论文——智能电网风险调度分析与研究

1、目 录中文摘要1英文摘要21绪论31.1智能电网综述31.2 智能电网在国外的发展趋势51.3 现阶段我国智能电网的发展状况71.4 本文研究的主要内容82 影响智能电网发展风险的因素92.1 智能电网风险调度的研究意义92.2 各个因素对智能电网调度的影响92.3 谐波的定义、危害以及对电网的影响113 电动汽车负荷并网产生谐波对电网的影响133.1 电动汽车发展趋势133.2 电动汽车对电网影响的分类133.3 电动汽车的几种等效充放电模型144. MATLAB仿真194.1 MATLAB简介194.2 仿真原理图1194.3 仿真原理图2254.4 解决措施30结论32谢辞33参考文献3

2、4智能电网风险调度分析与研究摘 要：智能电网是未来电网的发展方向，不管是对于电网侧还是用户侧，都会带来巨大的社会经济效益。但是，电网智能化在取得重大发展进步的时候，与此同时，电网建设过程中所面临的潜在的风险因素是不容忽视的，如果对风险的影响不能准确把握，这将会给智能电网带来不可估量的损失。因此，运用科学的方法有效地开展风险评估可以指引决策者实现科学规划，从而来避免盲目的投资以及重大风险损失，这对于智能电网的顺利推进具有重要的工程实用价值和发展参考作用。本文首先介绍了影响智能电网的几种风险因素，简单介绍分析了其对智能电网的影响，然后主要研究了用户侧不确定因素（以电动汽车负荷为例）所产生的谐波对智

3、能电网的影响。首先介绍了电动汽车充电机理，然后构建其等效电路模型，在Matlab/Simulink软件中搭建具体电路模型来模拟电动汽车负荷对其他非线性负荷的影响，最后分析仿真结果来提出一种新的调度方式来减小甚至消除未来电动汽车大规模并网对电网谐波影响。关键词：智能电网；风险调度；谐波；电动汽车；Matlab仿真Smart Grid scheduling risk analysis and researchAbstract: Smart Grid is the future direction of the grid and it can bring enormous social and ec

4、onomic benefits for the grid side and the user side. However, the development of intelligent network made significant progress at the time, at the same time, the grid potential risk factors faced by the construction process can not be ignored, and it will bring to the smart grid immeasurable loss wh

5、en the effect of risk can not be accurately grasp. Therefore, the use of scientific methods to effectively carry out a risk assessment can guide decision-makers achieve scientific planning in order to avoid blind investment and significant risk of loss, which for the smooth progress of the smart gri

6、d has important practical value and development of reference. This paper describes the impact of the smart grid are several risk factors, a brief analysis of its impact on the smart grid, and then studies the user-side uncertainties (electric vehicle load is selected) harmonics generated by the smar

7、t grid affected. Firstly, the electric vehicle charging mechanism is introduced, then the equivalent circuit model is builded, and the Matlab / Simulink software is used to simulate the impact of electric vehicles load to other nonlinear loads. Finally, in order to reduce or even eliminate the impac

8、t of future large-scale grid-connected electric vehicles on the grid harmonics, a new scheduling way is proposed by analyzing the simulation results.Keywords: smart grid; scheduling risk analysis; harmonic; electric vehicle; Matlab/simulation 1 绪论1.1 智能电网综述智能电网，就是电网的智能化，也被称之为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网

9、络基础上的，其通过先进的传感测量技术、设备技术、控制方法以及决策支持系统技术的应用，从而实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，它的主要特征包括自愈、激励用户、抵御攻击、提供满足未来用户需求的高质量电能、容许各种不同形式的发电设备的接入、启动电力市场和资产的优化高效运行。同当前传统电网相比，智能电网主要特征有：（1）坚强性：在电网发生小扰动或者大扰动故障时，电网仍能保持其正常的供电能力，而不发生大面积的停电事故；在电网发生极端故障时，仍然能够保证整个电网的安全运行；其二次系统具有确保信息安全的能力和防止计算机病毒破坏的能力。（2）自愈性：具备实时、在线连续的安全评估以及分析

10、能力；具备强大的预警控制系统和预防控制能力；具备故障的自动诊断、故障的隔离以及系统的自我修复能力。（3）兼容性：能够接受可再生能源的正确、合理地接入；允许分布式发电和微电网的接入；能够使需求侧管理的功能更加完善；能够实现与用户之间的高效互动。（4）经济性：可支持火力发电和水火电联合经济运行的模式；支持电力市场和电力交易系统；能够提供清洁优质的电力；实现资源的合理配置；降低整个电网的损耗，从而提高能源利用效率。（5）集成性：实现电网信息的高度集合和共享；采用统一的运行平台和模型；实现标准化、精细化和规范化的管理。（6）优化性：优化资产的利用率；降低投资成本和运行维护成本1。智能电网的发展的重要意

