电动汽车大规模接入配电网后的充电负荷建模分析

电动汽车大规模接入配电网后的充电负荷建模分析

0基于soc的充电过程等效模型随着岩浆岩能源的逐渐消耗和污染日益严重，电动汽车作为一种清洁能源的使用方式——打开了自身发展的机会。目前，对电动汽车充电过程的研究大多建立基于充电功率的等值模型，将充电过程等效为非线性电阻，通过一个充电周期内非线性电阻阻值的变化模拟蓄电池充电功率的变化本文从研究电动汽车充电过程出发，分析充电过程基于充电功率的非线性电阻模型，提出一种基于SOC的充电过程等效模型，并将所提出的充电模型接入典型低压配电网，考虑感应电机的启动过程，分析重载方式下接入电动汽车充电负荷的典型低压配电网的运行特点。结果表明基于SOC的等效模型计算量小，能够准确反映充电过程电网电压、电流及功率的动态变化特性，对于电动汽车充电过程仿真具有参考价值。1电动汽车充电站分析1.1电动汽车高频功率变换装置建模难点目前，主要研究和使用的是三相桥式不控整流加高频DC/DC功率变换装置构成的电动汽车充电机高频功率变换装置建模复杂，影响对整个充电过程的研究。在若干个工频周期内其近似处于恒功率工作状态，因此可以用一个非线性电阻R1.2恒压限流阶段结合图1和图2，基于充电功率的充电过程等效非线性电阻R式中：P充电机的两阶段充电方式将一个充电周期划分为两个阶段：前半段恒流限压，后半段恒压限流。恒流限压阶段充电机以很大的充电电流充电，在此期间电池端电压变化幅度很小，充电机的输出功率迅速增大至峰值，电池SOC快速上升；待SOC增至70%～80%进入恒压限流阶段，电池端电压基本保持恒定，充电电流迅速下降，输出功率也随着迅速降低，此时电池SOC缓慢增加至电池充满电。综合上述，充电机输出功率在充电过程中实时变化，根据实际记录的蓄电池充电过程数据，利用曲线拟和方法，得到两阶段充电方式下充电机输出功率与充电时间的关系见式（2):式中：P结合式（1）、式（2），充电机基于充电功率的充电过程等效非线性电阻模型（即非线性电阻与充电功率的关系）见式（3):结合式（3）可知，基于充电功率的非线性电阻模型在充电过程中随充电机充电功率和充电时间实时变化。而在实际电动汽车的充电过程中，充电功率及充电时间因充电机的类型、参数不同而有较大差异，因此基于充电功率的非线性电阻模型需要根据充电机参数的不同而重新建模，整个充电过程的仿真计算工作量很大。2等效仿真模型的建立基于充电功率的仿真模型不能适应不同的充电需求，可移植性较差。SOC是衡量蓄电池剩余电量的重要参数，且目前实际应用的电池SOC能实现在线测量，容易获取且测量精确性高，基于电池SOC建立电动汽车充电过程的数学模型更具有实用价值。因此有必要建立基于电池SOC的充电机等效仿真模型。电池SOC与充电功率的关系见式（4):式中：SOC式中：SOC由图3可知，在恒流阶段SOC与时间近似成线性变化，根据恒流阶段结束后的SOC与原功率模型保持一致的原则，对恒流阶段的SOC与充电时间t线性拟合可得到：将式（6）代入到式（5）可得充电机在充电过程中基于电池SOC的等效仿真模型（即非线性电阻与SOC的等效关系）如式（7）所示：由式（7）可知，在恒流充电阶段，非线性电阻近似为常数，不随充电时间变化；在恒压充电阶段，只与电池SOC有关。相比基于充电功率的非线性电阻模型，基于电池SOC的等效模型计算量小，更便于实际应用。本文选取实际应用的充电机的参数见表13典型低压电网运营的特点是电动汽车充电3.1算例系统仿真为分析本文所提出模型对于研究电动汽车充电对配电网公共连接点（pointofcommoncoupling,PCC）影响的正确性，建立电动汽车在低压配电网充电的典型算例如图6所示。根据电动汽车充电站实际需要设计配电系统，电源采用10kV供电；变压器为10/0.4kV电压等级，Dyn11接法；负荷容量根据电动汽车在电网总负荷的渗透率不超过20%配置，充电机的充电功率为9kW，为研究充电过程对配电网的动态影响，考虑夏季低压配电网重载方式下空调感应电动机负荷占比超过60%以上，配电网负荷还包括感应电机和静态恒功率负荷。