽车充电规模为10万辆时,可节约调峰投资现值约为5.63亿元,可见电动汽车调峰效益巨大,可极大节约电网的调峰投资。

以上算例只是分析了采用更换电池模式的电动汽车参与电网负荷平衡的情况。在实际运用中,采用常规充电和快速充电的电动汽车会增加电网的最大负荷,因而增加了电力系统额外的装机需求。

5 结语

1)V2G技术可以使电动汽车作为储能单元接入电网,与电网进行双向能量转换。

2)本文提出的电动汽车参与电网调峰、平衡负荷的模型,是考虑可控性的电池更换模式。以实例参数进行计算结果表明,电动汽车达到一定规模,可起到良好的削峰填谷效果,可缓解电网的调峰压力,具有巨大的调峰效益。本文提出的分析方法及算例结果,对研究我国未来V2G技术对电网的影响具有一定的参考价值。

3)实际应用中,电动汽车充放电容量计算应建立在大量统计数据基础之上。要对电动汽车规模化应用以后对电网的影响做出评估,还需要开展大量细致工作。

摘要：车辆到电网(V2G)互联技术实现了电动汽车和电网的电能互动,是智能电网的重要组成部分,有望参与电网的调峰平衡负荷。介绍了V2G技术的特性,计算了电动汽车的充电容量和可调度放电容量,提出了一种电动汽车参与电网调峰平衡的模型,并利用蒙特卡罗方法进行求解。基于某地区典型日负荷曲线,研究计算了不同规模电动汽车参与电网调峰的影响,计算表明,可产生良好的“削峰填谷”效果。

关键词：电动汽车,车辆到电网互联技术,削峰填谷

参考文献

[1]Kempton W,Tomic J,Letendre S,et al.Vehicle-to-Grid Power:Battery,Hybird,and Fuel Cell Ve-hicles as Resources for Distributed Electric Power inCalifornia[R].California Air Resources Board andthe California Environmental Protection Agency,2001.

[2]李瑾,杜成刚,张华.智能电网与电动汽车双向互动技术综述[J].供用电,2010(3):12-14.

[3]钱科军,周承科,袁越.纯电动汽车与电网相互关系的研究现状(英文)[J].电网与清洁能源,2010(11):1-7.

[4]杨健,王媚,张屹,等.电动汽车动力电池参与电网调峰的应用[J].华东电力,2010(11):1685-1687.

[5]张丽,王媚,杜成刚,等.一种V2G充放电控制策略算法应用[J].华东电力,2010(11):1675-1677.

[6]陈清泉,祝嘉光,孙逢春.现代电动汽车技术[M].北京理工大学出版社,2002.

[7]裴锋,黄向东,罗玉涛,等.电动汽车动力电池变流放电特性与荷电状态实时估计[J].中国电机工程学报,2005(9):164-168.

[8]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(14):36-42.

电网电动势 第6篇

为了解决上述问题, 国内外学者开展了关于电动汽车充电调度的研究。目前, 研究主要着眼于电动汽车与电网的交互和电动汽车与交通网的交互, 但在这两方面独立开展工作, 缺乏同时考虑电网、交通系网的运行性能和调度电动汽车充电的研究。本文综合考虑了不同类型电动汽车大规模接入对电网安全、经济和交通系统通行效率的影响, 建立了包含电网、交通网、电动汽车和充、换电站模型的“电动汽车-电网-交通网”仿真系统, 提出了基于Dijkstra最短路径规划算法的电动汽车有序调度策略, 并通过仿真分析, 验证了该调度策略可同时提高和改善电网安全和经济性能、交通系统的通行效率。

1 仿真系统的建立

为了研究电动汽车大规模应用对电网和交通网的影响, 必须建立有效的仿真系统。因此, 本文针对电动汽车、电网和交通网, 分别提取了各项属性的特征, 并分析三者之间相互影响的机理, 分别建立了电动汽车模型、电网模型和交通网模型。通过三者实时动态交互, 建立了“电动汽车-电网-交通网”仿真系统。其中, 电网模型基于IEEE_33标准配电网模型建立;交通网模型根据北京市三环以内的实际道路情况建立。本文重点研究电动汽车和充电站的建模, 建立了更加适合电动汽车实际应用现状的“不同类型电动汽车-配电网-交通网”仿真平台。

