蚌埠地区配网对电动汽车充电桩规模化接纳能力探讨

蒋从伟，吴 斌，张 健，段传科，冯飞波，闫兴德

(国网蚌埠供电公司，安徽 蚌埠 233000 )

0 前言

电动汽车的快速普及能推动可再生能源发展和绿色低碳环境的提升，2012年以来，国家与地方政府陆续出台了相关扶持政策。面对高速增长的电动汽车充电桩的接入，地区配网在已完成的五年规划编制中并没有充分考虑这一因素，导致电网建设过程中在选择设备容量及网架调整时没有给电动汽车充电桩预留相应的裕度。因此电动汽车的快速发展让配电网的规划和建设突然面临较大的挑战。大量的电动汽车充电负荷接入充电桩将对配电网电能质量、局部供电能力、安全稳定运行等都带来较多的负面影响。因此，本文基于充电桩接入对电网谐波分析的理论基础，充分考虑电能质量满足要求的前提下，以蚌埠地区配电网为例，研究分析了蚌埠地区110千伏配网对于电动汽车充电桩的接纳能力，以期为地区配网规划与建设提供一定的参考。

1 配网对于电动汽车充电桩接纳能力一般特性分析[1,2]

1.1 电动汽车充电引起的电压波动

选取安徽省蚌埠龙子湖局部10kV配网分析充电桩接入对电压波动的影响。设定该区域配网结构示意图如图1所示。以110kV龙湖变供电范围为例，节点a-e分别为分段环网单元，b-c接点之间为联络线，正常运行方式下开环运行。充电桩设施分别接入图1中a-e五个点。

图1 蚌埠地区龙湖变局部供电范围网络图

按照标准GB/T2326-2008电能质量标准要求，对于中压10kV配电网，电压波动频次与电压波动限值的对应关系如表1所示。

表1 中压10kV配电网的电压波动频度与波动限值关系

通过现场实地检测发现，不同型号的电动汽车充电时引起的pc普遍相对较低，通常情况下不会超过10，因此，xz取值在2%～3%区间比较合适。本文取3%。

设定在a-e个点分别接入总充电负荷为1360 kW的直流充电桩10台，在充电桩同时充电，同时充电结束的极端条件下，模拟对应的电压波动情况。模拟发现a-e点接入电动汽车充电负荷引起的电压波动均满足国家标准限制要求。但是随着节点短路容量增加，节点允许接入的充电负荷，即充电桩数会有所增加。节点c对应于线路末端分段环网单元，因此其短路容量相对较小，从而满足波动的边界条件下允许接入的充电桩数量也相对较少。值得注意的是，在计算中考虑的是多台电动汽车同时充电并同时结束充电的极端情况下电压波动情况，而实际生活中的充电同时率要比本文研究条件1.0要低，因此实际的充电接入容量将会比表2中结果要大。

图2为充电负荷集中接入单个节点a带来的电压波动情况。

图2 110kV龙湖变供电范围节点a充电接入不同条件下的电压波动曲线

110kV龙湖变供电范围各点电压波动和允许接入直流充电桩的台数记录如表2所示。

表2 110kV龙湖变供电范围各点允许接入直流充电桩的台数

注：表2中最大充电负荷的折算标准为，按照直流充电装快充120kW功率测算。

通过分析，电动汽车充电机(桩、站)接入后对电网电压波动带来的影响主要取决于接入的位置节点短路电流以及接入点所在的局部网架特点。接入工作点短路容量越小，越靠近电网末端，在满足电压波动的要求下，能够接入的电动汽车充电(桩、负荷)就越小。

1.2 电动汽车充电引起的谐波电流

产生谐波电流的主要设备是安装在充电桩上的的高频充电机。通常情况下，充电机基本由工频变压器、三相不控整流和高频变压器隔离变换器组成。整流功能由三相桥式不控整流器完成，整流输出后作为功率变换器的输入，高频功率变换器的输出经过输出滤波后为电动汽车充电。

高频充电机简要结构如图3所示。

图3 高频充电机简要结构示意图

图3中，滤波回路由电阻R、电感L和电容C组成。以下根据该类充电机分析其接入电网产生的谐波。

基于上述分析的电动汽车动力电池充电可以近似分为两阶段充电，即起始阶段恒流限压充电、后面为恒压限流充电。在充电起始到结束全过程中，近似用非线性变化电阻Rs模拟高频功率变换电路等效输入阻抗。

可以用非线性变化的电阻Rs近似模拟高频功率变换电路等效输入阻抗。

(1)

式中:U1,I1,PX分别是高频功率变换电路输入电压、电流和功率；U2,I2,PY分别是输出电压、电流和功率;r是功率变换效率。

等效充电电路如图4所示，Rs是代替功率变换单元的非线性电阻。

图4 充电等效电路

三相桥式整流输出作为高频充电机的首级输入，以A相为例分析。

(1)A相相电压表达为：

(2)

式中：U单为输入单相电压有效值。

则整流器中二极管开关函数可以用傅立叶级数表示为式3。

(3)

式中：

m=6q±1，n>0,q=0,1,2,3,…

整流桥输出电压u0(t)为：

(4)

式中：U0表示整流输出的电压分量；U0n(t)表示第n次电压谐波分量，且U0n=U0

(2)A相电流表达为：

(5)

式中：i0(t)为整流桥直流侧电流，Z0是直流阻抗，Zn是n次谐波阻抗。

其中：Z0=RS，故A相电流又可表示为：

(6)

则：

(7)

式中：n=6β,β=0,1,2…。

由此：

(8)

直流侧电流则为：

(9)

将式9进行傅里叶变换，得A相电流如下：

(10)