11、义体现在以下几个方面：（1）用户生活方便：坚强智能电网的建设，将会推动智能小区、智能城镇的发展，从而提升人们的生活品质。家庭智能用电系统不仅可以实现对热水器、电冰箱，洗衣机和空调等智能家电的实时控制和远程控制，而且还能为互联网、电信网、广播电视网等提供接入服务；除此之外，其还能通过智能电能表实现自动抄表以及自动转账交费等功能，让生活更便捷。智能电网可以接入小型家庭屋顶光伏发电和风力发电等装置，并且推动电动汽车的大规模并网，从而来提高清洁能源消费比重，减少城镇污染，让居民生活更加低碳。智能电网可以促进电力用户的角色转变，使其兼具备用电和售电的双重属性，并且还能够为用户搭建一个家庭用电综合服务平台

12、，帮助用户来合理选择用电方式，节约电能，有效地降低电能费用支出，让生活更加经济。（2）产生效益：坚强智能电网的发展，将会使电网功能逐步扩展到促进能源资源优化配置、提供多元开放的电力服务、保障整个电力系统的安全稳定运行、推动其他新兴产业发展等多个方面。作为我国最重要的能源输送配置平台，坚强智能电网从投资建设部分到生产运营的整个过程中都将为国民经济的发展、能源生产和利用、环境保护等各方面带来巨大经济效益。在电力系统方面能够节约电力系统的装机容量，降低系统的总发电燃料成本费用，提高电网设备的利用效率，减少建设投资的成本，提升电网输送效率，降低线路损耗；在用电客户方面能够实现用户与电网的双向互动，为用

13、户提供便捷的服务，提高终端能源利用率，节约电能消费，大大提高供电的可靠性，较大的改善电能质量；在环境与节能方面能够提高能源利用率，从而带来节能减排效益，促进清洁能源的开发，提升土地资源的整体利用率，节约土地资源的占用率。在其他方面能够带动经济的发展，解决就业问题，保障能源的安全供应，将输煤方式转换成输电形式，提高能源的转换效率，极大的减少交通成本和运输压力。（3）推进系统：可以有效提高电力系统的安全性以及供电可靠性。通过智能电网强大的“自愈”功能，能够快速准确地将故障元件进行隔离，并且在较少人为干预的情况下使系统快速的恢复到正常状态，提高系统供电的可靠性和安全性；实现电网可持续发展，坚强智能电

14、网建设能够推进电网技术创新，实现技术、设备、运行和管理等方面的提升，从而来适应电力市场的需求，推动电网的科学发展；减少系统装机容量，根据我国不同地区省份电力负荷特性差异大的特征，通过智能化的统一调度，来获得调峰填谷等联网效益，同时通过分时电价机制，指引用电客户低谷时段用电，减小高峰负荷，从而减少系统装机容量；降低系统发电燃料费用，建设坚强智能电网，能够优化我国电源布局，降低燃料运输成本，同时，通过降低负荷峰谷差的手段，能够提高火电机组使用率，降低煤耗，最终减少发电成本；提高电网设备利用率，首先，通过改善电力负荷的曲线，减小峰谷差，提高电网设备利用效率；其次，发挥坚强电网的自我诊断能力，延长电网

15、基础设施的寿命；降低线损，坚强智能电网是以特高压输电技术作为重要基础的，这将大大降低电能远距离输送过程中的损失率，智能调度系统、灵活输电技术以及与用电客户的实时交互，都能够优化输电线路的潮流分布，降低线路损耗，同时，分布式电源的建设，也将减少电能远距离输送的网损。（4）分配资源：我国资源与需求呈反向分布，80%以上的煤炭、水能和风能资源分布在西北部地区，而75%以上的能源需求主要集中在东部、中部地区。资源与需求分布不平衡的基本国情，促使我国必须在全国范围内实行能源的优化配置。坚强智能电网的建设，为能源的优化配置提供了一个良好的平台。坚强智能电网建成后，将形成结构坚强的受、送端电网，电力承载能力