1.1 电动车辆模型

电动汽车作为典型负载, 对电网、充电站和交通系统产生直接影响。因此, 需要对电动汽车的充电特性和行驶特性建模。考虑到实际应用中电动汽车分为不同种类, 且对应不同的充电特性和行驶特性, 本文从汽车类型 (EV_Type) 、充电特性 (Charge) 和行驶特性 (Travel) 三个维度对电动汽车进行建模, 得到电动汽车的表征矩阵, 即EV={EV_Type, Charge, Travel}。

1.1.1 电动汽车的类型

分析现已投入使用的电动汽车, 本文总结出了以下2种分类规则。

1.1.1. 1 基于用途划分

根据使用供能的不同, 现有电动汽车主要包括私家车、出租车和公交车三大类。由于不同用途的电动汽车的运行时间和行驶路线等行驶特性方面存在差异, 所以, 应分门别类地描述。本文以Function_Type代表用途类型, 当其取值为“1”“2”“3”时, 分别代表私家车、出租车和公交车。

1.1.1. 2 基于能量供给方式划分

由于电池容量有限, 电动汽车必须及时补充电能。根据电能供给方式的不同, 现有电动汽车主要包括快速充电、慢速充电和换电三大类。本文以Power_Type代表能量供给方式的类型, 当其取值为“1”“2”“3”时, 分别代表快充、慢充和换电。

基于以上分类规则, 可根据用途和能量供给方式得到电动汽车类型的表征矩阵, 即EV_Type (i) = (Function_Type, Power_Type) 。其中, i表示第i辆电动汽车。比如, EV_Type (20) = (1, 1) 表示第20辆电动汽车为快充私家车;EV_Type (3 000) = (3, 2) 表示第3 000辆电动汽车为慢充公交车。

根据以上划分, 电动汽车类型一共包括3×3=9种。在实际运行中, 目前电动私家车广泛使用快充和慢充的供能方式, 但其续驶里程只能满足短途行驶的需求, 无法实现长距离连续行驶, 所以, 可认为电动私家车换电是未来电动汽车的发展趋势。因此, 本文定义私家车的能量供给模式包括快充、慢充和换电。对于出租车而言, 根据国内多个城市已展开的电动出租车示范运行工程可知, 电动出租车大多采用快充的电能补给方式;对于公交车而言, 考虑到其必须严格遵守公交公司的调度安排, 所以, 可采用最省时的电能补给方式——换电作为电动公交车电能补给的方式。综上所述, 为了更加真实地反映实际应用现状, 本文所涉及的电动汽车类型共包括5类, 具体如表1所示。

1.1.2 充电特性

本文对电动汽车的充电行为进行了描述和建模, 选取的特征量包括充电站编号、到达充电站时间、充电等待时间、充电时间、充电功率和耗电功率。其中, 充电站编号代表系统为该辆电动汽车推荐的最优充电站的编号, 由调度策略生成;到达充电站时间是指车辆由当前位置按规划路径驶达所推荐充电站所需的时间, 利用Dijkstra算法可计算得到;充电等待时间是根据之前到达充电站的各个车辆最晚的充电结束时刻和该车到达充电站的时刻作差得出的;充电时间是根据该车的电池总电量、剩余电量和充电站充电功率计算得出的;在车辆初始化时, 充电功率和耗电功率可在一定范围内随机确定, 且对于某一辆电动汽车为定值。

综上所述, 可得到电动汽车的充放电特性表征矩阵, 即Charge (i) = (Charging_Station_No, Charging_Arrive_Time, Charging_Wait_Time, Charging_Time, Power_Charging, Power_Consumption) 。矩阵中各符号的具体含义如表2所示。

1.1.3 行驶特性

电动汽车在道路交通网中行驶时, 要想对其进行充、换电站规划, 需要车辆在道路中的位置、行驶速度、行驶路径对应的道路节点和长度等信息, 以及车辆是否需要充电。因此, 本文选取了车辆的初始位置、当前位置、目的地位置、行驶速度、行驶路径、路径长度和续航里程作为特征量, 以描述电动汽车的行驶特性, 即Travel (i) = (Location_Departure, Location_Now, Destination, Path, Path_Charing_Station, Velocity, Path_Length, Mileage_Remain) 。矩阵中各符号的具体含义如表3所示。

