大规模电动汽车接入的电力系统稳定性分析图「大规模新能源并网对电网的影响」

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摘 要： 随着电动汽车技术成熟度的不断提高，特别对环境保护要求的不断提高,电动汽车有逐步取代燃油汽车的趋势。大量电动汽车投入使用之后必然会带来大量的充电负荷，其随机充放电行为将为城市电网的安全稳定运行带来新的挑战，采用分块解耦动态仿真作为工具，对考虑大规模电动汽车接入的电力系统稳定性进行分析，不仅可以提高稳定性分析结果的精度，还可以通过先验仿真得到电池集中充电站最优接入方案，从而提高电力系统的稳定性。

0 引言

随着全球能源日趋紧张，生态环境日益恶化，关于新能源汽车的开发与应用问题已成为各国汽车工业积极探索的焦点，电动汽车以其清洁、环保、廉价的特点，受到了广泛关注[1]。新能源汽车产业的发展离不开政策的支持，尤其对于中国来说，政策的导向性十分明确。第一批新能源汽车推广应用城市新能源汽车的发展已经由“示范应用”向“推广应用”正式过渡，按照“十二五” “十三五”发展计划，电动汽车在10年期间会形成足够大的规模，大规模电动汽车接入之后必然会带来大量的充电负荷[2]。

电力系统地域广、涉及元件多、相互之间耦合紧密，而随着电动汽车使用数量增加,电动汽车充电设备的规模化接入，电力系统结构和动态过程将会更加复杂，使得采用电力系统数值仿真对电力系统稳定性进行分析时变得更加困难[3]。

目前，考虑大规模电动汽车接入后对电力系统影响的研究已经展开，文献[4]对电动汽车充放电给电力系统带来影响相关研究进行了综述，并展望了相关领域的下一步研究工作；文献[5]对电动汽车充电负荷与调度控制策略进行了综述，指出了尚未解决的问题和可能的研究方向；文献[6]对电动汽车电池集中充电站接入后的电力系统稳定性进行了分析。

以上研究及综述均未对考虑大规模电动汽车接入后使得电力系统数值仿真难度增大的问题进行解决，因此本文以分块解耦动态仿真作为工具，并采用以考虑节点支路密度的网络分块算法，可以有效解决上述问题，从而提高电力系统动态仿真在对电力系统稳定性进行分析时的精度，并通过先验仿真得到电池集中充电站最优接入方案，保障电力系统的安全可靠运行。

1 电动汽车入网技术

本节将先介绍电动汽车的分类及补给形式，最后介绍电动汽车的几种入网技术，作为分析大规模电动汽车接入后电力系统稳定性的基础。

1.1 电动汽车的分类

电动汽车根据消耗能源的不同，可分为纯电动汽车、插电式混合动力电动汽车及燃料电池电动汽车三类。其中，纯电动汽车完全靠电能驱动；插电式电动汽车采用汽油和电能驱动；燃料电池电动汽车则以清洁燃料发出电能驱动。由于续航能力受电池容量所限，纯电动汽车尚未大规模普及，但随着电池技术的不断发展，纯电动汽车是未来发展的趋势；插电式电动汽车采用两种能源，在提高能效的同时，使用方便、灵活，已具有相对成熟的技术，逐渐进入产业化的阶段[7]。本文针对前两种进行研究，它们需要从电网汲取电能，具有充电行为。

1.2 电动汽车的补给形式

电动汽车的主要补给形式有充电桩、充换电站和电池集中充电站。大量电动汽车投入使用之后必然会带来大量的充电负荷，电动汽车行业发展稳定后，大量分散在城市各处的充电桩和充换电站对电能能够进行及时的补充。在国家电网公司“换电为主，插充为辅，集中充电，统一配送”的指导思想下，电池集中充电站作为一个重要的补给中心被提出。

几种补给形式中，充电桩由于工作电压电流均较低,带来的影响也较小。而换电站由于不具备充电功能,因此换电站本身与电网并无联系,储备的电池需要送往电池集中充电站进行充电[8]。电池集中充电站的负荷要远远大于其他形式,因此对于电网稳定性的影响比其他形式的负荷更明显，在运用电力系统动态仿真对电力系统进行分析与控制时要考虑其影响。

1.3 电动汽车入网技术

电动汽车的入网技术以车辆的蓄电功能及电池的充放电功能为基础，支持智能电网(Smart grid)工作的一种应用方式。目前的入网技术有以下三种

(1)吸收非主流发电形式(火电、水电、核电以外的发电形式)所生产的剩余电力，即作为电网的缓冲容量(G2V，Grid to Vehicle)，这项功能主要用来缓解电网中用电高峰和低谷所带来的波动，减轻电网调解、调度的压力。

