电气毕业论文电动汽车对电网的影响研究.doc 26页

'华北电力大学本科毕业设计（论文）电动汽车对电网的影响研究摘要随着能源日益紧张和低碳经济的需要，各国都在努力摆脱对不可再生资源的依赖，这时，电动汽车应时代要求而出现。电动汽车的出现可以降低对石油的依赖程度，并且降低碳的排放量，发展高效、清洁的电动汽车，是降低化石能源依赖性和缓解大气污染的有效途径。本文首先依据电动汽车的充电模式对汽车充电负荷进行分类。然后分析电动汽车充电负荷的特殊性对配电网负荷预测的影响，从而影响充电设施建设和配电网的规划。最后阐述谐波对电力系统的影响，对电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波进行理论分析。关键字：电动汽车；配电网；负荷预测；谐波III 华北电力大学本科毕业设计（论文）TheinfluenceofelectricvehiclesontheelectricnetworkAbstractWiththegrowingtensionandtheneedoflow-carboneconomy,thecountriesaretryingtogetridofthedependenceonnonrenewableresources,atthistime,electricvehiclesshouldbetheeraoftheemergenceof.Electricvehiclecanreducedependenceonoilandreducecarbonemissions,efficientdevelopment,cleanelectricvehicleisreducefossilenergydependenceandeffectivewaytoalleviatetheairpollution.Inthispaper,thechargingloadofelectricvehicleisclassifiedaccordingtothechargingmodeofelectricvehicle..Thenitanalyzestheimpactoftheparticularityoftheelectricvehiclechargingloadontheloadforecastofthedistributionnetwork,andthusaffectsthechargingfacilitiesandthedistributionnetworkplanning..Atlast,theinfluenceoftheharmoniconthepowersystemisanalyzed,andtheharmonicoftheelectricvehiclechargingstationisanalyzedtheoretically.Keywords:Electriccar;Distributionnetwork;Loadforecasting;HarmonicIII 华北电力大学本科毕业设计（论文）目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题研究背景及意义11.2电动汽车发展现状11.2.1国内电动汽车发展现状11.2.2国外电动汽车发展现状21.3国内外研究现状21.3.1电动汽车充电负荷31.3.2电动汽车接入对配电网的影响41.4论文主要研究内容52电动汽车负荷分类62.1电动汽车充电模式62.2影响充电负荷的因素72.3电动汽车充电负荷分类72.4本章小结83电动汽车对配电网负荷预测的影响93.1传统配电网负荷预测93.2修正配电网负荷预测103.3本章小结114电动汽车充电站接入对电网的谐波影响134.1充电机的结构134.2谐波对电力系统的影响134.3电动汽车接入对电网的谐波影响理论分析154.3.1谐波分析154.3.2电动汽车充电机谐波理论分析164.3.3电动汽车充电站谐波理论分析184.4本章小结18结论20参考文献20致谢23III 华北电力大学本科毕业设计（论文）1绪论1.1课题研究背景及意义随着人民生活水平的不断提高,人们对能源问题和环境问题的关注也在不断提高,空气污染是环境污染中特别重要的一个部分,空气污染不仅会危害人类的身体健康,还会影响植物的生长、改变地球的气候,给人类的日常生活带来非常严重的不利影响。电动汽车具备接入电网进行电能补给的能力，受到各国政府的广泛关注。在美国，能源部牵头实施了EVProject计划，通过免费为电动汽车的用户建设家用充电桩来推广电动汽车的使用。中国在2009年1月，财政部、科技部发布了《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》，提出了“十城千辆”的大规模示范应用计划。目前，电动汽车主要分为插入式混合电动汽车(plug-inhybridelectricvehicle，PHEV)和纯电动汽车(batteryelectricvehicle，BEV)。