1.2 充、换电站模型

充电站和换电站的位置分布及其供能特性使其成为电动汽车与电网、交通网连接的纽带。本文对私家车充电站和私家车换电站、出租车充电站和公交车换电站的位置分布和供能特性进行建模。

为了合理设置充、换电站的位置, 本文采取“实际调研与合理假设相结合”的原则。其中, 对于私家车充、换电站, 根据北京市三环以内充电站的实际建设位置, 确定了9个私家车充电站和9个私家车换电站。由于北京市三环以内尚未建设专用的出租车充电站, 考虑到出租车具有运行范围广且路线随机的特性, 在三环内均布了4个出租车充电站。同时, 由于在北京三环以内尚未建设公交车换电站, 针对公交车具有运行线路较长且具有固定的起点、终点的特性, 在道路交通网中选取西北角和东南角分别设定了公交车换电站。本文中充、换电站的位置分布如图1所示。图1中, “菱形”代表私家车充电站, “圆形”代表出租车充电站, “三角形”代表私家车换电站, “矩形代”代表公交车换电站。

同时, 为了描述充、换电站的供能特性, 本文选取的特征量包括充电站容量、充电阈值、充电负荷、充电车辆数目、换电负荷和换电车辆数目。其中, 充电站容量是指可同时容纳充电的电动汽车的数量;充电阈值是指该充电站所能提供的最大充电功率;充电负荷是指当前在该充电站充电车辆的充电功率之和;充电车辆数目是指当前在该充电站充电的电动车辆的数辆;换电负荷是指当前在该换电站换电车辆的换电功率之和;换电车辆数目是指当前在该换电站换电的电动车辆的数辆。符号所对应的含义具体如表4所示。

2 电动汽车充、换电调度策略

本文针对大规模电动汽车的快速充电调度, 与仅考虑路况和充电站的充电负荷的单车充电调度策略相比, 本文提出的“有序”充电调度策略除了可保证驾驶电动汽车的便利性外, 还综合考虑了配电网系统、充电站和交通系统的安全、效率运行, 其流程图如图2所示。在规划路径时, 采用了Dijkstra算法, 其规划路径的核心是寻找权值最小的路径。

由图2可归纳为以下3点: (1) 初始化电动汽车信息和交通信息。在初始化阶段, 道路的长度为Dijkstra算法的初始权值。 (2) 引入交通信息, 将路段通行速度引入, 计算道路权值。 (3) 电动汽车接入后, 判断其是否需要充电, 如果不需要充电, 则基于道路权值, 规划其从当前位置到达目的地用时最短的行驶路径;如果需要充电, 则计算电网权值, 得到综合权值 (道路权值+电网权值) , 并利用Dijkstra算法, 基于综合权值, 规划考虑基于系统整体运行特性的电动汽车“有序”充电路径。

3 仿真分析

3.1 仿真规模

基于上述“不同类型电动车辆-配电网-交通网”仿真平台的建立和北京市的实际交通状况, 本文进行了24 h的仿真, 并根据车主不同时段的驾驶习惯, 在不同时间段引入了不同数量的电动汽车。

3.2 结果分析

3.2.1 电网侧

分别对比了“传统”充电策略与“有序”充电策略各个充电站的充电负荷、充电车辆数目和电动汽车充电等待的情况。

图3为“传统”充电策略和“有序”充电策略下各个私家车充电站充电负荷的时空分布情况。在“有序”充电策略下, 各个充电站的充电负荷更为平均, 有利于电网运行。

本文分别统计了不同充电策略下电动出租车充电等待时间的情况。表5为电动出租车充电等待时间的具体情况。由表5中的数据可知, 在“传统”充电策略下, 处于充电等待的出租车占出租车总量的16.9%, 而最长的充电等待时间长达1 h以上;而在“有序”充电策略下, 处于充电等待的出租车仅占出租车总量的7.7%, 最长的充电等待时间仅为30 min。

3.2.2 交通侧

重度拥堵率是指路网中重度拥堵的道路占全路网道路的比例。图4为早高峰时段2种充电策略下私家车充电站和出租车充电站附近道路的重度拥堵率曲线图。由图4可知, 在“有序”充电策略下, 私家车充电站和出租车充电站附近的道路拥堵情况得到了缓解。

