蘇海鋒，趙可為，李 巖，李 萌，溫和龍，王 勇

(1. 華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，河北 保定 071003；2. 內蒙古電力經濟技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

能源危機與環(huán)境污染是當今世界發(fā)展過程中面臨的兩大難題，而大量的傳統汽車給能源危機與環(huán)境污染帶來了不可忽視的影響。電動汽車不直接消耗一次能源，因此具有效率高、低污染等優(yōu)點，在解決上述問題方面相較傳統汽車有著不可比擬的優(yōu)勢。但是，隨著未來電動汽車的普及，電動汽車大規(guī)模接入電網充電，將對電力系統的運行與規(guī)劃造成負荷增長、電網運行優(yōu)化控制難度的增加和影響電能質量等不可忽視的影響[1]。

家用通勤電動汽車(私家電動汽車)通常在日間停駛，夜間停在小區(qū)停車場，具有較長的可充電時段供選擇，因此通常采用更有利于延長電池使用壽命的常規(guī)慢速充電方式，即采用單相220V電源進行充電。規(guī)?；郊译妱悠囋谛^(qū)車庫進行慢速充電時，如果不采取控制措施，會造成配電系統三相負荷不平衡。三相平衡是電網安全經濟運行的基礎，嚴重的三相不平衡不僅會導致電壓質量不合格，還會增加電網損耗(線路、變壓器損耗)，甚至引發(fā)電網安全事故。

諸多學者針對三相不平衡問題展開了相關研究。文獻[2-4]以電動汽車充電導致的三相不平衡問題為研究內容。文獻[2]分析了規(guī)?；妱悠嚨慕尤雽Φ湫妥≌^(qū)配電網的影響。文獻[3]針對配電網可能出現三相不平衡問題，提出了一種控制三相負荷平衡的電動汽車有序充電策略。文獻[4]針對規(guī)模化電動汽車接入影響配電網三相不平衡度的現象，研究了不同滲透率下電動汽車對配電網三相不平衡的影響。文獻[5]從電能質量的角度分析單相負載不平衡運行所造成的三相電壓不平衡及危害，并從管理和技術上提出了治理措施。

文獻[6-10]以三相不平衡計算方法為研究內容。文獻[7]講述了一種基于前推回代法對含分布式電源的配電網的三相不平衡潮流計算方法。文獻[8]針對含不同類型分布式電源的配電網及其三相線路參數和負荷不平衡的情況提出了一種三相配電網連續(xù)潮流方法。文獻[9]提出一種三相三線配電系統中基于負荷功率的、由不對稱負荷引起的三相不平衡度的實用計算方法。文獻[10]利用不對稱線路三序解耦補償模型對配電網進行三相潮流計算。以上多種算法為本文對選線裝置的實際應用效果的驗證工作提供了理論基礎。

文獻[11]通過動態(tài)平衡充電負荷，提高了配電網運行的經濟性和安全性。文獻[12]分析了電動汽車充電對電力系統的影響，并給出了解決相應問題的對策。文獻[13]揭示了電動汽車充電機會對電能的計量產生影響。文獻[14]基于車網互動(V2G)技術提出了一種快速的電動汽車充放電方法。文獻[15]基于峰谷分時電價提出了一種控制居民小區(qū)電動汽車有序充電的策略。通過以上研究結果可知，電動汽車的不合理利用會對電力系統產生巨大的負面影響。反之，合理地引導這種負荷，會對電力系統產生積極的影響，可提高配電網的經濟性、安全性和可靠性。

本文設計了一種可實現三相負荷平衡的電動汽車充電機選線裝置。該裝置利用發(fā)生三相不平衡問題時三相電路中電壓參數幅值不等的特點為充電樁選擇合適的線路接入，從而可以合理地分配規(guī)?；妱悠嚨某潆娯摵?。由此可以從根本上最大限度地減小電動汽車慢速充電帶來的三相不平衡對小區(qū)配電系統的影響。最后，通過仿真分析驗證了該裝置具有實現充電負荷平衡、改善三相電壓不平衡度及降低配網線損的效果。

1 選線裝置的整體結構分析

不同于居民小區(qū)常規(guī)用電負荷，電動汽車用電負荷受到小區(qū)居民出行規(guī)律和生活習慣的影響，具有極強的隨機性。即使是慢速充電(通常慢速充電功率為2～6kW)，充電功率較常規(guī)用電負荷而言也較大。如果各充電樁沒有安裝合適的選線裝置，而是采用固定的或隨機的單相接線方式，則會使小區(qū)電力系統在規(guī)?；妱悠嚦潆姇r出現嚴重的三相不平衡現象。

