姚岳，呂晨旭，周茜

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西忻州034000）

電動(dòng)汽車(chē)對(duì)低壓變壓器的影響分析

姚岳，呂晨旭，周茜

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司，山西忻州034000）

指出隨著國(guó)家在推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)（EV）及其充電站的過(guò)程中充電技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，EV在充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊負(fù)荷，這樣會(huì)影響到站端低壓變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)接入狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析了充電過(guò)程中產(chǎn)生的低壓變壓器損耗以及變壓器兩側(cè)電壓的波動(dòng)情況。結(jié)果表明電動(dòng)汽車(chē)的接入量對(duì)變壓器的損耗值、低壓側(cè)的電壓有著不同的影響；充電時(shí)間以及充電機(jī)到變壓器的距離影響著變壓器高壓側(cè)的電壓變化。

電動(dòng)汽車(chē)；低壓變壓器；電壓變化

0 引言

隨著國(guó)家大力推行電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)充電站的建立已是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)EV（Eletric Vehicle）需要電網(wǎng)對(duì)其充電時(shí)，充電站的作用是將電能轉(zhuǎn)換為維持汽車(chē)?yán)^續(xù)行駛所需要的化學(xué)能，是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力的補(bǔ)給[1-2]。智能電網(wǎng)SG（SmartGrid）在發(fā)展中就兼顧了EV與SG之間的雙向互動(dòng)的特性（即充放電）。由此可見(jiàn)，EV充放電站將在SG的建設(shè)中發(fā)揮更大的作用，EV對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷特性等方面的影響將會(huì)更加明顯。為了分析EV對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響程度需要研究與之相關(guān)的充電技術(shù)，這樣既有利于站端的優(yōu)化設(shè)計(jì)，又對(duì)SG的快速發(fā)展有著巨大的推動(dòng)促進(jìn)作用。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電模式

現(xiàn)階段，單向充電是EV充電方式中比較常見(jiàn)的模式，在電網(wǎng)眾多的用電設(shè)備中EV作為比較特殊的一環(huán)，在該模式下經(jīng)由電網(wǎng)終端的充電機(jī)進(jìn)行充電。北京奧運(yùn)會(huì)期間使用的電動(dòng)汽車(chē)就采用了單向變流的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自行充電。當(dāng)EV成規(guī)模地投用于日常生活中時(shí)，在電網(wǎng)用電高峰時(shí)段相當(dāng)于大的用電負(fù)荷，此時(shí)這種充電模式對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰極其不利。該模式的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 單向充電模式示意圖

2 智能電網(wǎng)中電動(dòng)汽車(chē)可實(shí)現(xiàn)的功能

2.1 移峰填谷

當(dāng)EV逐漸成為日常工作生活中不可缺少的必需工具時(shí)，它所具有的雙向負(fù)荷以及可移動(dòng)的儲(chǔ)能單元等特性在SG發(fā)展中體現(xiàn)著重要的調(diào)節(jié)作用。在白天的用電低谷時(shí)段EV可作為用電負(fù)荷使用達(dá)到吸收電能的作用，在晚上的用電高峰時(shí)段EV可通過(guò)充放電站向電網(wǎng)傳輸電能。這樣的充放電設(shè)計(jì)可以最大程度地開(kāi)發(fā)EV的儲(chǔ)能能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用戶(hù)日常開(kāi)銷(xiāo)、減少電廠調(diào)峰投資、降低調(diào)峰電廠的閑置率、實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的移峰填谷。

2.2 調(diào)頻

為使運(yùn)行中的系統(tǒng)發(fā)出的功率和負(fù)荷吸收的電能處在平衡的水平之上，需總體調(diào)控電網(wǎng)頻率的變化波動(dòng)，而電網(wǎng)負(fù)荷大小的改變就直接影響著頻率的變化。在用電的高峰時(shí)期，電網(wǎng)頻率降低，可通過(guò)EV對(duì)電網(wǎng)輸送電能調(diào)節(jié)頻率，在低谷時(shí)段電網(wǎng)頻率升高，通過(guò)作為負(fù)荷的EV吸收電能進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且EV具有極快的響應(yīng)速度，這樣的功效可以作為傳統(tǒng)調(diào)頻電廠的補(bǔ)充。并且EV放電時(shí)可視作為一種獨(dú)立于系統(tǒng)的分布式電源，當(dāng)其規(guī)模發(fā)展時(shí)，大量EV的使用均能參與到電能的雙向傳輸服務(wù)之中。可見(jiàn)，EV調(diào)頻功能的實(shí)現(xiàn)極大地提高了電網(wǎng)對(duì)頻率調(diào)整的響應(yīng)速度。