16、显著加强，构成“强交、强直”的特高压输电网络，从而实现水、煤、核、大规模可再生能源的跨区域、远距离、低损耗、高效率输送，极大的提升电网大范围资源优化配置能力。（5）能源发展：太阳能以及风能等清洁能源的开发利用以生产电能的形式为主，坚强智能电网的建设可以明显提高电网对清洁能源的接入、消纳和调节能力，推动清洁能源的发展。智能电网通过采用先进的控制及储能技术，改善清洁能源发电并网的技术标准，提高清洁能源并网能力。智能电网合理规划大规模清洁能源基地网架结构和送端电源结构，采用特高压、柔性输电技术，符合了大规模清洁能源电力输送的要求。坚强智能电网通过对大规模间歇性清洁能源进行合理、经济调度，大大的提高了

17、清洁能源生产运行的经济性。智能一体化的用电设备，可以实现对分布式电源的接受与协调控制，实现与用电客户的友好双向互动，从而为客户体验新能源电力带来便利。（6）节能减排：构建坚强智能电网对促进节能减排和发展低碳经济有着重要的意义：支持清洁能源机组的大规模并网，加快清洁能源的发展，推动我国资源结构的优化调整；指引客户合理的安排用电时段，减小高峰负荷，稳定火力发电厂的出力，降低发电煤耗成本；促进特高压、柔性输电、经济调度等先进技术的推广和应用，提高电网运行的经济性；实现电网与客户的有效互动，提高用电效率；推动电动汽车的大规模接入并网，促进低碳经济社会的发展，实现减排效益。1.2 智能电网在国外的发展趋

18、势目前，全球范围内对智能电网的研究及实践尚处于初始阶段，智能电网的概念和内容也在不断地扩充中。2005年，坎贝尔发明了一种技术，利用了（Swarm)群体行为原理，让一层大楼里的用电设备互相协调，减少大楼在用电高峰期的用电量。坎贝尔发明了一种无线控制器，与大楼的各个电器相连，并实现有效控制。比如，一台空调运转15分钟，以把室内温度维持在24；而另外两台空调可能会在保证室内温度的前提下，停运15分钟。这样，在不牺牲每个个体的前提下，整个大楼的节能目标便可以实现。这个技术赋予电器于智能，提高能源的利用效率。2006年欧盟理事会的能源绿皮书欧洲可持续的、竞争的和安全的电能策略 (A European

19、Strategy forSustainable，Competitive and SecureEnergy)强调智能电网技术是保证欧盟电网电能质量的一个关键技术和发展方向。这时候的智能电网应该是指输配电过程中的自动化技术。2006年中期，一家名叫“网点” (Grid Point)的公司最近开始出售一种可用于监测家用电路耗电量的电子产品，可以通过互联网通信技术调整家用电器的用电量。这个电子产品具有了一部分交互功能，可以看作智能电网中的一个基础设施。2006 年，美国IBM公司曾与全球电力专业研究机构、电力企业合作开发了“智能电网”解决方案。这一方案被形象比喻为电力系统的“中枢神经系统”，电力公司可

20、以通过使用传感器、计量表、数字控件和分析工具，自动监控电网，优化电网性能、防止断电、更快地恢复供电，消费者对电力使用的管理也可细化到每个联网的装置。这个可以看作智能电网最完整的一个解决方案，标志着智能电网概念的正式诞生。2007年10月，华东电网正式启动了智能电网可行性研究项目，并规划了从2008年至 2030年的“三步走”战略，即：在2010年初步建成电网高级调度中心，2020年全面建成具有初步智能特性的数字化电网，2030年真正建成具有自愈能力的智能电网。该项目的启动标志着中国开始进入智能电网领域。2008年美国科罗拉多州的波尔得(Boulder)已经成为了全美第一个智能电网城市，每户家庭

21、都安装了智能电表，人们可以很直观地了解当时的电价，从而把一些事情，比如洗衣服、烫衣服等安排在电价低的时间段。电表还可以帮助人们优先使用风电和太阳能等清洁能源。同时，变电站可以收集到每家每户的用电情况。一旦有问题出现，可以重新配备电力。2008年9月 Google与通用电气联合发表声明对外宣布，他们正在共同开发清洁能源业务，核心是为美国打造国家智能电网。2009年1月25日美国白宫最新发布的复苏计划尺度报告宣布：将铺设或更新3000英里输电线路，并为4000万美国家庭安装智能电表美国行将推动互动电网的整体革命。2月2 日能源问题专家武建东在全面推动互动电网革命拉动经济创新转型的文章中，明确提出中