本文設計的充電接入開關裝置將選線動作設定在充電機接入電路之前。這樣不僅不會造成用電中斷等現象，而且可以自動地平衡電動汽車三相充電負荷。

1.1 選線裝置中各功能單元的作用及聯系

本文針對居民小區(qū)內私家電動汽車慢速充電負荷的需求特性(單相220V充電)，設計了一種通過檢測電源接入點電壓以自動實現三相負荷平衡的電動汽車充電機選線裝置，如圖1所示。

圖1 自動負荷平衡電動汽車充電機選線裝置Fig.1 Charging line selection device of electric vehicle with automatic load balance function

充電機選線裝置內部結構及各單元之間的相互聯系如圖1虛線框內所示，包括微型測量電壓變換器(TV模塊)、信號調理模塊、A/D采樣模塊、CPU模塊、三選一互鎖固態(tài)開關。低壓配電網中三相電源為三相四線制，分別為A相、B相、C相和N線，充電機單元分別與選線裝置的三選一互鎖固態(tài)開關的輸出端和三相電源的N線連接。各單元之間緊密聯系形成了一個有機的整體。

其中，TV模塊是一個微型測量電壓變換器，將220V電源電壓變換到較低電壓，以方便信號采集；信號調理模塊的作用為將TV輸出電壓變換到A/D輸入電壓范圍，同時對被采樣信號進行濾波，抑制干擾以提高系統的量測精度和穩(wěn)定性；A/D采樣模塊主要包括采樣保持、多路選擇和A/D轉換三部分，實現模擬電壓的數字化；CPU模塊控制系統協調工作，完成A/D轉換和數據處理，選出電壓最高的一相，再控制三選一互鎖固態(tài)開關導通電壓最高一相作為電動汽車充電電源；三選一互鎖固態(tài)開關是一個三相相互閉鎖固態(tài)開關，根據輸入控制信號，選通其中一相導通，其他兩相截止。

該充電機選線裝置具有如下特點：

a. 自動檢測電壓UAN、UBN、UCN，選擇電壓最高的一相作為電動汽車充電電源；

b. 電動汽車充電負荷在接入前進行選相，接入之后持續(xù)使用該相作為充電電源，直到充電完畢，中途不再切換其他相作為充電電源，因此不存在供電中斷或電壓跌落現象；

c. 不需要遠方控制，應用簡便。

1.2 選線裝置工作過程

含自動負荷平衡功能的充電機選線裝置的小區(qū)停車場慢速充電系統示意圖如圖2所示，當該系統出現三相不平衡現象時，配電變壓器三相輸出電流不一樣，從而導致中性線N中出現電流。因此中性線會產生電壓降，進而導致中性點位移使各相電壓的大小發(fā)生變化：會產生負荷較大的一相電壓降較大的同時負荷較小的一相電壓降較小現象。利用此現象，當某停車位駛入需充電的電動汽車時，充電機選線裝置通過內部各模塊之間的相互配合，選擇電壓最高的一相作為電動汽車充電電源。

圖2 私家電動汽車小區(qū)地下停車場集中慢速充電低壓配網接線示意圖Fig.2 Wiring diagram of centralized slow-charging low-voltage distribution network in private electric vehicle underground parking garage

選線裝置詳細工作步驟為：首先，將電源電壓變換為信號采集電壓；其次，將所述微型測量電壓變換器的輸出電壓變換到A/D輸入電壓范圍，并對采樣信號進行濾波；再次，對濾波后的信號進行采樣保持、多路選擇和A/D轉換；最后，CPU根據A/D轉換的結果，選出三相電路中電壓最高的一相，并由三選一互鎖固態(tài)開關將此相導通以作為電動汽車充電電源，同時將另外兩相斷開。

由此，無需負載的通信裝置及遠程控制即可實現三相負荷的自動平衡。

2 電動汽車負荷需求建模

關于家用緊湊型電動汽車、中高級電動汽車和SUV電動汽車的分類方式和燃油私家車關于緊湊型汽車、中高級汽車和SUV汽車的保有量比例，得到的各車型的參數和車型比例如表1所示，參考車系為日產Leaf、長安E30、BYDE6。

表1 各車系的參數和車型比例Table 1 Parameters and market share of different vehicles

根據私家電動汽車的出行規(guī)律和行駛里程概率密度分布函數得到私家車輛最后行程返回時刻概率分布圖和私家車輛日行駛里程概率分布圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 私家車輛最后行程返回時刻概率分布圖Fig.3 Probability distribution of returning time of last trip of private vehicle