4 结束语

本文通过研究不同类型电动汽车与电网、交通网之间的关系, 建立了包含不同车辆类型的“电动汽车-电网-交通网”仿真平台, 并提出了考虑电网和交通网运行特性的有序充电调度策略。通过仿真证明, 与传统的充电调度策略相比, 有序调度策略可使各个充电站的充电负荷和充电车辆数目的分布更为平均, 明显减少了充电等待车辆的数目, 缩短了电动汽车的充电等待时间, 并缓解了充电站附近的交通拥堵问题。

摘要：目前, 电动汽车已被大规模应用, 但还缺乏对电网和交通网运行性能的电动汽车充电调度策略的考虑。综合分析了电动汽车大规模接入对电网的安全、经济性能和交通系统通行效率的影响, 建立了包含电网、交通网、电动汽车和充、换电站模型的“电动汽车-电网-交通网”仿真系统, 提出了基于Dijkstra最短路径规划算法的电动汽车有序调度策略。仿真分析表明, 调度策略可使充电站的充电负荷更为均衡, 有效减少和缩短了等待充电的电动汽车的数量和充电等待时间, 改善了充电站附近的交通拥堵问题, 有利于同时提升电网和交通网的运行性能。

电动汽车充放电对电网的影响分析 第7篇

关键词：电动汽车,电网,交流充放电桩,直流充放电机,影响

1 前言

随着能源日益紧张,低碳时代的到来,电动汽车(electric vehicles,EV)应运而生。在2012年两会开幕之际,《科技日报》授权发布了《电动汽车科技发展“十二五”专项规划(摘要)》,明晰了我国电动汽车的发展方向。“纯电驱动”将成为我国电动汽车技术的发展方向,会更加注重以充换电站为核心的能源供给基础设施建设,力求早日实现我国电动汽车产业的商业化运营。电动汽车使用电力来代替传统的用石油对汽车进行驱动,可以缓解能源紧张的趋势,减少温室气体的排放。预计到2020年和2030年我国汽车中乘用车保有量将会达到1.5亿辆和2.5亿辆的规模,这些车辆全部使用电力驱动的情况下,所使用电量分别为电网总发电量的6%和7%。随着智能电网建设的快速推进,未来电动汽车的车载电池将会承载智能电网移动储能单元的功能。在电网峰荷时段向电网输送电能,电网低谷期间由电网向电动汽车的车载电池充电,能够降低电网的峰谷差,对电网起到“填谷”作用,提高发电设备的综合利用率,起到节能减排的效果[1,2,3]。在无经济利益和政策引导的情况下,大规模电动汽车无约束的充电势必会对配电网的运行、规划等方面产生巨大的影响。因此,了解电动汽车充放电技术,分析研究电动汽车充电对电网的影响对智能电网的建设具有重要的现实意义。

2 电动汽车充放电模式

电动汽车充放电技术主要有单向无序电能供给模式,单向有序电能供给模式与双向有序电能转换模式3种。

2.1 单向无序电能供给模式

单向无序电能供给模式(vehicles plug-in without Logic/control,VOG)是指电动汽车接入电网即充电的模式。VOG是目前电动汽车充电常见的方式,将电动汽车(如电动公交车、机场摆渡车等)的车载电池作为普通用电设备接入电网进行充电,这种模式的充电设备主要采用单向变流技术,目前VOG充电技术装备已经成熟且市场化。

VOG无需与电网能量管理系统通信,充电与否由车主掌控,如果大量的电动汽车无序充电势必会增加电网的调峰难度。

2.2 单向有序电能供给模式

(1)TC模式

TC(timed charging)模式是指电动汽车充电在给定的时间进行,这种模式通过控制开始充电的时间来实现错峰充电,避免了电动汽车在电网负荷高峰时段充电对电网的影响,还能让用户享受低谷电价带来的经济效益。但是其控制方式简单,不能根据实时电价或电网的峰谷状态自动的掌控充电过程。TC模式的充电设备也是单向变流技术,不需要与电网进行实时通信。