2.3 用作應(yīng)急電源

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)臨時(shí)性的中斷電源等緊急情況時(shí)，EV可通過(guò)雙向傳輸功能的實(shí)現(xiàn)來(lái)保證電網(wǎng)對(duì)重要負(fù)荷的持續(xù)供電，這樣不僅節(jié)省了電網(wǎng)對(duì)應(yīng)急供電裝置的投入資金，更重要的是可及時(shí)恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行中重要的資料數(shù)據(jù)用于備份，確保電網(wǎng)不受斷電的影響。可見(jiàn)，當(dāng)EV作為應(yīng)急電源使用時(shí)可大大提高電網(wǎng)供電的可靠性。

2.4 接納新能源發(fā)電

在SG的規(guī)劃建設(shè)中，諸如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)是其中重要的一環(huán)，新能源發(fā)電具有波動(dòng)性（如受時(shí)間的影響），這樣接入電網(wǎng)會(huì)造成頻率出現(xiàn)波動(dòng)，會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行的穩(wěn)定性。這時(shí)作為可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸功能的EV就可以平抑新能源接入所產(chǎn)生的功率波動(dòng)，減少調(diào)峰機(jī)組，降低電網(wǎng)總體投資。

隨著SG的發(fā)展建設(shè)，當(dāng)EV規(guī)?；l(fā)展之后，具有移峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻、應(yīng)急供電、平抑?jǐn)_動(dòng)等功能，并且最大程度地實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的合理分配和利用，使得EV在雙向模式下達(dá)到傳統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性和高效性[3-6]。

3 變壓器損耗介紹

由于在多級(jí)電網(wǎng)中變壓器數(shù)量多容量大，所以在電能的傳輸中變壓器所產(chǎn)生的電能損耗值也較大。變壓器的鐵耗是空載電流所產(chǎn)生的有功損耗，也是變壓器的空載損耗。變壓器銅耗是短路電壓所產(chǎn)生的有功損耗，也是變壓器繞組的總損耗。變壓器的損耗還包括漏磁損耗等，但是在電網(wǎng)損耗的研究中以銅耗和鐵耗為主要損耗[7-10]。

3.1 雙繞組變壓器

雙繞組變壓器的等值電路圖可近似為“?！毙碗娐罚颂幹谎芯苛穗p繞組變壓器的鐵耗和銅耗，如圖2所示。

圖2 變壓器Γ型等效電路

變壓器繞組支路產(chǎn)生的損耗為

變壓器勵(lì)磁支路產(chǎn)生的損耗為

式中：I——?dú)w算到高壓側(cè)的變壓器負(fù)荷電流，A；

P2、Q2——分別為變壓器繞組支路電阻消耗的有功和電抗消耗的無(wú)功，單位為kW、kvar；

RT、XT——變壓器繞組支路的電阻值和電抗值，Ω；

U1，U2——為變壓器首端電壓和末端電壓，kV；

ΔPCu、ΔQCu——為變壓器的有功、無(wú)功銅耗，單位為kW、kvar；

ΔPFe、ΔQFe——為變壓器的有功、無(wú)功鐵耗，單位為kW、kvar；

RT、XT、GT、BT——分別為歸算到高壓側(cè)的等值電阻、電抗、電導(dǎo)、電納值。

3.2 三繞組變壓器

圖3為三繞組變壓器的等值電路圖，三繞組變壓器損耗的計(jì)算方法與之前介紹的雙繞組變壓器類(lèi)似，其總損耗為空載損耗與短路損耗之和，公式見(jiàn)式（3）、式（4）。

圖3 三繞組變壓器的等值電路

式中：ΔP0——變壓器的空載損耗，kW；

RT1、RT2、RT3——變壓器三側(cè)繞組的等值電阻，Ω；XT1、XT2、XT3——變壓器三側(cè)繞組的等值電抗，Ω；

I0%——變壓器的空載電流百分比；

Se——三繞組變壓器的額定容量值，kVA。

4 仿真分析

如圖4是五臺(tái)山電動(dòng)汽車(chē)充電站站內(nèi)配置圖，由茹豆線供電，共15個(gè)充電車(chē)位（充電功率為40 kW），站內(nèi)低壓配電變壓器容量為1 000 kVA。

本次仿真利用軟件PSASP進(jìn)行，將站內(nèi)參數(shù)錄入，運(yùn)用軟件中的損耗計(jì)算以及潮流計(jì)算等功能進(jìn)行分析。

電動(dòng)汽車(chē)接入量直接影響著低壓配電變壓器的損耗值。通過(guò)損耗計(jì)算分析，結(jié)果如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車(chē)不同接入量情況下的變壓器損耗