圖4 私家車輛日行駛里程概率分布圖Fig.4 Probability distribution of driving distance during one day of private vehicles

根據私家電動汽車的用車習慣，統計得出的私家電動汽車谷時段有序充電假設條件如下。

(1) 電動汽車具備的開始充電時刻為最后一次出行返回時刻，開始充電時刻滿足如下正態(tài)分布，其概率密度函數為：

(1)

其中，xt為時間；期望值μS=17.6；標準差σS=3.4。

(2) 日行駛里程概率密度函數為：

(2)

其中，L為日行駛里程；期望值μD=3.20；標準差σD=0.88。

(3) 家用電動汽車動力電池的容量通常在 20～30kW·h(也有容量更大的)范圍內呈正態(tài)分布。目前家用電動汽車動力電池以恒流-恒壓的兩階段慢速充電方法為主，恒流階段可充入電池容量的90%以上。恒流階段充電電流保持不變，電池電壓逐漸上升，且變化范圍不大。因此，仿真計算時電動汽車慢速充電功率可近似采用恒功率(如表1所示)，即充電功率PC分別取值3kW、4.8kW、15kW。

(4) 電動汽車充電時間計算公式如下：

(3)

其中，TC為充電時間長度，單位為h；W100為百公里耗電量，單位為kW·h。

3 電壓不平衡度的計算

電壓不平衡是電能質量考核參數之一，在計算相電壓不平衡度時，GB/T 15543—2008《電能質量三相電壓不平衡》中規(guī)定了電壓不平衡度的計算方法。該方法需要各相電壓的大小及其相位，再依據對稱分量法計算得到正序分量和負序分量。電壓不平衡度的計算公式為：

(4)

其中，U1為三相電壓的正序分量方均根值，單位為V；U2為三相電壓負序分量方均根值，單位為V。

傳統輸電網潮流計算方法不可直接應用于小區(qū)配電網系統三相潮流計算，可利用文獻[8-9]所述的方法。計算時需得到k次迭代時負荷節(jié)點i的各相電流，如式(5)所示。

(5)

(6)

I0，1，2=AIa，b，c

(7)

(8)

4 仿真分析

圖2所示的小區(qū)地下停車場充電用低壓配電網所對應的低壓配電線路參數如下：10kV/0.4kV變壓器，額定容量Sn=630kV·A，短路阻抗Vs=6%，空載電流I0=1.6%，等效電阻和電抗分別為1.567Ω和9.524Ω；0.4kV電纜，型號為YJV-0.6/1kV-4×120，每相額定載流量為270A，每相額定負荷為59.4kW，等效電阻和電抗分別為0.1809Ω/km和0.08699Ω/km，配電線路始端與第一個充電樁之間的電纜長度為50m，相鄰充電樁之間的電纜長度為5m，充電樁數量為50。

本文根據前文所述內容，基于圖2所示的私家電動汽車小區(qū)地下車庫集中充電系統(充電停車位共計150個)和相關電氣設備參數，采用相關文獻中私家電動汽車的出行規(guī)律和行駛里程概率密度分布函數，分別進行了不采用和采用選線裝置的2種方案的時序仿真(時間間隔為5min)。

4.1 未采用選線裝置的仿真分析

仿真方案1為未采用選線裝置的分析，得到的充電私家電動汽車分布情況為：當天參與充電的汽車共計145輛，其中A相48輛，B相50輛，C相47輛；這些車輛的總行駛里程為8434km，總充電量為1380.4kW·h；得到的充電功率時序圖如圖5所示。

圖5 方案1各相充電功率時序圖Fig.5 Sequence diagram of charging power(Scheme 1)

電網正常運行時，電力系統公共連接點負序電壓不平衡度(國標值)不超過2%，短時不超過4%。統計各時刻三相電壓不平衡度最嚴重的節(jié)點三相電壓不平衡度值，得到的系統三相電壓不平衡度值時序圖如圖6所示。

圖6 方案1三相電壓不平衡度時序圖Fig.6 Sequence diagram of three-phase voltage unbalance(Scheme 1)

由于線路末端的節(jié)點電壓變化最大，所以本文重點研究線路末端節(jié)點各相電壓幅值。末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖如圖7所示。

圖7 方案1線路末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖Fig.7 Sequence diagram of node voltage amplitude at end of lines