(2)V1G模式

V1G(vehicles plug-in with Logic/control regulated charge)模式是指电动汽车充电受电网控制,电动汽车与电网间实时通信,可在电网允许的时段进行充电。这种模式能够最优化安排电动汽车充电,提高了电网的利用效率,减少了电动汽车充电对电网的影响。但是在V1G模式下,电动汽车不能向电网输送电能。

2.3 双向有序电能转换模式

双向有序电能供给模式(vehicles plug-in with Logic/control regulated charge/discharge,V2G)是指电动汽车能够与电网的能量管理系统进行通信,并受其控制,进而电动汽车的车载电池可以与电网之间实现能量转换(充电或者放电)。在V2G模式下,电动汽车的车载电池将会承载电网移动储能设备、备用电源的功能[4]。目前,国外发达国家正在进行V2G的相关研究及示范工作。V2G模式需要先进的电网通信、调度、控制与保护技术的支撑。

3 电动汽车充放电设备与管理系统

电动汽车充放电是智能电网与用户双向互动的,其互动的内容主要包括电网电价、电网运行状态、车辆能量状态以及计费信息等。电动汽车通过充放电设备与电网相连,实现电能的双向流动,但随着电动汽车使用数量的不断增加,及其分布分散的特点,仅由智能电网双向互动服务系统与电动汽车通信并控制其充放电操作难以实现,因此需在智能电网双向互动服务系统与电动汽车之间增加电动汽车充放电管理系统来实现电动汽车与电网之间的信息互动,并根据双方需求进行优化控制电动汽车的充放电操作[5]。电动汽车充放电过程电能与信息互动如图1所示。

3.1 电动汽车充放电设备

电动汽车充放电设备主要包括:(1)为带有车载充放电机的小型电动乘用车服务的交流充放电桩;(2)为公交、环卫、邮政等公共服务车辆服务的直流充放电机。主要完成对电动汽车的充放电操作。

(1)交流充放电桩

交流充放电桩主要为带有车载充放电机的小型电动乘用车服务,分散地安装在低压配电网中,将电动乘用车与智能电网连接后,交流充放电桩具有智能充放电控制功能,能够与充放电管理系统及电动汽车通信,实时掌握电网的运行状态以及电动汽车的储能情况,智能的控制电动汽车车载充放电机适时的进行充放电操作,在电网低谷时段或电动汽车有刚性充电需求时,对电动汽车的车载动力电池进行充电;在电网高峰时段并且电动汽车的车载动力电池电能有富余时,由车载充放电机通过交流充电桩为电网供电。

交流充放电桩的主要功能包括:(1)与充放电管理系统通信;(2)具备手动设置定电量、定时间、自动充放电等功能;(3)具备远程接受充放电管理系统控制,自动进行充放电,双向计量计费的功能;(4)具备完善的安全防护功能,包括具备急停开关、输出侧的剩余电流保护与过流保护、孤岛保护等功能;(5)人机交互功能。

(2)直流充放电机

公交、邮政、救护、环卫等社会公共用车具有行驶区域和行驶里程相对稳定、停车场地固定,适宜在停车场所建设集中充放电站。由于社会公共服务用车车载电池容量很大,充电功率也很大,因此适宜采用地面直流充放电机对其进行充放电操作。由于充放电站的集中性,可在站内配置充放电管理系统,统筹安排站内电动汽车的充放电操作。

直流充放电机主要功能包括:(1)与动力电池管理系统通信,用于判断电池类型,获得动力电池系统参数以及充电前和充电过程中动力电池的状态参数;(2)与充放电管理系统通信,上传充电机和动力电池的工作状态、参数、故障报警灯信息,接受控制命令;(3)依据动力电池管理系统提供的数据,动态调整充电参数,安全智能的完成充电过程;(4)具有人机交互功能,能够显示包括电池类型、充放电模式、充放电电压和电流等信息;(5)具有手动设定权限内的参数以及出现故障时有提示相应信息的功能;(6)双向计量计费的功能;(7)具备完善的安全防护功能,包括具备急停开关、输出侧的剩余电流保护与过流保护、孤岛保护功能等;

3.2 电动汽车充放电管理系统

电动汽车充放电管理系统,不仅通过充放电设备与电动汽车通信,还与智能电网相关的系统通信,综合采集电动汽车与电网的实时状态参数,根据双方的需求合理控制电动汽车的充放电操作。电动汽车充放电管理系统既可以统一调度管理同一停车区域的交流充放电桩,也可以统一调度管理某一个集中充放电站内的直流充放电机。