22、国电网亟须实施“互动电网”革命性改造。2009年2月4日，地中海岛国马耳他在周三公布了和IBM达成的协议，双方同意建立一个“智能公用系统”，实现该国电网和供水系统数字化。IBM及其合作伙伴将会把马耳他2万个普通电表替换成互动式电表，这样马耳他的电厂就能实时监控用电，并制定不同的电价来奖励节约用电的用户。这个工程价值高达9100万美元（合7000万欧元），其中包括在电网中建立一个传感器网络。这种传感器网络和输电线、各发电站以及其他的基础设施一起提供相关数据，让电厂能更有效地进行电力分配并检测到潜在问题。 IBM将会提供搜集分析数据的软件，帮助电厂发现机会，降低成本以及该国碳密集型发电厂的排放量。

23、2009年2月10日，谷歌表示已开始测试名为谷歌电表PowerMeter的用电监测软件。这是一个测试版在线仪表盘，代表着谷歌正在成为信息时代的公用基础设施。2009年2月28日，作为华北公司智能化电网建设的一部分华北电网稳态、动态、暂态三位一体安全防御及全过程发电控制系统在京通过专家组的验收。这套系统首次将以往分散的能量管理系统、电网广域动态监测系统、在线稳定分析预警系统高度集成，调度人员无需在不同系统和平台间频繁切换，便可实现对电网综合运行情况的全景监视并获取辅助决策支持。此外，该系统通过搭建并网电厂管理考核和辅助服务市场品质分析平台，能有效提升调度部门对并网电厂管理的标准化和流程化水平。美

24、国谷歌2009年3月3日向美国议会进言，要求在建设“智能电网（Smart Grid）”时采用非垄断性标准。2010年1月12日，国家电网公司制定了关于加快推进坚强智能电网建设的意见，确定了建设坚强智能电网的基本原则和总体目标。2011年3月1日，国家电网750kV延安洛川智能变电站成功投运，这座世界最高电压等级的智能变电站。1.3 现阶段我国智能电网的发展状况而我国电力工业面临着类似于欧美国家的情况：在宏观政策层面， 电力行业需要满足建设资源节约型和环境友好型社会的要求，适应气候变化；在市场化改革层面，交易手段与定价方式正在改变，市场供需双方的互动将会越来越频繁。这说明智能电网建设也将成为我国

25、电网发展的一个新方向。目前，中国发展智能电网的条件已经具备，通过智能电网建设， 电力各领域都将发生飞跃和提升，电网的发展也将随之深刻变化。我国发展智能电网与其他国家有所差别。外国智能电网更多地关注配电领域。目前，我国需要更密切地关注智能输电网领域，把特高压电网的发展融入其中，保证电网的安全可靠和稳定，提升驾驭大电网安全运行的能力。另外，我国电网企业正在转变电网发展方式，用户的用电行为也在发生变化。以建设智能电网为抓手，能够比较方便地建成满足未来需要的下一代电力网络。要实现电网智能化目标，有许多技术需要进行研究。其中输电网中基于相量测量单元的广域测量系统、柔性 交流输电和配电网中分布式发电、自动

26、抄表、需求侧管理等很多技术，在智能电网概念提出前就已经在研究，并且取得了不错的成绩。智能电网的发展，会让这些技术提高到新的层次，并使研发工作更有用武之地。此外还要开发诸如储能技术、先进的双向式自动计量表计设施、风能和太阳能等可再生能源的接入技术、微电网等一系列新的技术。智能电网也需要不断整合和集成企业资产管理和电网生产运行管理平台，从而为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务。国家电网公司建设的SG18612程，为构建智能电网打下了基础。各项工作的推进，让智能电网正从设想进入现实，这是一项艰难的任务，也是一个诱人的挑战。1.4 本文研究的主要内容本文在前人研究的基础上，系统全面分析了电动

27、汽车负荷接入电网后产生的谐波对电网运行的影响。围绕这个任务，论文进行了以下几个方面的分析探索。首先，介绍了五种的影响智能电网发展风险的因素；其次，说明了谐波对电网的影响；然后，以电动汽车负荷为例，运用Matlab仿真软件分析其接入电网后的影响；最后，一出一种负荷的优化解决措施来尽可能减小大量电动汽车并网后的影响。2 影响智能电网发展风险的因素2.1 智能电网风险调度的研究意义智能电网是未来电网的发展方向，不管是对于电网侧还是用户侧，都会带来巨大的社会经济效益。但是，电网智能化在取得重大发展进步的时候，与此同时，电网建设过程中所面临的潜在的风险因素是不容忽视的，如果对风险的影响不能准确把握，这将