随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系统的运行与规划产生不可忽视的影响。这些影响主要包括：（1）负荷的增长。电动汽车充电将导致负荷增长，若大量电动汽车集中在负荷高峰期充电，将进一步加剧电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担。（2）电网运行优化控制难度的增加。电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性，使得电动汽车充电负荷具有较大的随机性，这将加大电网控制的难度。（3）影响电能质量。电动汽车充电负荷属于非线性负荷，所使用的电力电子设备将产生一定的谐波，有可能引起电能质量降低问题。（4）对配电网规划提出新的要求。在配电网中增加众多充电设施以及大量电动汽车充电，将改变配电网负荷结构和特性，传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车大规模接入的情景。1.2电动汽车发展现状1.2.1国内电动汽车发展现状从九十年代开始,我国部分高校、汽车研究所及生产企业联合开发电充电电池和纯电动汽车,开始了电动汽车部分关键技术的研发;进入“十五”,“电动汽车重大专项”被科技部列入“国家高技术研究发展计划(863计划)”,从而电动汽车的幵发和研究得到国家的大力支持,政府部门联合高校、企业和科研机构,重点进行新一代电动汽车的科技创新,“电动汽车重大专项”提出“三纵三横”研究开发布局,“三纵”就是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车,“三横”就是多能源动力总成控制系统、电机驱动系统、电池及电池管理系统,“十五”电动汽车重大科技专项取得的成绩,使我国成功地走出了电动汽车实现产业化的第一步;步入“十一五”,“节能与新能源汽车重大项目”又被列入“863”计划,使得我国基本形成了完整的新能源汽车研发示范布局,使我国在“十二五”期间基本可以实现电动汽车产业化的目标在2007年,国家科技部将“新型洁净能源汽车”21 华北电力大学本科毕业设计（论文）列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,电动汽车的开发也被列入《国家“十二五”科学和技术发展规划》,为加快推动电动汽车的科技发展,2012年3月27日,国家科技部印发了《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》,“纯电动汽车”成为我国新能源汽车技术发展的主要方向。1.2.2国外电动汽车发展现状在国外,石油危机和环境污染的日益严重,使世界发达国家不惜投入巨资进行研究幵发电动汽车,并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车的发展,汽车公司也投入人力、物力和财力开发电动汽车,并推出新产品来适应市场的需求。早在20世纪70年代,日本政府就将发展电动汽车列入汽车工业的产业规划,并且制定了详细的实施计划,1991年和1996年,日本通产省分别制定了“第三届电动汽车普及计划”和电动汽车购买鼓励政策[13],用于推动电动汽车的普及和应用,现在日本多款电动汽车在全球上市,在电动汽车市场拥有主导地位。美国电动汽车的研发工作起步也很早,1976年7月,美国国会通过了《电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令》,以立法、政府资助和财政补贴等方式推动电动汽车的发展,美国三大汽车公司和美国电力研究院于1991年签订协议,成立美国先进电池合作体,研究电动汽车车用先进电池[14]。德国政府积极倡导电动汽车,在2009年8月19日,颁布了《国家电动汽车发展计划》,目标是到2020年使德国电动汽车保有量超过100万[14]。法国政府与法国电力公司、雪铁龙和雷诺汽车公司签署协议,共同开发和推进电动汽车,合资组建了电动汽车电池公司。其他国家和地区也开展了电动汽车的研发工作。1.3国内外研究现状随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系的运行与规划产生不可忽视的影响。目前，对于电动汽车接入电网对配电网影响的研究可归结为以下几个方面：(1）研究电动汽车充电负荷特性和负荷需求计算电动汽车充电负荷研究涉及动力电池的充电特性、电动汽车用户的用车行为、充电方式等多种因素，是研究电动汽车对电网的影响和进行充放电调控的基础。(2）研究电动汽车接入对配电网的影响电动汽车大规模接入对配电网的直接影响是导致负荷的增长。目前的研究，包括对电动汽车发展的不同场景，分析电动汽车接入对配电网的影响，以及电动汽车充电设施规划和电网规划。影响电能质量，电动汽车充电负荷属于非线性负荷，所使用的电力电子设备将产生一定的谐波，有可能引起电能质量问题。(3）电动汽车充电机对配电网的谐波影响电动汽车的大规模接入对配电网的影响是由电动汽车通过充电机充电这个过程体现21 华北电力大学本科毕业设计（论文）出来的。