算例系统的详细仿真参数见表2。空调感应电动机在启动时，定子电流突增，导致其接入的PCC点电压暂降，夏季低压配电网重载方式下，可能致使PCC点其他敏感设备不能正常工作甚至退出工作3.2仿真模型的建立结合表2中算例系统的仿真参数，在PSCAD中搭建低压配电网典型算例的仿真模型如图7所示。仿真模型中将电动汽车充电过程负荷（EV）及感应电机的控制电路分别封装为子模块接入配电变压器的二次侧，并通过断路器BRK的通断控制负荷是否接入，从而实现对配电网运行方式的控制。3.2.1电动汽车充电周期内电压和负荷电流的变化规律模型仿真时间为电动汽车充电的一个完整周期，在150min前为EV的恒流充电阶段，150min后为恒压充电阶段。设置BRK在100min开通，此时感应电机投入启动，同时考虑实际系统的安全需求设置电机在一段时间内若启动失败自动切除BRK。则功率模型和SOC模型下PCC点的电压及负荷电流有效值在一个充电周期内的变化分别如图8(a）和图8(b）所示，其中虚线所示为未接入EV的低压配电网典型算例中PCC点的电压电流动态变化。由图8可知，EV接入会降低母线电压，增大负荷电流。在恒流充电阶段，负荷电流在电机的启动瞬间（100min处）突增，约为稳态电流的5～6倍，同时低压母线的电压骤降，超过电压偏差的下限值；在恒压充电阶段，由于电机已经达到稳态，此时电压和电流主要由EV充电功率的变化决定。观察电机的启动过程，EV接入前后电机在启动过程中转速标幺值的变化如图9所示。结合图8和图9，由EV接入前后的曲线对比可知，EV接入前电机能正常升速启动，系统的电压电流随电机启动过程的结束逐渐恢复到正常值；EV接入后降低了母线电压，使得电机的启动转矩小于负载转矩导致启动失败，系统不能恢复正常。因此，大规模EV接入配电网可能造成电压越限、配电线路过载，使得感应电机启动失败，从而对电网产生的危害加重。3.2.2充电功率仿真模型研究电机启动对EV充电过程的影响，测量一个充电周期内电动汽车充电机对PCC的注入功率如图10所示。由图10可知，恒流充电阶段充电机保持较大的功率进行充电，在电机的启动过程中充电功率骤降，且因电机启动失败而不能恢复；在恒压阶段由于电机切除，充电功率又恢复至正常值并逐渐减小。因此，在EV的充电过程中启动电机会使得低压母线电压大幅度下降，造成充电机的充电功率缺额，从而延长EV的实际充电时间。算例仿真结果表明，在配电网重载方式下，大量电动汽车充电可能导致感应电动机负荷启动失败，另外，感应电动机负荷的启动过程会影响电动汽车充电过程，导致汽车电池的充电时间延长；对比图8和图10中充电机的功率模型和SOC模型产生的充电功率以及在PCC的电压、电流曲线可知，考虑实际电力系统感应电机负荷启动过程的动态特性，SOC模型与功率模型在充电过程对电网产生的动态偏差很小，能够准确反映充电过程电网电压、电流及功率的动态变化特性。因此，本文基于BMS实时估计的SOC数据建立的电动汽车充电过程等效电阻模型，可以直观准确地分析电动汽车充电过程对配电网PCC点的动态影响，从而为电动汽车有序充电策略的制定提供参考。4基于soc的等效电阻模型本文建立了充电机基于电池SOC的充电过程等效数学模型，并将其接入典型低压配电网，考虑感应电机负荷启动过程的动态特性，分析了功率模型和SOC模型下电动汽车充电与感应电机负荷启动的相互影响。大规模EV接入配电网可能造成低电压越限从而使感应电机启动失败；同时电机的启动过程会造成充电机的充电功率缺额，从而延长EV的实际充电时间。基于SOC的等效电阻模型在充电过程中不受充电功率和充电时间的直接约束，能够准确反映充电过程电网电压、电流及功率的动态变化特性，且模型计算量小、原始参数易获取，更方便于实际应用，对于电动汽车充电过程仿真具有参考价值。[引文信息]邢建旭,王友旭,张文杰,等.一种基于SOC的电动汽车充电过程等效电阻模型[J].供用电,2019,36(8):61-