28、会给智能电网带来不可估量的损失。因此，运用科学的方法有效地开展风险评估可以指引决策者实现科学规划，从而来避免盲目的投资以及重大风险损失，这对于智能电网的顺利推进具有重要的工程实用价值和发展参考作用。我国的智能电网发展还处于全面建设的初始阶段，其推进过程具有投资规模大、周期性长、覆盖面广、区域发展不协调等特点。在此建设阶段，众多的隐性和显性的不确定因素导致智能电网承受着多方面的风险威胁，所以一些关于智能电网的风险评估研究已初露端倪。国内对此研究的主要成果有综述性分析智能电网在不同层面可能经历的风险因素，并对所面临的风险因素进行了影响程度分析，初步提出了智能电网风险评估的基本因素结构框架2,3。国

29、外的研究机构也针对智能电网风险评估做了大量的研究。如美国能源部(Department of Energy，DOE)于2009年10月针对可再生能源接入电网所带来的风险，提出了一个从生态环境、人类健康和社会经济效益方面建立的集中式结构的风险分析框架4。美国电力科学研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)开展的资产管理和智能电网实践过程中的集成化变电站设备的风险评估项目以及高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)的风险评估和安全需求项目5,6。美国加利福尼亚州能源研究机构提出了智能电网安全性：统一的风险管

30、理办法7。还有欧洲一些国家关注的是智能电网的不确定性以及带来的相关风险，通过对智能电网可预见的组成分析以及对技术、业务、经济、政策驱动的分析来识别并指出其所带来的风险8,9。2.2 各个因素对智能电网调度的影响风险识别是指对面临的尚不明显的各种潜在的不确定性因素进行全面、系统的归类分析，进而揭示风险及其性质的过程10。风险识别的基本任务就是辨识、了解风险的类型及其可能带来的严重后果和影响。智能电网目前处于全面建设的起步阶段，尽管有部分风险因素在试点项目中已经显露出来，但是深层次、隐性的风险因素还需要进一步发掘，以便可以前瞻性地预测智能电网未来发展建设过程中随时间推迟出现的风险。针对智能电网建设

31、过程中带来的不确定性，并且确保智能电网的顺利推进，首先必须准确把握国家宏观经济、产业及能源等各项政策，改革方向以及省市政府层面的政策导向，确保智能电网的发展符合国家战略政策，同时能有效服务于地方经济发展；其次，要确保电网公司管理方面的稳定正常运作，保证公司良性发展，为智能电网的发展提供可靠的环境保障；第三，有效控制系统安全运行风险，预防和应对各种危害系统安全的状况发生，在电网安全运行的前提下有效开展智能电网建设；第四，确保智能电网的发展有良好的物质基础，必须格外关注金融方面对智能电网推进的影响作用；最后，技术作为智能电网区别于传统电网的主要特征之一，其发展水平对智能电网建设程度有着标志性的影响

32、。因此，下面简单介绍政策风险、市场风险、技术风险、安全风险和管理风险等对电网的影响，全面识别出智能电网中的主要风险因素。（1）政策风险：近期，尽管智能电网起步迅速，但国家对智能电网相关的扶持政策仍不够完善，电网企业对政策的承受力不够强，政策风险出现的可能性和后果相对较大；在发展的中期和远期，政策完善程度越来越高，渐成体系，并趋于平稳，政策风险带来的后果将有所减小，出现的可能性将有所降低。（2）市场风险：从近期到远期，随着智能电网的不断发展以及对资金需求的增大，电网资产负债率有逐年攀升的可能，引发的风险后果会增大。投资、市场竞争和市场交易等活动，任何时间点都有可能出现市场风险，并且可能性大致相同

33、，因此在智能电网的各个发展阶段，市场风险都可能出现。（3）技术风险：核心技术、关键设备以及智能电网技术标准等方面未取得突破之前，这些方面存在的风险都将是智能电网发展的重要制约因素。近期和中期，相关技术标准等都还不完善和成熟，技术风险几乎肯定存在，并且不利于智能电网迅速向产业化方向发展，风险的影响较大；远期看来，随着科技水平的发展和实践经验的积累，技术风险的后果和可能性会有所降低。（4）安全风险：近期，由于信息网络和用户终端信息网均未形成规模，安全风险表现为电力系统自身的安全风险；随着时间发展包括用户的整个信息网络将初具规模，风险的影响和可能性将增加；发展到远期，信息安全技术、标准等方面越来越成