充电机（站）是一种典型的采用电力电子技术的大功率非线性设备，因此电动汽车大规模接入配电网时势必会严重影响配电网的电能质量，尤其是对配电网的谐波污染。1.3.1电动汽车充电负荷（1)电动汽车动力电池特性动力电池作为连接电动汽车和电网的元件，其建模是研究充电负荷的基础。对动力电池的建模，在研究不同问题时，做一定程度的近似或简化。基于对电池比能量、效率、比功率等方面的对比得出结论，文献[2]得出结论，锂离子电池具备最佳的综合性能。文献[4]研究了动力电池的几种常用的电路模型，各种模型在精确性和复杂性上各有优劣。动力电池一般采用“先恒流、再恒压”的方式进行充电，恒流充电时间相对较长，在此期间电池端电压变化幅度很小。在分析电动汽车队配网影响时，也有采用恒功率负荷模型。（2）电动汽车运动规律国内对于电动汽车运动规律的研究一般结合中国电动汽车发展路线，将电动汽车分为公交车、公务车、出租车和私家车4类。不同种类电动汽车的用户用车行为和充电行为差别较大。文献[5]结合中国国内的实际情况对上述4类电动汽车的充电时间进行了调研，采用蒙特卡罗模拟的方法对电动汽车充电负荷分布特性进行了分析。并概括了中国电动汽车的发展规划，分为2010—2015年（公交车、出租车、公务车示范运营）、2016—2020年（公交车、出租车、公务车规模化发展，少量私家车）、2021—2030年（私家车大规模发展）三个阶段。文献[6]从充电汽车电池的初始荷电状态(initialstate-of-charge，SOC0)和车辆到达充电站时间的随机分布为出发点，提出2阶段泊松分布的电动汽车充电站集聚模型进行充电站集聚特性的模拟，并提出基于充电站的日充电负荷曲线的电动汽车充电站负荷集聚模型的建模方法。国外对电动汽车运动规律的研究偏重于研究用户驾驶行为,一般基于用户用车行为来分析用户的电动汽车充电时间和空间分布，并对充电负荷进行统计或预测。文献[7]采用的方法是利用在用户车上安装的GPS仪器，对76个用户对进行跟踪调查，研究电动汽车用户的驾驶行为，记录每天离家和回家的时间以及行驶的距离数据，提出了一种基于条件概率的预测模型。（3)电动汽车电能补充方式目前的电动汽车充电方式主要有充电和换电两种。国际电工委员会和美国汽车工程师学会等组织也制定了IEC62196标准，包括4种充电模式，并在进一步地完善[8]。中国于2011年12月发布了电动汽车充电接口和通信协议4项国家标准，规定了通过传导方式充电的标准充电电压和电流。2011年1月国家电网公司确定了“换电为主，插充为辅，集中充电，统一配送”的电动汽车服务网络发展策略，推出充电设施标准[3]。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）1.3.2电动汽车接入对配电网的影响（1）电动汽车接入对电源建设的影响电动汽车大规模接入对电力系统的直接影响是导致负荷的增长，因此电源容量是否能满足电动汽车大规模发展的必须得到保障。文献[9]分情景集研究电动汽车在不同充电方式(无序、家庭充电、谷荷充电、双向V2G)下对电网不同类型新增装机的影响。通过仿真发现，新增装机与电动汽车的充电方式直接相关，在双向V2G模式下，需要新增装机最小。（2）电动汽车接入对配电网的影响电动汽车充电不仅会影响配电网的负荷平衡，而且会给配电网带来其它问题。电动汽车的聚集性充电可能会导致局部地区的负荷紧张；电动汽车充电时间的叠加或负荷高峰时段的充电行为将会加重配电网负担。文献[10]描述了电动汽车充电负荷较常规负荷具有时空随机性强的特点，给配电网运行带来了更多的不确定性。文献[11]利用蓄电池充电特性建立了电动汽车的随机充电模型，在确定充电电动车数量的前提下假设一定区间内电动汽车在充电数量和充电时间均服从正态分布，这样就得到电网负荷曲线的调节曲线。分析得在电网用电高峰时对电动汽车蓄电池充电，不但不能对电网负荷起负荷调整作用，反而增加电网负荷，对电网造成不利影响。另外，电动汽车对配电网的电能质量和经济性也会带来影响。电动汽车的接入对配电网电能质量的主要影响包括电压下降，谐波污染和三相不平衡；在配网经济运行方面，主要是电动汽车接入后对配电网网损和配电变压器寿命的影响[1]。（3）电动汽车充电设施规划电动汽车充电设施的规划，需要充分考虑电动汽车充电负荷的时间和空间分布，权衡电网投资的经济性和电网运行的安全性。另外，未来大量充电设施如交流充电桩、充电站与换电池站布点规划的过程中，应综合考虑电动汽车车主驾驶行为、充电行为以及交通信息与现有配电网信息，实现充电设施在电网中的合理分布。文献[12]指出电动汽车充电站布局包括“需求”和“可能性”2个因素，衡量充电站需求的主要指标是交通量与服务半径2个要素，决定可能性与否关键在于交通、环保及区域配电能力等外部环境条件与该地区的建设规划和路网规划,并且充电站的设置应充分考虑本区域的输配电网现以及电动汽车的发展趋势。文献[13]提出了以投资和运行成本最小为目标，在满足电动汽车用户充电需求的前提下，协调配电网扩展规划与充电站布局的方法。