电动汽车充放电管理系统的主要功能包括:(1)与相关系统及设备通信功能。与充放电设备通信,准确地向充放电设备发送控制命令,统筹调度充放电操作;与动力电池管理系统通信,了解电动汽车(电池)的当前状态,适宜充电还是放电以及可以接受的充电或放电的功率;与智能电网通信,获取电网当前运行状态,为调度电动汽车充放电操作提供依据。(2)人工及自动充放电管理功能。通过人机界面控制充放电设备,进行充放电操作。综合电动汽车及电网状态信息,动态执行充放电策略,实现合理优化的双向电能流动。(3)对充放电设备、车载动力电池相关电压、电流、电池荷状态等数据进行实时采集。(4)充放电故障报警记录功能。单体电池内阻超限报警,电压超高、超低报警失电和故障报警并自动记录各种故障与报警的内容与时间。

4 电动汽车充放电对配电网的影响

随着电动汽车的推广普及,将会大量建设由多台直流充放电机构成的集中充放电站以及广泛分布在各类停车场所的交流充放电桩,逐步形成完善的电动汽车充放电设施。充放电设施规模的不断扩大,它们对配电网的影响主要表现在以下几个方面。

4.1 随机性的快速充电对电网负荷的冲击

随着电动汽车技术的不断成熟,电动汽车将会大规模的进入人民生活。如果采用100A以上的快速充电为电动汽车进行随机的电能补充,单车的快速充电功率将达到数百千瓦以上。假若在某一时刻多个快速充电行为同时进行,将会对当地的配电网产生极大的功率冲击,引起该地区配电网的局部过负荷问题,对电网造成不利影响[6]。所以在电动汽车普及过程中应对电动汽车使用者进行正确引导,合理安排充电时间。随着储能技术的发展,可以考虑将储能充电站在低谷时段存储的电能为电动汽车提供临时性的电能快速补充,既能满足电动汽车的充电需求,又可避免快速充电对电网带来的负荷冲击。

4.2 对电能质量的影响

由于电动汽车采用电力电子型设备进行双向变流充放电操作,易产生谐波,造成谐波污染,给电网带来电能质量问题,需要对电动汽车充放电设备的谐波等技术指标进行严格控制[7]。针对充电设备带来的谐波污染等问题,可以总结出以下对策[8]:(1)贯彻执行与谐波相关的国家标准,从总体上控制供电系统谐波水平。(2)增加换流装置的相数,换流装置是主要的谐波源之一,当脉动数由6增加到12时,可以大大降低谐波电流有效值。(3)增装无功补偿装置,提高系统承受谐波的能力。(4)加装滤波装置。对谐波污染可采用就地治理的办法,在充电站就地完成谐波治理工作,未来的充电站建设可能越来越多地应用绿色充电机(充电过程中能够有效抑制谐波且功率因数较高的充电机)治理谐波。

4.3 对电网规划的影响

电动汽车普及以后,在每天的负荷高峰时段,电动汽车车载电池存储的能量将作为分布式电源按电网需求向配电网供电,由于电动汽车的数量巨大,且具有移动性和分散性的特点,因此电动汽车充放电设施将对电网规划中的配电容量设置、配电线路选型等产生巨大影响。配电网规划变得较为困难[9],主要表现为:电动汽车随机性地接入电网充电会影响系统的负荷预测,使原有的配电系统的规划面临更大的不确定性,难以确定后期的系统规划。

未来,大量的电动汽车将会借助完善的电动汽车充放电设施与配电网紧密连接,通过智能充放电操作在配电网侧显著的平抑电网负荷、频率波动,极大地降低电网调峰、调频的需求,降低电网峰谷差,提高电网负荷率,降低电网备用发电容量需求,显著改变电网运行方式。因此,需要在电网规划中考虑相关影响[10]。