34、熟之后，发生风险的可能性和后果会有所降低。（5）管理风险：近期，智能电网投资项目众多，智能电网的专业技术人员缺乏，物资和财务还处于粗放型管理，因此管理风险发生的可能性和危害后果很高；随着智能电网规模的扩大、运行经验的不断积累和管理模式向集约化管理转变，管理风险发生的可能性和后果在逐渐减小。安全性风险评估是目前的研究热点，包括暂态稳定风险评估、动态稳定风险评估、电网谐波风险评估、连锁故障风险评估、风险评估的在线技术等。今后应研究如何将现有方法用于智能电网，以充分考虑智能电网带来的新的不确定因素。本文主要通过研究用户侧负荷波动产生谐波进而对整个电网的影响11。2.3 谐波的定义、危害以及对电网的影

35、响谐波在国际电工标准中的定义为:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，它的频率是基波频率的整数倍”。因为其频率为基波频率的整数倍，我们也常称其为高次谐波。对于谐波次数来说，我们用谐波频率和基波频率之比表示。习惯上，电力系统的工频就是基波频率。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器会呈现比较大的背离正弦曲线波形。谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘

36、老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下四个方面：(1)电网中的各部分元件因为谐波的存在产生了大量的附加损耗，用电设备的效率大大降低，大量谐波流过中性线时会使线路过热，严重的话会发生火灾。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动，噪声和过电压，使变压器局部过热。(3)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气

37、测量仪表计量不准确。(4)对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。3 电动汽车负荷并网产生谐波对电网的影响3.1 电动汽车发展趋势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

38、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。3.2 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

39、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。如文献12考虑电动汽车傍晚充电和夜间充电2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。文献13以澳大利亚珀斯地区为案例，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

40、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，如文献14在电动汽车不同充电场景下，计算了电网为提高发电和输电容量所投入的成本。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15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16对某城市生活区的89条10kV线路进行考查,结果表明，当该区域电动汽车渗

41、透率达到20%以上时，线路末端压降将出现越限。文献17对IEEE 34节点馈线测试系统进行了计算，指出电动汽车充电引起的线损和压降在进行优化充电管理后仍不可忽视。文献18、19分别对电动汽车充电引起的不对称、谐波水平进行了计算，指出电动汽车达到一定数量后，公共母线电压的不对称度和谐波畸变率将超出标准允许范围。除上述电动汽车对发电、输电、配电环节的影响外，电动汽车对电网的影响还涉及到电力市场、电网产品和服务等方面的内容20-23。对电动汽车规模化应用后，电网能源结构和CO2排放的变化也是研究的内容之一24-25。本文主要通过MATLAB/Simulink软件对电动汽车负荷充电模型进行仿真，模拟其

42、充电过程中产生的谐波对电网的影响，并提出一种假设，合理安排电动汽车充电时间，以减小甚至消除其对电网的影响。3.3 电动汽车的几种等效充放电模型为了更好的研究电动汽车对电网的影响，我们采用一种等效电路的模型来模拟其在充电过程中电动汽车蓄电池的各个参数变化的情况。蓄电池系统建模可以分为电化学模型、数学模型和电气模型。其中电化学模型可以反映电池内部反应机理及相关电池设计参数，用于优化电池结构设计，但是这类模型结构较为复杂，其参数受电池结构、材料、尺寸等具体因素影响，难以计算和确定，不适用于控制设计。目前用于蓄电池的数学模型，通过经验公式和数学理方法虽然可以在系统、设计中预测电池运行时间、效率、容量等

43、系统层面的特性，但是由于数学模型大多要进行很多的简化，往往仅适用于某些特定场合，并且有较大误差，结果也不能表现电池充放电电压电流等，因此不能用于电路设计仿真关键特性的分析中。电气模型使用电压源、电阻、电容组成电路，模拟电池的动态特性，更加直观方便使用，非常适合与电路结合进行仿真试验，精确度介于电化学模型和数学模型之间。电池电气模型又可以分为等效电路模型，交流阻抗模型和运行时间模型三类。其中等效电路是目前应用最为广泛的电池模型，可以用来模拟电池的动态特性。与其他电池性能模型相比，采用等效电路模型还可写出解析的数学方程便于分析和应用，模型的参数辨识试验容易执行，而且可对电池的全SOC（SOC：st