文献[14]还指出充电站的设置应充分考虑本区域的输配电网现状以及电动汽车的发展趋势。换电站充电为电力系统的重要储能环节，与新能源发电相结合。文献[15]建立了电动汽车–风电协同调度的优化模型，以中国区域电网为例，分析了调度电动汽车充电以平滑电网等效负荷波动、消纳夜间过剩风电的可行性。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）（4）电动汽车有序充电有序充电指电动汽车以可控负荷的形式参与电网调控，其作为有效规避电动汽车大规模充电对电网造成负面影响的重要手段受到了广泛关注。电动汽车有序充电控制根据电网的运行状态，一般以经济性最优或对电网的影响最小为目标，综合考虑电池性能约束与用户充电需求，协调电动汽车充电过程，控制的手段为充电时间和充电功率的大小[1]。文献[16]基于已有配电网络和常规用电约束，优化电动汽车大规模接入情况下的充电功率，使之能最大限度地利用已有配电网，提高配网运行的经济性。文献[17]以使网损和充电成本最小为目标，基于网损灵敏度选择优先充电的电动汽车，提出了电动汽车实时有序充电控制策略，该策略可有效降低配电网的网损，并改善配电网的节点电压波形。并建立了基于二次规划和动态规划2种方法的有序充电模型来评估多情景下电动汽车充电对配电网的影响。文中考虑了负荷预测的误差，比较了在无电动汽车接入、电动汽车无序充电和有序充电3种情景下配电网网损的大小。仿真结果表明，电动汽车无序充电时配电网网损增加显著，有序充电时网损则增加很小。1.4论文主要研究内容此次研究的基本内容有：（1）电动汽车负荷分类目前电动汽车的充电方式主要为三种:快速充电、漫速充电、地面充电系统(直接更换电池组)；因而将电动汽车负荷分为三类:基荷、可控负荷和双向功率传输部分。我将采用这三种负荷类型确定电动汽车的整体负荷模型作为分析电动汽车接入对于配电网的影响分析的基础。（2）电动汽车大规模接入对配电网负荷预测的影响电动汽车大规模接入后会导致电网负荷侧新增大量用电设备，而这些用电设备又存在较大的随机性,会给传统负荷预测增加了新的不确定因素，因而需对传统负荷预测需要坐出相应的调整，进行相对较为准确的配电网负荷预测，对以后的配电网规划建设提供指导。（3）谐波对电力系统的影响，研究电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波影响的重要性；然后对电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波进行理论分析，分析得出充电站在为电动汽车车用电池充电的时主要产生5、7、11、13等次谐波，并分析了多台充电机充电的谐波特性，从理论上证明了电动汽车充电站在为电动汽车车用电池充电时产生的谐波特征。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）2电动汽车负荷分类电动汽车大规模使用，充电负荷接入电网，将对配电网的规划、运行以及电力市场的运营产生深刻影响。由于受诸多因素影响，充电负荷具有复杂特性。就单一车辆而言，它主要由用户出行需求决定，同时受到用户使用习惯、设备特性等因素的影响。就区域配电网而言，它还受到电动汽车数量规模、充电设施完善程度的影响。2.1电动汽车充电模式电动汽车的充电模式主要有三种：常规快速充电、常规慢速充电、地面充电系统(快速更换电池)。其中，常规快速充电系统需要在专用的电动汽车充电站进行，而专用电动汽车充电站投资大、充电功率大、对周围电网有一定的影响，所以电动汽车充电站需要统一规划建设。常规慢速充电系统则相对普遍，既可以是家用也可以是停车场等公共场所。地面充电系统充电站初期投资较大，只适合于对电力需求较高、型号相同、使用较频繁的公共交通汽车。常规慢速充电一般采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为5至8小时，甚至长达10至20小时。这种充电方式的特点：适合于夜间负荷低谷进行、参与数量较大、管理较为简洁方便。常规快速充电又称应急充电，类似于现行的汽车加油站，一般充电时间为20分钟到2个小时之间，随着充电技术的发展，这个时间会越来越短。特点:建设投资大、需要规划建设、管理较方便、可参与电网调度。地面充电系统(直接更换电池)，可以直接卸下己经耗尽的电池，更换己经充满电的电池，极大地提高汽车利用效率。特点：建设投资巨大、管理非常复杂、适宜电池规格统一的车辆、部分时间可参与电网调度。充电模式充电时间车辆利用率调度可靠性调度规模管理初期投资成本快速充电20min~2h较高高大方便高慢速充电5h~20h一般中非常大非常方便中地面充电20min~2h/5h~20h高高小复杂高表2-1电动汽车充电模式特点分析21 华北电力大学本科毕业设计（论文）2.2影响充电负荷的因素电动汽车对电力系统的影响主要通过充电负荷实现，充电负荷集中反映了电动汽车对电力系统的影响；同时，这种影响的结果很大程度上取决于充电负荷的特征。