4.4 对配电网调度和继电保护的影响

传统配电网的受端是无源的辐射状电网,其信息采集、配电调度等相对比较简单,但未来电动汽车的车载电池将承载智能电网移动储能单元的功能,不利于调度员的准确的负荷预测,配电的调度过程也会复杂化,增加了监控与调度的难度[11]。同时,由于电动汽车能够实现能量在车载电池与电网之间的转换,将使得传统辐射状供电模式的配电网发生根本性变化,潮流不再单向地从变电站母线流向用户负荷,配电网各种保护定值与机理也将随之发生变化。继电保护的设计也将因此变得较为复杂,配合不好将会导致保护误动,降低可靠性。

4.5 对配电设备的影响

电动汽车的大规模使用,充放电的随机性将引起负荷的瞬变,给配电容量配置、配电线路选型、继电保护配合等带来了很大困难,直接影响配电设备使用的经济性、安全性和寿命。为满足充电高峰时短时间的充电功率需求,需要配置高等级的配电容量,而在充电需求低谷时,会因配电设备的利用效率不高,造成资源浪费。

4.6 对电网交易的影响

电动汽车不仅可以从电网获得能量补给,还能向电网供电,起到提供调峰、调频、负荷响应等辅助服务的功能,因此电网与电动汽车交易模式将由单向变成双向,由简单变复杂,需要更加先进、智能的电力市场交易技术来支撑。

5 结束语

综上所述,随着能源的日益紧缺,电动汽车必然会迅速发展,大量电动汽车的充电行为将给电网带来较大影响,而电动汽车的储能特性也将为电力系统的安全经济运行提供了新的机遇。从负荷平衡的角度来看,电动汽车使用和充电的时间特性具有削峰填谷的作用,因此对电网的影响有其积极的一面。电动汽车充电的群聚效应对配网局部将产生较大的影响,仍有待进一步深入研究,以减少电动汽车普及给电网带来的影响。为适应电动汽车的发展,我国对充电设施的建设非常迅猛,但缺乏成熟的理论和方法来规划充电站的布点和容量。从电动汽车充电未来的发展趋势来看,短期内主要考虑配电网规划中电动汽车充电设施的布点和容量配置,而未来,随着电动汽车走入普通家庭,大规模分布式的家庭充电将成为研究电动汽车充电对电网影响不可忽略的重要部分。

参考文献

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[7]陈新琪,李鹏,胡文堂,等.电动汽车充电站对电网谐波的影响分析[J].中国电力,2008,41(9):31-36.

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电网电动势 第8篇

三相异步电动机又称为三相感应电动机,是用三相交流电源供电的驱动用电机,成本低廉,运行可靠,维修方便,所以广泛应用于各行各业中。近年来,农村电网容量不断变更,由于电网的各种负载的变化引起电压的波动,三相异步电动机在额定电压的±5%以内运行是允许的,如果超出了这个范围,则会使电机的各项功能指标以及运行指标变坏,对电机的经济运行不利,使电机的寿命减短。在电动机的使用过程中,农村电网电压的波动将会造成电机的一些指标不合格,轻则影响电动机拖动负载的正常工作,重则将影响电力资源供应,电能的利用率将下降[2]。

1 概述

为了了解电压波动对电机参数、性能以及各指标的影响,对三相异步电动机进行了综合试验[3],通过试验解析了电网电压波动对电机性能的影响。试验电动机型号为:Y801-4、额定功率PN=0.55kW、额定电流IN=1.5A、额定电压UN=380V、额定转速nN=1 390r/min、额定频率f=50Hz。接法:Y接、B级绝缘等级、LW:67dB的三相异步电动机。在5种电压下分别进行了UN,UN±10%,UN±5%多个项目试验[4],试验项目分别为三相异步电动机的空载试验;三相异步电动机的短路试验;三相异步电动机的温升以及负载试验;三相异步电动机的噪声试验;通过实验结果认真分析研究了农村电网电压波动对三相异步电动机的性能的影响。

2 综合试验[5,6,7,8]

2.1 三相异步电动机空载运行试验

本次空载试验的目的是测取电动机的励磁参数,了解农村电网电压波动对三相异步电动机有关参数的影响。

空载试验记录单数据如表1所示。

2.2 空载试验记算数据

空载试验记算单数据如表2所示。

根据空载试验数据可以得到三相异步电动机的机械损耗和铁损耗:当UO=UN时,机械损耗为pFw=15W,铁损耗为pFe=40W(绘制试验曲线求得)。

2.3 三相异步电动机堵转运行试验

堵转载试验的目的是测取三相异步电动机的起动参数,IK=f(UK),TK=f(UK),求取U1=UN时的Ist,Tst;了解农村电网电压波动对三相异步电动机起动性能的影响。堵转试验时测量数据记录数据如表3所示。