44、ate of charge的缩写，电池行业用语，指荷电状态，又称剩余容量，当蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。SOC=1即表示为电池充满状态，控制蓄电池运行时必须考虑其荷电状态。）范围进行建模，在模型中也更容易考虑温度的影响。等效电路模型再可以进一步分为Rint，RC，Thevenin，PNGV和GNL模型，其中Thevenin等效电路模型是一种基本等效电路模型，PNGV模型和GNL模型是在Thevenin等效电路模型基础上改进后的等效电路模型，在实际应用中更加实用和精确。由于电池的直流特性、容量特性和暂态响应等都是电动汽车及其充电最关键

45、的参数，因此改进的等效电路模型应用最广。（1）Rint模型图3.1所示的Rint模型（也称内阻模型）由美国爱达荷国家实验室设计，它用理想电压源的电势描述电池的开路电压。电池内阻值，开路电压是SOC和温度的函数。图3.1 Rint模型（2）RC模型图3.2所示RC模型由著名电池生产商SAFT公司设计。模型由2个电容和3个电阻构成，其中大电容描述电池的容量，小电容描述电池电极的表面效应，电阻称为端电阻，电阻称为终止电阻，电阻称为容性电阻。模型中电池的负极定义为零电势点。 图3.2 RC模型（3）Thevenin模型图3.3是Thevenin模型，该模型通过理想电压源的来描述电池开路电压，用一个串联

46、电阻和一个并联网络（电池极化阻抗和极化阻抗周围的电容）来预测电池在某一SOC下对瞬时负载的响应。假定开路电压不随SOC变化，因此该模型只能表现电池在某个SOC下的暂态响应，不能表现电池稳态电压变化，也不能预测电池运行时间，不能表现电池开路电压与SOC的关系，也不能预测电池的运行时间与充放电管理。在该电路基础上增加原件，例如电容器，则构成了一些派生电路，具有较好的模拟效果。 图3.3 Thevenin模型（4）PNGV模型图3.4所示的PNGV模型是2001年PNGV电池试验手册提出的等效电路模型，在2003年FreedomCAR电池试验手册中也被定义为FreedomCAR模型。模型中为理想电压

47、源的电池开路电压；为欧姆内阻；为电池极化阻抗；为极化阻抗周围的电容；表征开路电压与负载电流的时间积分的变化关系。此模型是一线性集总参数等效电路，可以用来预测HPPC脉冲负载条件下的电池端电压变化。当电池进行充放电时，其电流在时间上的累积引起SOC的变化，从而导致电池开路电压变化，体现在电容器上的电压变化。电容量既表征了电池的容量，又表征了直流响应，弥补了Thevenin模型的缺陷。PNGV模型的内阻参数（+）具有较为明确的物理含义，在不同温度下辨识得到的参数值与同等温度下电池直流内阻比较吻合。模型忽略了，和随SOC与温度的变化，这些参数可以通过模型参数辨识实验，测得不同条件下的数值求平均值来近

48、似计算。 图3.4 PNGV模型（5）GNL模型目前电动汽车常用的各种电池的极化可分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化。大量的电池试验结果表明：电池在放电到终止电压后，经过一段时间搁置还可以再进行短时大电流放电；电池在恒流充电或放电时，要经历一段电压陡增或陡降的过程才进入电压平台期；电池有自放电现象；电池在过充电时放热增加，库仑效率降低；电池的充电内阻和放电内阻不相等。GNL模型是对PNGV模型的改进与推广，图3.5所示的通用性的非线性（General Nonlinear，GNL）等效电路模型可以反映电池的这些特点，该模型可以用于电池单体、电池模块和电池组。模型中：为负载电流；为负载电压；为开路

49、电压；为放电终止电压对应的电压源电压；为SOC等于0时的储能电容；为串联电阻（充电时为，放电时为）；为储能大电容，用来描述由于放电或充电的累积引起的电池开路电压的变化；和分别为较短和较长时间常数极化内阻，充电时为和，放电时为和；和分别为较短和较长时间常数极化电容；为自放电电阻；为过充电电阻。图3.5 GNL模型文献26从模型精度、模型结构、参数辨识和影响因素四个方面对五种等效电路模型进行了评价和比较。该文献在比较各模型的误差后指出：等效电路模型更适用于电池变功率充放电的工作状态，满足电动汽车仿真的要求；电压误差是等效电路模型的主要误差；GNL模型的精度最好，PNGV精度和GNL模型的接近，并且