充电负荷性质复杂，主要取决于以下因素：（1）出行需求：主要指用户的行驶里程、出行时间、出行频率与出行目的等。它们决定了用户的充电时间、需求电能以及获得充电服务的情况。（2）使用习惯：反映了用户的充电偏好，使用习惯的差异会使充电负荷呈现出一定的分散性。（3）电池特性：包括电池容量、充放电速率和充放电曲线等，决定了实际的充放电功率及充电负荷曲线。（4）充电设施：决定了电动汽车是否能向电网馈送电能和充放电功率的大小。随着V2G技术的提出和推广，能量双向流动的充电设施将成为主流。同时，充电设施的完善程度将会对电动汽车的普及速度产生一定影响；充电设施的分布特性将会对系统充电负荷的空间分布产生影响。（5）电动汽车数量：决定了充电负荷的整体规模。它反映了电动汽车普及速度，与电动汽车价格、使用费用、电动汽车性能以及充电的方便性等因素密切相关。2.3电动汽车充电负荷分类电动汽车的充电模式决定了它与电网互动的模式。电动汽车接入，主要的运行策略有:基荷、可控负荷、双向电源。为了研究电动汽车对于配电网的影响，本文依据电动汽车的充电模式和影响电动汽车充电负荷的因素将电动汽车负荷分成三类：基荷、可控负荷和双向能量传输部分。为了研究的方便，再次把只能作为负荷的电动汽车分为两类：基荷，可控负荷。其中，基荷指有刚性充电需求的电动汽车，为恒功率负荷；可控负荷指可以限制其用电量的电动汽车，可以控制接入数量。如图2-1所示。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）图2-1电动汽车功率与电网功率流动图2.4本章小结通过对电动汽车充电系统的分析，说明电动汽车具有三种不同的充电模式，且各有各的充电特点和投资需求，相应的也就有不同的应用场合。电动汽车对电力系统的影响主要通过充电负荷实现，充电负荷集中反映了电动汽车对电力系统的影响；同时，这种影响的结果很大程度上取决于充电负荷的特征。充电负荷性质复杂，主要取决于以下因素：出行需求，使用习惯，充电设施，电动汽车数量等。为了研究电动汽车对于电网影响，本文依据电动汽车的充电模式将电动汽车负荷作了分类:基荷、可控负荷和双向能量传输部分。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）3电动汽车对配电网负荷预测的影响电动汽车大规模接入配电网，直接影响是导致城市用电负荷快速增长，而对整个配电网将是一次巨大的变革。电动汽车负荷的特殊性，将对配电网负荷预测产生较大影响。3.1传统配电网负荷预测负荷预测是在充分考虑一些重要的系统运行特性、增容决策、自然条件与社会影响的条件下，研究或利用一套系统地处理过去与未来负荷的数学方法，在满足一定精度要求的情况下，确定未来某特定时刻的负荷数值。负荷预测是一项规模浩大、不确定因素多且涉及领域广的系统工作。对于电力负荷预测的方法，从业者己经做了大量深入、细致的研究，并且提出了适应不同情况的方法，概况起来，主要分为两类:一类是确定性的预测方法，如单耗法、计量经济分析法、电力弹性系数法、时间序列法、回归分析法等;另一类是不确定性的负荷预测法，负荷预测过程中存在很多不确定性因素，如政策变化、经济发展状况等，针对这种情况提出了专家系统预测、模糊预测法等。通常负荷预测方法都是在特定条件下建立的顶测模型，因此都存在一定的局限性。电网负荷预测旨在提供城市的发展状况及水平，同时确定各个供电区以及整个规划区的供用电量、最大负荷、总负荷的发展水平、用电负荷的构成和负荷分布情况。电网负荷预测的主要内容为预测电网的负荷和电量，而实际预测的数据通常是取最大负荷和总电量，通常通过负荷分类来预测，所以可以分为最大负荷、总电量、分类最大负荷、分类电量四类预测量。这四类预测量之间的关系如下。（1）通过总电量和最大负荷（总负荷）可以计算分类最大负荷利用小时数，即：(3-1)其中，为最大负荷利用小时数，为总电量，为最大负荷；（2）分类总电量和最大负荷（总负荷）可以计算分类最大负荷利用小时数，即：(3-2)其中，为第h类最大负荷利用小时数，为h类负荷总电量，为第h类最大负荷；（3）各类分电量相加即得总电量，即：(3-3)其中，H为负荷类型总量；（4）分类负荷合并为总负荷的时候，需要乘以负荷同时率，即：(3-4)其中，为负荷同时率。若采用向量的形式来表示个分类负荷与总负荷之间的关系，即为21 华北电力大学本科毕业设计（论文）。其中，为各分类负荷分向量，即各类负荷的最大负荷预测值；为规范化分类负荷的H负荷向量矩阵；为第h类负荷规范化日负荷曲线向量；为t时刻第h类负荷对应其最大负荷的值，因此，即。具体的实现途径如图3-1。图3-1负荷预测具体实现途径3.2修正配电网负荷预测大规模电动汽车的接入，给传统负荷预测增加了新的不确定因素。电动汽车接入会改变负荷曲线的形状，负荷指标也会有所变化，因而传统负荷预测需要做出相应的调整。电动汽车的充电模式不同，所对应的负荷密度也不相同。这就涉及到如何给中电动汽车负荷进行归类或者修改其他负荷类型的密度指标问题。