未采用此選線裝置的不平衡充電模式時，三相24h的網損為A相8.39kW·h、B相9.96kW·h、C相7.04kW·h，系統網損率ΔP=1.8%。

4.2 采用選線裝置仿真分析

仿真方案2為采用選線裝置的仿真分析，仿真得到的充電的私家電動汽車分布情況如下：當天參與充電的汽車共計146輛，其中A相49輛，B相47輛，C相50輛；這些車輛的總行駛里程為8329km，總充電量為1398.6kW·h；得到的充電功率時序圖如圖8所示。

圖8 方案2各相充電功率時序圖Fig.8 Sequence diagram of charging power(Scheme 2)

統計各時刻三相電壓不平衡度最嚴重的節(jié)點三相電壓不平衡度值，得到的系統三相電壓不平衡度值時序圖如圖9所示。

圖9 方案2三相電壓不平衡度時序圖Fig.9 Sequence diagram of three-phase voltage unbalance(Scheme 2)

末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖如圖10所示。

圖10 方案2末端節(jié)點各相電壓幅值時序圖Fig.10 Sequence diagram of three-phase voltage amplitude at end of lines(Scheme 2)

采用此選線裝置的平衡充電模式時，三相24h的網損為A相7.81kW·h、B相6.02kW·h、C相7.91kW·h，系統網損率ΔP=1.6%。

4.3 數據分析

由圖5和圖8可以看出：在充電車輛相當的情況下，在未采用本文所述選線裝置的充電模式時，B相出現了近8kW過負荷，A、C兩相出現了輕微過負荷(圖8)；而采用本文所述選線裝置的三相平衡充電模式時，各相負荷比較均衡，不僅未出現過負荷現象，而且還有留有一定負荷域度。

由圖6和圖9可以看出：未采用本文所述選線裝置的充電模式時，系統出現了明顯的三相電壓不平衡度(超過國標允許值2%)；而采用本文所述選線裝置的三相平衡充電模式時，未出現三相電壓不平衡度超標現象。

由圖7和圖10可以看出：采用本文所述選線裝置的三相平衡充電模式后，末端節(jié)點電壓最小值(212.5V)明顯好于未采用本文所述選線裝置的充電模式時末端節(jié)點電壓的最小值(208.5V)，電壓質量也得到了提升。

另外采用本文所述的三相平衡充電模式后，系統網損率也由1.8% 減少到1.6%。

5 結論

本文針對居民小區(qū)電動汽車單相慢速充電方式會造成小區(qū)電力系統三相不平衡的問題，設計了一種實現三相負荷平衡的電動汽車充電機選線裝置。利用私家電動汽車的出行規(guī)律(出行和回家時間、日行駛里程)數據和充電數據，對該裝置的實際應用效果進行了仿真分析，驗證了該裝置在實現充電負荷平衡、改善三相電壓不平衡度及降低配網線損等方面具有優(yōu)良的效果。具體結論如下。

a. 電動汽車單相慢速充電方式會造成居民小區(qū)配電系統出現嚴重的三相不平衡現象，該選線裝置的自動負荷平衡功能利用發(fā)生三相不平衡問題時的特點合理地安排電動汽車充電負荷。在采用此選線裝置后，配電系統各相負荷比較均衡，不會出現某一相過負荷的情況。

b. 由于電動汽車三相充電負荷的合理分配，從根本上最大限度地改善了三相不平衡現象。小區(qū)配電系統三相不平衡度較未采用該裝置的充電模式而言不但未超過國標規(guī)定的范圍，而且均值較小。

c. 該選線裝置的應用可使小區(qū)電力系統具有良好的電壓水平，尤其是波動最大的末端節(jié)點電壓。且由于三相電流越平衡，系統網損越小，故較未采用該裝置的充電模式而言降低了網損。

參考文獻：

[1] 胡澤春，宋永華，徐智威，等. 電動汽車接入電網的影響與利用[J]. 中國電機工程學報，2012，32(4)：1-10.

HU Zechun，SONG Yonghua，XU Zhiwei，et al. Impacts and utilization of electric vehicles integration into power systems[J]. Procee-dings of the CSEE，2012，32(4)：1-10.

[2] 顏湘武，恩日，海日，等. 典型住宅小區(qū)接入電動汽車的供電方式研究[J]. 電網技術，2014，38(4)：910-917.

YAN Xiangwu，EN Ri，HAI Ri，et al. Research on power supply modes for typical residential communities integrated with charging station for electric vehicles[J]. Power System Technology，2014，38(4)：910-917.

[3] 占愷嶠，胡澤春，宋永華，等. 考慮三相負荷平衡的電動汽車有序充電策略[J]. 電力系統自動化，2015，39(17)：201-207.