50、明显高于Rint模型、Thevenin模型和RC模型的精度。在这五种模型中，Thevenin模型、PNGV模型和GNL模型的参数辨识方法具有寻优的过程，但是RC模型的参数辨识方法没有优化模型参数的步骤，不能优化模型参数提高分析精度。从模型结构来讲，GNL模型可以通过增加中电路元件的方法进一步描述电池的电压变化过程。从参数辨识角度考察，五种模型的参数辨识试验均相同，但PNGV和GNL模型的参数辨识方法中增加了最优时间常数选取的环节，因而提高了复杂度，但是GNL模型更复杂。五种电路模型均能考虑SOC和温度的影响，在影响因素方面没有差异。本文通过综合考虑，选取了PNGV模型作为仿真对象，在MATLA

51、B/Simulink中搭建了具体仿真电路并对其进行了仿真实验。4 MATLAB仿真4.1 MATLAB简介MATLAB最早应用于美国学者Cleve Moler博士早期的线性代数领域的教授工作。MATLAB是Matrix Laboratory的简称，它是由美国Math Works公司生产的一种数学软件，主要包括两大部分：MATLAB和Simulink。MATLAB根据其强大的绘图功能和矩阵运算能力、丰富的工具箱以及可视化仿真环境，迅速成为科研人员得力的应用工具。而以Simulink为运行环境的电气系统模块Powerlib包含了电路、电力电子和电力系统等常用的仿真模型和元件。其中，如下6个子模块库

52、构成了电气系统模块库：（1）负荷模块库。包括同步电动机、水轮机、异步电动机、励磁装置、永磁同步电动机等。（2）测量模块库。包括电流和电压测量等。（3）电源模块库。包括交流电流源、交直流电压源、可控电流和可控电压源等。（4）连接模块库。包括母线、中性点等。（5）基本元件模块库。包块互感器、变压器、断路器、RCL负载线路等。（6）电力电子模块库。包括理想开关、二极管、GTO和晶闸管等。综上可知，MATLAB的电气系统模块库能够在Simulink中简单快捷的搭建电路，高效准确的完成仿真分析，并且完成电压电流的波形输和采样值输出，同时完成有功功率（无功功率）和功率因数的测量计算。Matlab/Simu

53、link是设计和分析复杂电气系统的有效方法和手段。4.2 仿真原理图1 图4.1 仿真原理图1在Matlab/Simulink中搭建电路模型，如图4.1所示，设置电路中元件的参数；按照有功功率由电压电流瞬时值在一个周期的积分构成，在这里对电压电流采样一个周期，在仿真电路中，电压测量元件（U）的采样间隔时间设置为0.0002S，采样持续时间设置为0.1S，总共采集到500个数据。接着，对系统干路、非线性支路和电动汽车负荷之路电流测量元件进行相同的参数设置。完成设置后进行仿真运行。仿真完后，工作空间里分别得到公共点电压及系统干路、非线性负荷、电动汽车负荷电流的采样值。将采样值保存成.txt格式，同

54、时在command window中编程，完成对存储成.txt格式的电流电压采样值进行傅立叶变换，然后可获得电压、电流的频谱图和相位图。如图4.2、图4.3、图4.4、图4.5所示，分别对应为公共点电压、系统支路、非线性负荷支路和电动汽车负荷电流的原始图、频谱图和相位图。图4.2系统公共点电压U图4.3 系统干路电流Is图4.4非线性负荷支路电流I1图4.5 电动汽车负荷支路电流I2在频谱图和相位图利用数据光标读取数据，即可得到各次谐波电压电流的幅值和相角值。有功功率的公式为： ( 4-1) 由公式（4-1）可知，根据得到的各次电压电流幅值和它们的相角值，可求出各次谐波的有功功率值，所以我们能够

55、计算出系统发出的有功功率、非线性负荷吸收的有功功率、电动汽车负荷吸收的有功功率。计算结果如表4.1、表4.2、表4.3所示。表4.1 系统发出的有功功率谐波次数电压有效值（V）电压相角（rad）系统电流Is（A）电流相角（rad）（rad）各次谐波有功值（W）1248.32-1.537-1.8410.30400.95403.12220.35330.67442.189-1.5150.0562030.40851.662-1.5153.177-0.999440.18121.8191.4500.36900.932750.21621.645-2.7094.344-0.360160.15811.9280.75401.1740.386570.13891.7032.725-1.0220.521780.13201.9170.028111.889-0.312890.10371.8342.038-0.20400.9793100.10791.904-0.86432.768-0.9311表4.2 非线性负荷吸收有功功率谐波次数电压有效值（V）电压相角（rad）支路电流I1（A）电流相角（rad）（rad）各次谐波有功值（W）1248.32-1.537-1.8560.31900.94952.9684720.35330.67442.189-1.5150.0562030.40851.662-1.5153