依据充电模式的不同，电动汽车典型负荷密度指标如下表3-1充电模式充电时间充电电流大小充电电压充电机数量负荷密度指标是否为独立用地性质快速充电20min~2h250A~400A400V6-10台大是慢速充电5h~20h10A~15A220V>10台小否地面充电20~2h/5h~20h10A~15A/250A~400A400V>10台大是表3-1电动汽车典型预测具体实现途径21 华北电力大学本科毕业设计（论文）电动汽车充电设施的建设引起配电网负荷密度发生变化，新的用地性质将会出现，负荷点的变动将影响变电站的布点，而变电站的布点将反过来影响充电站的位置，所以电动汽车充电站的规划应与配电网规划同时进行。由表3-1可知，电动汽车快速充电的负荷密度指标非常大，需要专项规划，避免出现供电不足等现象。另外，电动汽车大规模接入配电网，若不加以控制，将导致电网瞬时功率非常大，且需要更多的备用容量，导致降低电网的供电可靠性。由于电动汽车充电设施建设的位置不同，不同充电模式的负荷密度指标差别很大，所以不能将电动汽车归为一类。电动汽车快速充电站和地面充电系统一般都作为独立用地性质建设的，所以采用这两种充电模式的电动汽车可以归为一类，而普通慢速充电设施一般都建立在居民小区或是停车场等公共场合，所以采用慢速充电的电动汽车充电负荷需与其他负荷组合为一类。经过修正后的城市电网负荷预测实现途径如图3-2。图3-2负荷预测修正后的实现途径3.3本章小结21 华北电力大学本科毕业设计（论文）配电网负荷预测旨在提供城市的发展状况及水平,同时确定各个供电区以及整个规划区的供用电量、最大负荷、总负荷的发展水平、用电负荷的构成和负荷分布情况。电动汽车大规模接入后会导致电网负荷侧新增大量用电设备，而这些用电设备又存在较大的随机性,会给传统负荷预测增加了新的不确定因素，电动汽车接入会改变负荷曲线的形状,负荷指标也会有所变化。因而传统负荷预测需要做出相应的调整。电动汽车的充电模式不同,所对应的负荷密度也不相同，所对应的负荷密度也不同。这就需要我们通过对电动汽车负荷进行合理的负荷分类或修改其他负荷类型的密度指标来进行相对较为准确的配电网负荷预测，对以后的配电网规划建设具有重要的指导作用。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）4电动汽车充电站接入对电网的谐波影响本章主要研究充电站为电动汽车车用电池充电时产生的谐波对电力系统造成的影响，这是因为电动汽车充电站中的充电机是由整流器、直直变换器等电力电子装置组成的，这些电力电子装置在整流和变换过程中会向电网注入谐波，对电网会造成一定的谐波污染，降低电网的电能质量，因此十分必要研究电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波影响。本章最初介绍谐波给电网带来的影响，然后进行充电机充电过程中向电网注入谐波的理论分析。4.1充电机的结构大功率纯电动汽车充电机的一般结构框图如图4-1所示，三相电网输入交流电，经过三相桥式不可控整流电路整流变成直流电，滤波后提供给高频DC-DC功率变换器，功率变换器经过直直变换输出需要的直流，再次滤波后为纯电动汽车蓄电池充电。其中，高频DC-DC变换频率在20kHZ以上，在这里即可起隔离作用，同时减小变压器和滤波器等设备的体积，也可提高滤波效果和充电机效率。图4-1充电机一般结构框图4.2谐波对电力系统的影响在理想电网中，电流和电压都是正弦，但是由于谐波电压和谐波电流的出现和注入，使得公用电网并没有那么理想，电压和电流均出现了畸变，这必然会引起各种故障和事故的发生，谐波污染的严重性已得到人们的高度重视，因此需要分析谐波对电力系统的危害。谐波对电力系统的影响主要有以下几点：1)21 华北电力大学本科毕业设计（论文）谐波会增加设备（输电线路、旋转设备、电力变压器、电容器等）的附加损耗，造成电能浪费，降低设备的经济性。对输电线路而言，谐波频率是基波频率的整数倍，谐波的存在将会使线路的电阻增大，谐波在集肤效应和邻近效应的作用下，增大了线路的附加损耗；旋转设备的铁心和绕组会由于谐波频率比较高而增大涡流损耗、磁滞损耗，缩短旋转设备的寿命，降低旋转设备的效率；谐波电流还会增加电力变压器的铜损、铁损和杂散损耗，降低变压器的实际使用容量，使变压器在使用过程中产生的噪声增大；谐波增大了电容器的损耗系数，增大了电容器的附加损耗。1)谐波对设备（输电线路、旋转设备、电容器）造成的损坏，引发供电事故的发生。谐波使输电线路的损耗增大，导体的发热加重，加剧输电线路的绝缘老化，而且谐波容易在线路中形成谐振，产生过电压或过电流，导线会承受很大的电动力，严重时导致导体变形甚至损坏；旋转设备中存在共振的可能性，当谐波频率和机械频率重合发生谐振后，增大了旋转设备的机械应力，严重时造成旋转设备损坏；当谐波电压加在电容器两端之后，谐波能够导致电感和电容发生谐振，使谐波被放大，增大电容器流过的电流，使电容器的温度升高甚至达到不允许的地步引起爆炸，缩短了电容器的使用寿命。2)谐波引起自动装置和继电保护装置拒动或者误动，降低装置的选择性和可靠性，严重时将威胁电网的安全稳定运行，造成大面积停电事故。