(2)由车辆或电池向电网供电，即用电动汽车技术来支撑电网的容量不足(V2G，Vehicle to Grid)。

(3)作为停电时面向家庭供电的电源(V2H，Vehicle to Home)这项功能主要用来应对洪水、地震及火灾等大规模灾害。当公共供电系统受损无法正常提供电力时，使用车载电池向家庭供电，以维持家庭的正常生活。

技术(3)对电网影响较小，因此本文在计及大规模电动汽车接入后的影响时主要针对前两种技术。

2 电力系统动态仿真

电力系统是由锅炉、汽轮机、水轮机、反应堆、发电机等生产电能的设备，变压器、电力线路等变换、输送、分配电能的设备，电动机、电灯、电热电炉等各种消耗电能的设备，以及测量、保护、辅助控制装置及能量管理系统所组成的统一整体，是一个十分庞大而复杂的研究对象[9]，在研究考虑大规模电动汽车接入的电网稳定性分析，需要把电动汽车相关的元件模型加入其中。

电力系统仿真是帮助我们认识、分析电力系统规律性并进行控制的有效工具[10]，它可以在实验室中对复杂系统的行为进行模拟，其具有无破坏性、经济性和易控制等优点，被广泛应用于辅助决策、方案比较、辅助设计、计划优化及管理调度等方面。

按照仿真过程的不同，电力系统仿真通常分为:电磁暂态过程仿真、机电暂态过程仿真和中长期动态过程仿真三种[11]。本文研究的是机电暂态过程中的电网的暂态稳定分析。

在进行暂态稳定分析时，发电机采用忽略定子回路电磁暂态过程的五阶实用模型；励磁系统采用可控硅励磁调节器的三阶模型（调节器一阶、励磁器一阶、励磁电压软反馈一阶）；计及原动机及调速器动态；负荷采用补给基于V2G模式的电动汽车、电池负荷模型；电力网络采用节点导纳阵表示的准稳态模型。图1为系统各类元件之间的联系。电力系统元件和参数众多，系统中各元件之间有着很强的耦合关系，每个元件的模型和参数都可能对动态仿真的结果有一定程度的影响，如果有模型参数存在误差会影响电力系统动态仿真的精度。美国西北太平洋国家实验室最早将同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit，PMU)的量测数据与传统仿真模型相结合，将复杂的系统分块解耦后再进行动态仿真，为正确认识并提高仿真可信度提供了有力的工具[12]，此后，国内研究者也对该问题开展了相关研究工作。下一节将针对此问题采用分块解耦动态仿真方法进行解决。

3 分块解耦动态仿真

本节将对分块解耦动态仿真进行详细介绍，并采用考虑节点支路密度的网络分块算法对系统进行分块解耦。

3.1 分块解耦动态仿真原理

3.1.1 分块解耦动态仿真模型

如果电力系统的动态模型被视为一个黑箱系统，则分块解耦动态仿真方法在边界母线处注入的实测数据相当于注入这个黑箱的输入，解耦仿真得到的仿真结果相当于黑箱的输出。图2所示是一个已知边界母线实测数据的解耦仿真系统，通过边界母线的实测数据将研究系统与外部系统解耦。

电力系统分块解耦仿真利用PMU的量测数据将系统解耦成若干个子系统，只对其中一个子系统进行研究，外部系统只需计及对研究系统的影响，对其内部不必详细描述，在边界母线处注入的PMU实测数据代替发电机或者电池集中充电站仿真模型，外部系统对研究系统的影响就以动态数据的形式反映出来。

3.1.2 分块解耦动态仿真的数学描述

本小节通过对分块解耦动态仿真进行数学描述，分析了系统解耦的原理。

分块解耦动态仿真方法先从大系统中分解出待研究的规模较小的子系统，当只研究电池集中充电站仿真模型参数时，可将其设为子系统。再将PMU量测得到的数据注入到边界母线处实现解耦。将待研究的子系统定义为内网，外部系统定义为外网，内网和外网之间通过边界节点相连。I、B和E分别代表内网、边界节点和外网，它们组成的电力网络用导纳阵描述的网络方程如式（1）所示：

电力系统动态特性可以用式(2)的微分代数方程组来描述：

式（2）中，x={x1，x2，…，xM}为系统的状态变量，y={y1，y2，…，yN}为系统的代数变量，f和g分别包含M个和N个方程。

分块解耦动态仿真的实质是减少式（2）中需要求解的微分代数方程的个数。如果系统实际运行中，边界母线代数变量的值能被PMU测得，则解耦后不再需要求解外网的网络方程（式（2）中的代数方程），外部系统中动态元件的差分方程（式（2）中的微分方程）也不需要求解。此时，内网的网络方程可用式（3）表示：