综上可知，三相桥式不控整流交流侧谐波特点为：

1)谐波次数主要为6q±1次，q=0,1,2,3,…；

2)谐波电流有效值与谐波次数成反比，且谐波次数越高，谐波幅值越小；

3)电流总谐波畸变率与功率因素成反比。

由此可知，电动汽车充电桩接入后，影响配电网公共接入点谐波电流的主要因素是电动汽车充电桩的数量以及充电时间。而另一主要因素可能是配电变压器的供电容量以及最小短路容量。

2 算例分析[3～5]

以下选取安徽省蚌埠地区配网局部网络进行实际分析允许用户注入的谐波电流值，以进一步研究蚌埠地区配电网对于电动汽车充电桩接纳能力。模拟计算各变电站在满足谐波要求前提下，对应于不同的供电设备容量以及最小短路电流容量，充电时间，局部电网能够接纳的最大充电桩数量。

截至2017年底，蚌埠地区配电网共有110kV变电站45座。本文选取一座典型的变电站开展理论计算与分析，然后采用建模仿真与理论分析结果进一步递进，最后开展全部的变电站仿真分析。据此思路，首先选取110kV蚌埠变作为理论案例分析。

蚌埠变为蚌埠地区核心变电站，为110kV直变10kV变电站(110/10kV)。单台主变供电容量为40MVA，短路阻抗百分比为10.42%，最小运行方式下110kV侧系统等效阻抗为1.565(设定系统基准容量为100MVA)。把变压器阻抗以系统容量为基准，统一标幺化后可得如图5所示的等效电路。

图5 蚌埠地区110kV蚌埠变10kV母线短路计算等效电路

图5中，系统等效电源us=1，Xs为110kV侧系统最小运行方式下等效阻抗，XT为变压器阻抗，则该变电站10kV母线的最小短路容量计算见公式为11。

(11)

式中Sc为公共接入点最小短路容量，Us为系统等效电源，Xs为最小运行方式下变压器110kV侧系统等效阻抗，XT为变压器阻抗，SB为系统基准容量，UB为基准电压，UN为额定电压。

代入上述数据，计算得到公共接入点最小短路容量Sc=131.9MVA，则110kV蚌埠变110/10.5变压器低压侧允许注入的谐波电流值见表3。

表3 充电桩用户允许注入配电网的谐波电流统计表 单位：A,MVA

注：1.标准PCC点限值按基准短路容量100MVA。2.表中短路容量为小方式下短路容量，为131.9MVA。

第二步，在Matlab/Simulink环境下搭建仿真模型，分析在谐波限值合理范围内110kV蚌埠变允许接入的充电桩数量最大值。

边界条件选取：变压器供电容量为40MVA，最小短路容量131.9MVA，在考虑不同数目的直流充电桩接入后，计算注入公共连接点的谐波电流及其允许值。

在Matlab环境中搭建如图6对应于蚌埠变供电的仿真模型，其中供电电源电压为10.5kV，系统等效阻抗与变压器阻抗之和为0.46Ω，即Xs+XT=0.46Ω。三相不控整流器及LC滤波器构成直流充电机，额定功率为480kW，滤波电感L=1.5mH，滤波电容C=0.21μF，每台充电机最多带充电桩6台。充电桩用等效电阻替代，充电桩充电功率为80kW，考虑变换器效率95%，其等效电阻值为2390Ω。为体现充电桩及电动汽车蓄电池的参数离散性，模型中各充电桩等效电阻值在2390Ω±10%范围内随机分布。

图6 基于Matlab/Simulink环境搭建的仿真模型示意图

由式10可知，三相不可控整流器注入电网的谐波中，6q±1(q=0,1,2…)次谐波远大于其他次谐波。因此，在本模型中逐步增加充电桩数量，每改变一次充电桩数量就比较一次5,7,11,13,…,23,25次实际谐波电流与允许谐波电流的大小，以确定该主变供电范围内能够接纳的最大充电桩数量。

对以下两种工况仿真，工况I：4台充电机、24台充电桩；工况II：5台充电机、25台充电桩(最后一台充电机仅接一个充电桩)。在以上两种工况下仿真得到A相电流波形及其各次谐波如图7、图8所示。

经仿真显示，工况I当接入4台充电机、24台充电桩条件下，5次谐波峰值为36.1A，在允许值37.3A(峰值)范围内；工况II当接入5台充电机、25台充电桩条件下，5次谐波峰值为为37.4A，超过了允许值37.3A(峰值)，因此，110kV蚌埠变最多可接入24台充电桩。

具体的5,7,…,25次谐波电流及其允许值如表4所示。

图7 4台充电机带24台充电桩条件下a相电流波形及各次谐波幅值

图8 5台充电机带25台充电桩a相电流波形及各次谐波幅值

表4 公共连接点注入的谐波电流值与其允许值对比 单位:A

注：为便于比较，表中电流均转化为峰值。

同理，可以分析得出蚌埠地区110kV治淮变、锥山变、星宇变、汤和变等其余44座变电站10kV母线短路容量以及可接入充电桩数量。

具体结果见表5所示。

表5 蚌埠地区配网45座110kV变电站的10kV母线接纳电动汽车充电桩数 单位:个

3 结语

本文从电动汽车接入充电桩充电引起的配网电能质量问题入手，从机理上探讨充电桩不同工况充电条件下对地区配网电压和谐波的影响与量化，并以安徽省蚌埠地区配网为例，构建理论分析模型及仿真模型，研究分析了该地区110kV配电网对于电动汽车充电桩的接纳能力，并给出了具体推荐方案。为地区配网开展与电动汽车充电设施发展的适应性研究提供一定的参考。