自动装置和继电保护装置的整定值小、灵敏度高，当谐波注入电网后，引起系统谐振，使电网谐波电压升高，引发系统故障，造成自动装置和继电保护装置误动；在输电线路中广泛采用电力线载波纵联保护，谐波通过电磁耦合在电力线路上产生干扰电压，从而影响电力载波通信的正常工作，使继电保护装置的闭锁设备无法工作，从而无法判断是否动作，这必然造成继电保护装置动作失误。3)谐波降低通信质量，产生噪声干扰，甚至使通信系统无法正常工作。电力线路流过奇次谐波后，通过电磁耦合在邻近的通信线路上产生干扰电压，从而影响通信系统的正常工作，降低通话质量，谐波还会和基波共同作用，产生电磁噪声，降低通话清晰度，通信质量的降低还会进一步影响电网运行的安全性。4)谐波对计量仪表和用电设备的影响。谐波会加大计量仪表的误差，使仪表指针指示不准确，使用户的用电量增多，造成用户多缴纳电费；谐波还会使计算机等设备的画面、亮度变得模糊，影响显像设备的影像质量，造成元件发热增加，使元件老化加剧，使设备的使用寿命严重缩短。5)降低电网的电能质量，影响电网的安全运行。电能质量由电压质量、频率质量和畸变率三部分组成，畸变率是通过计算基波和谐波的比例得来的，谐波含量越高，畸变率越高，畸变率过高将使电网的安全运行能力严重降低。世界各国和组织都对谐波问题进行了认真的研究，多次召开有关谐波问题的国际学术会议，制定相关标准等，目的是降低谐波造成的危害。我国从1985年起，也开始起草制定谐波国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，并于1994年3月起实施，标准规定所有负荷接入电网之前都必须满足谐波要求。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）4.3电动汽车接入对电网的谐波影响理论分析4.3.1谐波分析谐波是指对周期性非正弦量进行傅里叶级数分解而得到除了频率与工频分量相同之外的其他分量，把一个复杂的周期函数看成是许多不同频率的周期函数的叠加。对于周期为的非正线电压，可以进行傅里叶级数分解，得到一个收敛的无穷三角函数（即傅里叶级数）：，2-(1)式中：，2-(2)其中常数项称为的直流分量；称为一次谐波（又称基波分量），其频率与原函数的频率相同；，，…依次称为二次谐波，三次谐波，…n次谐波幅值为，n次谐波角频率为，n次谐波相位角为。n次谐波含有率（HarmonicRatiofor）为，2-(3)电流谐波含量为，2-(4)谐波总畸变率（TotalHarmonicDistortion）为，2-(5)式中：为基波电流幅值，为n次谐波电流幅值。4.3.2电动汽车充电机谐波理论分析目前使用的电动汽车充电机一般是高频充电机，这种充电机由三相不可控整流环节、滤波环节和DC/DC变换环节（有高频变压器）等构成，充电机由三相不可控整流装置对输入的交流电进行整流，输出的直流电滤波后再经过高频DC/DC功率变换单元进行直直变换，最后经过输出滤波环节后，为电动汽车动力蓄电池提供充电电源。设电网电压分别为：；；；2-(6)21 华北电力大学本科毕业设计（论文）以、和表示整流装置中二极管的开关函数，其中表达式和傅里叶级数表达式为：2-(7)当分别以和代替式中的时，即可分别得到和的傅里叶级数表达式：，2-(8)，2-(9)由此可得整流装置输出电压为：，2-(10)其中，、为整流装置输出电压的直流分量和谐波分量。将式2-(6)、2-(7)、2-(8)和2-(9)代入式2-(10)中，可得：，2-(11)整流装置直流侧电流可以表示为：，2-(12)2-(13)其中，、分别为直流阻抗和n次谐波阻抗，且，21 华北电力大学本科毕业设计（论文）。将式2-(7)、2-(8)、2-(9)、、和式2-(11)代入2-(12)中，可得：系统为三相平衡系统，充电机的a、b、c三相电流波形为正负半周各宽、前沿相差且相位依次相差的矩形波，其有效值为：，其中为整流装置直流侧电流。对a相电流进行傅里叶级数分解。从上述分析，可以看出交流侧谐波主要有以下特点：1)经过高频充电机的整流器对交流电进行整流输出后，整流装置主要产生5、7、11、13等次谐波，即交流电的充电电流波形主要是由基波和次谐波构成的；2)随着谐波次数的升高，整流器交流侧谐波电流的幅值逐渐降低，因此在谐波之中幅值最大的是5次谐波，其次是7次谐波，再次是11次谐波，即随着谐波次数中k的增大，幅值减小；3)a、b、c三相电流的基波电流和谐波电流的有效值与a、b、c三相电压有效值U、滤波电路的电感、电容和充电电池的等效输入阻抗有关。4)基波和各次谐波的有效值之间的关系会随着负载和滤波电感的变化而变化，谐波有效值与负载和滤波电感是负增长关系。4.3.3电动汽车充电站谐波理论分析充电站中会建设多台充电机为电动汽车充电，因此在电动汽车充电过程中，充电站从电网吸收的电流和功率是同时工作的充电机吸收的电流和功率的总和。