实测数据直接注入的方法，每一仿真步长内式(3)中边界节点的B都已知，将内网的网络方程与动态元件的方程联立就可以进行动态仿真计算，边界母线处实测数据代替外部仿真模型与要研究的电池集中充电站仿真模型进行交替仿真，不需要将外部系统等值成新的元件。

3.2 网络分块算法

合理的网络分块算法应该通过设置尽量少的边界母线将大规模系统解耦成尽量多的子系统，而让每一个子系统包含尽量少的动态元件，从而以最小的代价提高动态仿真精度。

节点和支路是描述网络拓扑结构的重要元素，分块解耦动态仿真中，研究系统与外部系统之间通过节点相连接。支路是仿真耦合的桥梁，而网络分块算法通过减少支路将网络解耦，所以应该优先选出节点支路密度大的节点。这里的支路密度指连接到同一节点的支路的数量。如式（4）所示，当网络中有n个节点时，可形成如下的n×(n 1)维的矩阵。

上式矩阵中每行的最后一列为与某一个节点直接相连的支路的数量，即这个节点的支路密度。网络分块算法的流程如图3所示。

上述网络分块过程中，由于节点N已配置了PMU，节点电压、相连的支路的功率、电流均可以量测得到，在下次寻找最优先配置PMU节点时不需要加入支路密度的计算，因此将节点N相连的支路去掉。另外每次去掉与节点N相连的支路后，需去掉只包含一个动态元件的子系统。

4 算例

当电力系统中配置了电动汽车电池集中充电站时，由其仿真模型构成的子系统可以等同于其他电力系统元件进行分块解耦，通过将PMU数据注入可以得到更精确的电池集中充电站仿真模型及参数，使电力系统动态仿真结果更加可靠。另外，在得到了电池集中充电站仿真模型及参数后可以进行先验仿真，先验仿真的结果可以评估电动汽车电池集中充电站在不同地点安装时对电网稳定性的影响，起到有效的指导作用。

本节以图4所示新英格兰10机39节点系统为例，介绍考虑节点支路密度的网络分块算法。

考虑节点支路密度的网络分块算法进行PMU的最优配置，从节点1开始，对各个节点的支路密度进行计算，结果如表1所示。

根据表1，在表中列出的7个节点上设置PMU，进行网络分块得到图5所示的结果。

算例系统设置了7个PMU后被分为了16个子系统，每个子系统内最多存在4个动态元件。分块解耦后大大减小了系统的耦合程度，使得进行动态仿真验证的难度大大降低。

对于已经配置了PMU的实际系统来说，也可以通过考虑节点支路密度的网络分块算法在已经安装了PMU的母线中选出边界母线，进行分块解耦动态仿真。

5 结语

随着电动汽车的逐渐普及，电动汽车所带来的充电负荷会对电力系统稳定性的影响也会逐渐增大，因此有必要再考虑大规模电动汽车接入的情况下对电力系统的稳定性进行研究，本文提出的分块解耦动态仿真方法可以得到可靠的电力系统稳定性分析结果，并得出电池集中充电站最优接入方案，保证电力系统的安全稳定运行。

参考文献

[1] 宋永华，阳岳希，胡泽春.电动汽车电池的现状及发展趋势[J].电网技术，2011(4)：20-22．

[2] 胡泽春，宋永华，徐智威，等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].电网技术，2012(4)：38-40．

[3] KOSTEREV D N，TAYLOR C W，MITTELSTADT W A．Model validation for the August 10，1996 WSCC system outage[J].IEEE Trans.on Power Systems，1999，14(3)：967-979．

[4] 马玲玲，杨军，付聪，等.电动汽车充放电对电网影响研究综述[J].电力系统保护与控制，2013，41(3)：141-142.

[5] 王锡凡，邵成成，王秀丽，等．电动汽车充电负荷与调度控制策略综述[J]．中国电机工程学报，2013，33(1)：1-3．

[6] 杨铎.计及电动汽车电池集中充电站接入的电网稳定性分析[D].北京：华北电力大学，2014.

[7] 中华人民共和国科技部.电动汽车科技发展“十二五”专项规划[EB/OL].[2012-08-07].http：//www.gov.cn/zwgk/2012-04/20/content_2118595．

[8] 钱科军，周承科，袁越.纯电动汽车与电网相互关系的研究现状[J].电网与清洁能源，2010(11)：1-7.

[9] 贺仁睦.电力系统动态仿真准确度的探究[J].电网技术，2000，24(12)：1-4.

[10] 汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展[J].电力系统自动化，2002，26(17)：66-70．

[11] 伍双喜，吴文传，张伯明，等.用PMU量测设置V-θ节点的混合动态仿真验证策略[J].电力系统自动化，，34(17)：12-16.

[12] HUANG Z，NGUYEN T，KOSTEREV D，et al.Model validation of power system components using hybrid dynamic simulation[C].Conference on Transmission and Distribution Conference and Exhibition，2006.