圖4 充電站車(chē)位分布圖

表1顯示了當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的接入量由10%增加到40%的過(guò)程中，變壓器銅耗較最初10%接入量增加了近170%，相反鐵耗的變化幅度不明顯，由式（1）可知，這是由于總負(fù)荷電流由15 A增長(zhǎng)為600 A，負(fù)荷電流逐漸增大，同時(shí)電流的平方值與變壓器的銅耗成正比，故變化幅度較大。由式（2）可知，變壓器鐵耗與所處電網(wǎng)的運(yùn)行電壓有關(guān)，而充電站變壓器低壓側(cè)運(yùn)行電壓維持在400V，故鐵耗變化較小。同時(shí)也可以看出銅耗、鐵耗之和基本為變壓器的總損耗量。變壓器的這些損耗特性都應(yīng)該在SG高效、經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行中所考慮。

設(shè)置電動(dòng)汽車(chē)的一種充電模式（模式1），此時(shí)在3個(gè)時(shí)間段內(nèi)11:00—13:00、19:00—21:00、15:00—17:00安排EV在充電位進(jìn)行充電，記錄變壓器高壓側(cè)電壓的變化趨勢(shì)，如圖5所示。

圖5 配電變壓器高壓側(cè)電壓變化曲線

從圖5可以看出EV充電時(shí)，充電機(jī)與配電變壓器之間的距離對(duì)高壓側(cè)的電壓變化有影響，當(dāng)充電距離越遠(yuǎn)時(shí)，配變高壓側(cè)的電壓越低，當(dāng)充電距離越近時(shí)，高壓側(cè)的電壓越高。還可以看出充電時(shí)間也對(duì)電壓變化有影響，11:00—13:00和19:00—21:00是用電高峰期，此時(shí)對(duì)EV充電會(huì)使電網(wǎng)電壓降低，由于晚上用電量較中午更大，所以晚上充電時(shí)電壓較中午充電更低。反觀下午15:00—17:00是用電低谷時(shí)段，此時(shí)EV充電對(duì)電壓影響較小。

設(shè)置電動(dòng)汽車(chē)的另一種充電模式（模式2），記錄在工作時(shí)間段內(nèi)充電時(shí)變壓器低壓側(cè)電壓的變化趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 配電變壓器低壓側(cè)電壓變化曲線

圖6反映了在工作時(shí)段內(nèi)充電時(shí)EV接入量的不同對(duì)變壓器低壓側(cè)電壓的影響?？梢钥闯鯡V接入量在由10%增加到40%的過(guò)程中，變壓器低壓側(cè)電壓表現(xiàn)出由高到低的變化趨勢(shì)，即電動(dòng)汽車(chē)接入量越大，變壓器低壓側(cè)的電壓越低。

通過(guò)模式1和模式2的比較分析可以看出，模式1能夠全面地分析高壓側(cè)的電壓變化情況，模式2能夠分析低壓側(cè)的電壓變化情況；模式1可分析充電距離、充電時(shí)間對(duì)電壓的影響，模式2可分析充電負(fù)荷（EV接入量）對(duì)電壓的影響；2種充電模式都對(duì)分析站端變壓器的電壓變化有著指引作用[11-13]。

5 結(jié)論

本文首先介紹了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展前景以及可實(shí)現(xiàn)的2種充電模式。通過(guò)設(shè)置電動(dòng)汽車(chē)的多種充電條件，根據(jù)不同的接入量以及各時(shí)間段中充電車(chē)位的充電情況，分析了低壓變壓器的損耗和兩側(cè)電壓變化趨勢(shì)?？梢钥闯鲈谖磥?lái)智能電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)中，引導(dǎo)用戶(hù)非高峰時(shí)段充電有利于電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)，合理安排電動(dòng)汽車(chē)的接入量也可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。所得結(jié)論對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的研究具有一定的參考價(jià)值。

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The Analysis on the Effects of Electric Vehicle on Low Voltage Transformer

YAO Yue，LV Chen-xu，ZHOU Qian
（State Grid Xinzhou Power Supply Company，Xinzhou，Shanxi 034000，Chin）

Vigorous developmentofelectric vehiclesand their charging stationswillhave a greater impacton the stable operation of low-voltage transformer.By simulating the status of electric vehicle being accessed to station，the transformer losses in the process of charging and the fluctuations of both sides voltage are analysed.The results show that differentamountof vehicles accessed has different impacts on transfomer lossand the voltage at low voltage side；and different charging time and the distance between the transformer and chargingmachineaffectvoltagevariation of thehigh-voltage sideof the transformer.

electric vehicle；low voltage transformer；voltage change

TM711

B

1671-0320（2014）05-0042-04

2014-05-20，

2014-07-21

姚岳（1985-），男，山西忻州人，2012畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制；

呂晨旭（1973-），男，山西忻州人，2003畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)；

周茜（1986-），女，山西忻州人，2008年畢業(yè)于山西大學(xué)，助理工程師，從事電氣專(zhuān)業(yè)工作。