将表示为充电机输出功率的函数：2-(15)，其中：，2-(16)由式2-(15)可知，随着电动汽车充电的进行，充电机的输出功率会发生变化，而输出功率的变化引起输入谐波电流的幅值和相角的变化。而如果多辆电动汽车在不同时刻进行充电，充电站中的谐波将与单台充电机工作时的结果不同，充电站中N台充电机同时工作时的电流为：，2-(17)21 华北电力大学本科毕业设计（论文）由式2-(17)可知，多辆电动汽车在不同时刻进行充电，充电站中将会发生同次谐波相互抵消的现象，特别是对于高次谐波，这使充电站的电流总畸变率降低。4.4本章小结本章首先阐述了谐波对电力系统的影响，说明了研究电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波影响的重要性；然后对电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波进行理论分析，分析得出充电站在为电动汽车车用电池充电的时主要产生5、7、11、13等次谐波，并分析了多台充电机充电的谐波特性，从理论上证明了电动汽车充电站在为电动汽车车用电池充电时产生的谐波特征。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）结论本文分析了电动汽车的充电模式，确定了电动汽车的负荷类型，分析了电动汽车这种特殊负荷对配电网负荷预测的影响和电动汽车大规模接入对配电网电能质量的影响。针对电动汽车接入对电网的影响中几方面进行了较为深入的研究，主要内容如下：（1）分析了电动汽车的充电模式和影响电动汽车充电负荷的因素将电动汽车负荷分成三类：基荷、可控负荷和双向能量传输部分。（2）电动汽车大规模接入后，由于电动负荷的特殊性，会给传统负荷预测增加了新的不确定因素，研究配电网负荷预测方法需做出的相应调整。（3）阐述了谐波对电力系统的影响，说明了研究电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波影响的重要性；然后对电动汽车充电站接入电力系统产生的谐波进行理论分析。21 华北电力大学本科毕业设计（论文）参考文献[1]胡泽春，宋永华，徐智威，罗卓伟，占恺峤，贾龙.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报，2012，,32（4）：1-10.[2]孟良荣，王金良．电动车电池的现状及发展趋势[J]．电池工业，2006，11(3):1-5.[3]高赐威，张亮.电动汽车充电对电网影响的综述[J].电网技术，2011，35(2):1-5.[4]EinhornM，ConteV，KralC，etal．Comparisonofelectricalbatterymodelsusinganumericallyoptimizedparameterizationmethod[C]．Chicago：IEEE，2011：1-7．[5]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，2011，35(14)：36-42．[6]郑竞宏，戴梦婷，张曼，等.住宅区式电动汽车充电站负荷集聚特性及其建模[J].中国电机工程学报，2012，32（22）：32-38[7]AshtariA，BibeauE，ShahidinejadS，etal．PEVChargingprofilepredictionandanalysisbasedonvehicleusagedata[J]．IEEETrans.onSmartGrid，2011[8]陈宗璋，吴振军.电动汽车技术_6_电动汽车充电站建设[J]．大众用电.2008(6):34-36[9]YuXiaolong．ImpactsassessmentofPHEVchargeprofilesongenerationexpansionusingnationalenergymodelingsystem[C]：ConversionandDeliveryofElectricalEnergyinthe21stCentury．Pittsburgh：IEEE，2008：1-5．[10]陈玉进．电动汽车充电设备特点及对电网影响探讨[J].湖北电力，2009,33（6）:1-3[11]雷黎，刘权彬．电动汽车使用对电网负荷曲线的影响初探[J]．电机技术，2000(1)：37-39[12]康继光，卫振林，程丹明，等．电动汽车充电模式与充电站建设研究[J]．电力需求侧管理，2009，11(5)：64-66．[13]杜爱虎，胡泽春，宋永华，等．考虑电动汽车充电站布局优化的配电网规划[J]．电网技术，2011，35(11)：35-42[14]徐凡，俞国勤，顾临峰，等．电动汽车充电站布局规划浅析[J]．华东电力，2009，17(10)：1678-1682．[15]于大洋，宋曙光，张波，等．区域电网电动汽车充电与风电协同调度的分析[J]．电力系统自动化，2011，35(14)：24-29．21 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