ZHAN Kaiqiao，HU Zechun，SONG Yonghua，et al. A coordinated charging strategy for electric vehicle three-phase load balance[J]. Automation of Electric Power Systems，2015，39(17)：201-207.

[4] SINGH M，KAR I，KUMAR P. Influence of EV on grid power quality and optimizing the charging schedule to mitigate voltage imbalance and reduce power loss[C]∥Power Electronics and Motion Control Conference. Ohrid，USA：IEEE，2010：196-203.

[5] 林志雄，陳巖，蔡金錠，等. 低壓配電網三相不平衡運行的影響及治理措施[J]. 電力科學與技術學報，2009，24(3)：63-67.

LIN Zhixiong，CHEN Yan，CAI Jinding，et al. Impact and counter measure of three-phase unbalanced operation for low voltage distribution systerms[J]. Journal of Electric Power Science and Techno-logy，2009，24(3)：63-67.

[6] 趙晶晶，李新，許中. 含分布式電源的三相不平衡配電網潮流計算[J]. 電網技術，2009，33(3)：94-98.

ZHAO Jingjing，LI Xin，XU Zhong. Calculation of three-phase unbalanced power flow in distribution network containing distributed generation[J]. Power System Technology，2009，33(3)：94-98.

[7] 趙晉泉，范曉龍，高宗和，等. 含分布式電源的三相不平衡配電網連續(xù)潮流計算[J]. 電力系統自動化，2015，39(9)：48-53.

ZHAO Jinquan，FAN Xiaolong，GAO Zonghe，et al. Continuation power flow calculation for unbalanced three-phase distribution networks with distributed generators[J]. Automation of Electric Power Systems，2015，39(9)：48-53.

[8] 同向前，王海燕，尹軍. 基于負荷功率的三相不平衡度的計算方法[J]. 電力系統及其自動化學報，2011，23(2)：24-30.

TONG Xiangqian，WANG Haiyan，YIN Jun. Calculation method of three-phase unbalance factor based on load power[J]. Proceedings of the CSU-EPSA，2011，23(2)：24-30.

[9] 楊雄，衛(wèi)志農，孫國強，等. 變壓器支路處理新方法與配電網三相潮流計算[J]. 電力系統自動化，2014，38(18)：58-64.

YANG Xiong，WEI Zhinong，SUN Guoqiang，et al. A novel method for transformer branch processing and three-phase power flow calculation in distribution networks[J]. Automation of Electric Power Systems，2014，38(18)：58-64.

[10] 孫小平，陳珩. 不對稱三相潮流的對稱分量分析法[J]. 中國電機工程學報，1993，13(6)：1-12.

SUN Xiaoping，CHEN Heng. Unsymmetrical three-phase load flow study based on symmetrical component theory[J]. Proceedings of the CSEE，1993，13(6)：1-12.

[11] 楊秀菊，白曉清，李佩杰，等. 電動汽車規(guī)模化接入配電網的充電優(yōu)化[J]. 電力自動化設備，2015，35(6)：31-36.

YANG Xiuju，BAI Xiaoqing，LI Peijie，et al. Charging optimization of massive electric vehicles in distribution network[J]. Electric Power Automation Equipment，2015，35(6)：31-36.

[12] 朱學貴，覃陽，蘇向豐，等. 電動汽車充電機對電能計量的影響[J]. 電力自動化設備，2015，35(6)：52-57.

ZHU Xuegui，QIN Yang，SU Xiangfeng，et al. Impact of electric ve-hicle charger on electric energy metering[J]. Electric Power Auto-mation Equipment，2015，35(6)：52-57.

[13] 郭建龍，文福拴. 電動汽車充電對電力系統的影響及其對策[J]. 電力自動化設備，2015，35(6)：1-9.

GUO Jianlong，WEN Fushuan. Impact of electric vehicle charging on power system and relevant countermeasures[J]. Electric Power Automation Equipment，2015，35(6)：1-9.

[14] 吳凱，程啟明，李明，等. 具有V2G功能的電動汽車快速充放電方法[J]. 電力自動化設備，2014，34(2)：30-34.

WU Kai，CHENG Qiming，LI Ming，et al. Fast charging and discharging method for electric vehicle with V2G function[J]. Electric Power Automation Equipment，2014，34(2)：30-34.

[15] 蘇海鋒，梁志瑞. 基于峰谷電價的家用電動汽車居民小區(qū)有序充電控制方法[J]. 電力自動化設備，2015，35(6)：17-22.

SU Haifeng，LIANG Zhirui. Household electric vehicles ordered charging control method in residential quarter based on peak-valley TOU power price[J]. Electric Power Automation Equipment，2015，35(6)：17-22.