堵转试验用短路棒臂长为1m;净重为0.25kg。

2.4 三相异步电动机温升试验

电压为380V的温升实验数据(RC=12.05Ω,通过三相异步电动机绕组电阻测量方法获得);温升实验数据表如表4所示。

2.5 三相异步电动机负载试验

电压为380V负载试验,负载试验记录数据如表5所示。

2.6 三相异步电动机噪声试验

三相异步电动机噪声试验测量记录数据情况,如表6所示。

2.7 三相异步电动机平均声压级的计算

三相异步电动机平均声压级的计算数据,如表7所示。

2.8 三相异步电动机的最大转矩试验

三相异步电动机的最大转矩试验数据如表8所示。试验温度17℃。

2.9 三相异步电动机空载试验计算汇总数据

三相异步电动机空载试验后数据汇总表,如表9所示。

2.10 三相异步电动机负载试验数据汇总表

三相异步电动机负载试验后数据汇总如表10所示。部分数据经过计算得到[5,6,7,8]。

3 农村电网电压波动对电机性能影响分析

3.1 电压波动对电动机起动性能的影响

起动转矩Tst:电压升高电动机起动转矩Tst随电压的升高而增大,反之起动转矩将减小。

起动电流Ist:电网电压增大,将使电动机起动电流Ist增大,反之亦然。

从实际应用和电机的使用寿命方面考虑,起动转矩大好,而起动电流则小好。

3.2 电压波动对电动机过载性能的影响

最大转矩Tmax:当电压增大时,最大转矩Tmax将增大,反之将减小。Tmax减小过载能力下降[9]。

3.3 电压波动对电动机效率的影响

UN=380V为额定电压。铁损耗pFe:当电压减少,铁损耗pFe减小,当电压U1增大,pFe增大。

定子同损耗pCu1:当电压U1<UN时,定子电流I1随U1的增大而减小,即U1增大,I1减小,pCu1减小;

当电压增大U1>UN时,I1随U1的增大而增大,即U1增大,I1增大,pCu1增大。

当输出功率保持不变时,相电压UΦ1<UN时,转子电流的折算值I2′也将也将同时成正比地增大,所以当UΦ1下降时,I1值将变大。

当UΦ1> UN时,当电压UΦ1升高时,虽然I2′也减小,但I1还是增大的,因此UΦ1> UN时,随UΦ1的增大,I1是增大的。由以上分析可知:当UΦ1<UN时,随UΦ1的增大,I1增大,pCu1将增大;

UΦ1>UN时,随UΦ1的增大,I1增大,pCu1将增大。转子铜耗pCu2:UΦ1上升时,转差率s下降,转子电流折算值I2′下降,pCu2下降。

机械损耗pfw:电网电压在10%的范围内波动对电动机转速的影响不大,机械损耗pfw是不受电压波动影响的,通常可认为机械损耗是一个不变的量[10]。

杂散损耗ps:当电压UΦ1<UN时,随着UΦ1的增大,pFe增大,pCu1减小,pCu2减小,pfw不变,ps不变。总损耗∑p=pFe+pCu1+pCu2+ps+pfw随着外施电压的减小而增大,即效率降低。

当UΦ1>UN时,总损耗∑p=pFe+pCu1+pCu2+ps+pfw,随着外施电压的增大而增大,即效率同样降低。

3.4 电压波动对功率因数的影响

随着电压的增大,功率因数cosφ1将减小。从电网电能利用的方面来考虑,要提高电能利用率,电压应适当降低一些。

3.5 电压波动对电动机温升的影响

当UΦ1<UN时,总损耗随电压的降低而增大,温升W也随之升高。

当UΦ1>UN时,总损耗随电压的升高而增大,温升W也随之升高。

3.6 电压波动对电动机噪声的影响

噪声有电磁噪声、机械噪声及空气动力噪声。但从提高电动机本身质量的角度考虑,必须考核电动机的噪声。从测量结果得到,电压升高电动机的噪声增大。各项试验参数随电压变化的情况如图1所示[11]。

参考文献

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