电动汽车接入对配电系统静态电压稳定裕度的影响研究

电动汽车接入对配电系统静态电压稳定裕度的影响研究

郑颖1，孙近文2，林湘宁3

1华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室2华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室

3华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室

Email: ylzsdbz@

摘要：针对电动汽车的充电特性，本文以实测充电数据为基础，拟合其五阶高斯充电分布规律，在此基础上研究了多场景下含电动汽车的配网电压稳定裕度，分析采用无序充电和峰谷分时电价调控充电方式时，不同渗透率的电动汽车充电对配电网电压稳定裕度造成的不同程度的影响，以及电动汽车以不同比例接入充电站节点时对配网电压稳定裕度的影响，并依据系统电压稳定裕度采用一种可切负荷控制策略，以提高系统应对电压失稳能力。

关键词：电压稳定；电动汽车；配电网络；紧急控制

Study of Voltage Stability Margin for the Distribution Network With Electric Vehicle Integration

ZHENG Ying 1, SUN Jinwen 2，LIN Xiangning3

1State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology 2 State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology 3 State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology

Email: ylzsdbz@

Abstract: The analysis of the impact on the voltage stability of adding EVs to distribution system is made under several cases based on measured charging data with 5th Gaussian distribution aimed to charging load profile. The effects of the charging of different numbers of EVs on system voltage stability under uncoordinated charging mode and coordinated charging mode with time of use price strategy with different penetrations, and the effects of the percentage of EVs plugged in charging station nodes on system voltage stability are analyzed. The strategy of controllable load is employed based on system voltage stability to improve the ability of system to deal with voltage instability.

Keywords: voltage stability; electrical vehicle; distribution network; emergency control

1 引言

随着经济发展与能源供给、环境污染之间的矛盾的日益加剧，节能降耗和减少对化石燃料的依赖已经成为经济可持续发展迫切需要解决的问题。电动汽车(electric vehicle, EV)作为解决交通、能源和环境问题的重要手段，其附属充电设施将得到大力推广与建设，这对其接入的配电系统的运行水平与安全构成了严峻的挑战。配电系统的电压失稳的主要成因是负荷需求的增长超出设备运行的极限状态，系统不能维持负荷功率与负荷所吸收功率之间的平衡，越过其临界点，引起电压失稳现象的发生[1]。电动汽车的大规模推广将会使用电负荷和用电量急剧增长，其带来的负荷率不断降低，这必将成为将来配网系统电压水平恶化甚至崩溃的重要诱因[2]。因此研究含电动汽车的配网电压稳定性十分重要。电动汽车对于电网稳定性影响的特殊性主要体现在其充电行为在时空上的随机性，同时也使其充电需求具备一定的灵活性。

然而，目前对含电动汽车的配网静态方面研究主要集中在负荷、压降和网损等。文献[3]研究表明电动汽车负荷有可能聚集在某些局部区域，这将引起配电网的局部过负荷问题。文献[4]研究了电动汽车充电对配电网负荷曲线、网络线损及节点电压偏移的影响，并考虑了以负荷方差最小化为目标的优化充电策略。文献[5] 采用蒙特卡洛仿真研究了电动汽车在不同普及程度、电价条件和季节下对配电系统网损率和电压偏移的影响。配电网络电压崩溃的严重场景尚未被考虑，导致对含电动汽车的配网静态电压稳定性方面研究较少，而相应的紧急控制策略亦鲜有论述。

针对电动汽车的充电特性，本文以实测充电数据为基础，拟合其五阶高斯充电分布规律，在此基础上研究了多场景下含电动汽车的配网电压稳定裕度，分析采用无序充电和峰谷分时电价调控充电方式时，不同渗透率的电动汽车充电对配电网电压稳定裕度造成的不同程

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度的影响，以及电动汽车以不同比例接入充电站节点时对配网电压稳定裕度的影响，并依据系统电压稳定裕度采用一种可切负荷控制策略，以提高系统应对电压失稳能力。

2 规模化EV 接入后配电系统电压稳定模型

2.1电动汽车负荷模型及计算方法

电动汽车充电行为是影响电动汽车功率需求的关键因素。其随机性依赖于充电时间、地点、频率以及日行驶里程。其中充电开始时刻受行驶结束时刻影响。对于每一辆电动汽车，其充电需求模拟的基本思路是先根据日行驶里程概率密度分布函数式产生日行驶里程，然后根据汽车百公里耗能得到充电能量需求值。日行驶里程[5]反映了电动汽车一天内消耗的电能，并近似满足对数正态分布：

2

2

()exp(22D D D D f x x σσπ

=

− （1） 根据山东电力集团公司统计数据，典型负荷日中，

电动汽车充电开始时刻的概率密度服从五阶高斯分布，如图1所示。

概率密度

图1 充电开始时刻概率密度

根据图1，充电开始时刻满足以下分布： 5

1()si i i f x k ==∑ (2) 其中，si σ、si μ、i k 的值具体见表1。

表1 充电开始时刻概率密度参数设置

si μ 0.05 2.656 12.23 18.93 23.52 si σ

0.8 2.334 1.064 1.706 2.089 i k

0.086 0.200 0.084 0.445 0.185

表 2 给出了 MIT [6]、USABC 和 EPRI [7]研究的几种典型电动汽车的电池特性，其中 PHEV X 中 X 表示该电动汽车能够行驶的最大里程（以英里计）。其中，充电功率的大小同时取决于电池特性以及充电方式。

表2 几种典型电动汽车充电特性

PHEV30 PHEV40 PHEV60

电池容量 8 17 18 慢充功率 1.6 3.4 3.6 快充功率 8 17 18

本文考虑2种用户充电情况：1）在无经济利益和政策引导的情况下，电动汽车的充电行为服从其自然分布规律，充电开始时刻根据分布函数式(2)随机选取；2）考虑利用峰谷分时充电电价策略对充电行为进行调控[9]，检验其是否可以起到很好的效果。

考虑PHEV30、PHEV40和PHEV60三种电动汽车类型，其比例为 70%、12%和 18%，且95%的电动汽车采用正常充电，5%的电动汽车采用快速充电[10]

，设比例为α的电动汽车接入充电站规划节点，其余1-α部分随机接入其他节点。

根据以上假设，可以确定电动汽车充电开始时刻及电动汽车充电所需要的电能；再结合电动汽车充电特性，通过以下过程得到每辆电动汽车的充电负荷曲线：

1）确定电动汽车类型及充电类型，根据电动汽车日行驶里程分布函数式随机产生电动汽车的日行驶里程。

2) 确定电动汽车充电时刻，选取电动汽车充电接入点。根据前面的假设和分析，电动汽车充电时刻有2种可能：①根据分布函数式(2)随机产生电动汽车充电开始时刻；②汽车在峰谷分时充电电价策略调控下充电。电动汽车接入点也有2种可能：①随机选取充电站节点接入；②随机选取所有负荷节点接入。

2.2连续潮流法追踪PV 曲线

在电压稳定的研究方法中，PV 曲线作为较为传统的动态分析法可以准确求取任意系统电压稳定的功率极限值和电压临界值，因此具有普适意义。系统的潮

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划) 资助项目

（2009CB219700）；国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA05A109)；高等学校博士学科点专项科研基金（20110142110055）。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973 Program) (2009CB219700), and in part by National High-Tech R&D Program of China(863 Program) (2011AA05A109), and in part by Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of Chin a （20110142110055）.