陳建林

（國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司那曲供電公司，西藏 那曲 852000）

高海拔地區(qū)的地理和氣候條件比較惡劣，氣溫較低，空氣稀薄，因此充電樁需要具有更高的能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化效率。為了確保高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，可以采用集中式接入、分布式接入和混合式接入等方式[1]。綜上所述，高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的方式需要考慮當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境和氣候條件、用電負(fù)荷情況等多種因素。本文旨在探索適合高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的均衡補(bǔ)償方法，以提高充電效率，降低能源損耗并減少對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響。首先，需要深入分析高海拔地區(qū)的地理、氣候和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施情況，為充電樁的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其次，針對(duì)充電樁的性能和運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷情況，制定充電策略，進(jìn)行電網(wǎng)負(fù)荷的均衡分配。為了實(shí)現(xiàn)高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的均衡補(bǔ)償，通過(guò)調(diào)整仿真參數(shù)，評(píng)估充電樁對(duì)電網(wǎng)的影響，并制定補(bǔ)償策略。此外還需考慮充電樁建設(shè)和維護(hù)的經(jīng)濟(jì)成本等因素。因此，本文對(duì)優(yōu)化高海拔地區(qū)充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)有重要的指導(dǎo)作用。

1 高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

1.1 建立充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)電網(wǎng)的分層控制、精細(xì)化管理以及電壓、頻率控制的特點(diǎn)，在不同時(shí)間尺度上建立控制層[2]，合理劃分各層，實(shí)現(xiàn)控制功能，建立充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

圖1 中，DG 為分布式發(fā)電單元。在該充電點(diǎn)接入的控制系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)功能需求將電網(wǎng)劃分為一個(gè)本地控制層級(jí)和一個(gè)二級(jí)主控層級(jí)。本地控制器主要起控制作用，能夠以最快速度對(duì)其設(shè)定值進(jìn)行跟蹤，二次控制器調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率、電網(wǎng)電壓以及電壓頻率偏差等。在整個(gè)充電樁接入的控制結(jié)構(gòu)中，整個(gè)電網(wǎng)設(shè)備實(shí)行分層管理模式，本地控制器與二次控制器集成在各DG 中，同時(shí)各DG 單元獨(dú)立控制，使所有二次控制器可以相互連接，以進(jìn)行整個(gè)電網(wǎng)的“即插即用”和精細(xì)化管理[3]。在電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化分層管理系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅需與相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，就可以得到全局的平均值，至此充電樁接入電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)建立完成。

1.2 調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流頻率

要使充電樁接入電網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)電流頻率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，需要對(duì)電網(wǎng)的電流頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。設(shè)Us表示電力系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓，IL表示負(fù)載上的電流，us（wt）表示電力系統(tǒng)的電壓，iL（wt）表示總負(fù)載電流[4]，IPL表示負(fù)載電流中有功電流的頻率，IqL表示負(fù)載電流中無(wú)功電流的頻率。以上述參數(shù)為基礎(chǔ)，假設(shè)電力系統(tǒng)的電壓us（wt）如公式（1）所示，電力系統(tǒng)的負(fù)載電流iL（wt）如公式（2）所示。

式中：θ1、θ2為負(fù)載電流與電網(wǎng)之間的相位差。

從而得到負(fù)載電流中無(wú)功電流的分量頻率IqL，如公式（3）所示。

式中：φ為負(fù)載電流中無(wú)功功率的相位角。

由公式（3）可得公式（4）。

由公式（4）可得負(fù)載電流和電流頻率之間的變化頻率。根據(jù)圖2 的相量關(guān)系可得知，電流頻率滯后于電網(wǎng)電壓，因此負(fù)荷表現(xiàn)為阻感性。在數(shù)學(xué)的三角函數(shù)中，有公式（5）。

圖2 電網(wǎng)瞬時(shí)電流頻率的檢測(cè)框圖

由公式（5）可以得知，在具有相容性負(fù)載的情況下，電流僅在符號(hào)上有所不同，但其頻率始終保持恒定。因此，無(wú)論負(fù)載是容性還是感性，公式（4）的計(jì)算結(jié)果取絕對(duì)值均能準(zhǔn)確反映電流頻率。

利用上述推理步驟，便可得出對(duì)電網(wǎng)中瞬時(shí)電流頻率的檢測(cè)框圖，如圖2所示，由于此法主要采用了三角函數(shù)關(guān)系[5]，因此與常規(guī)的測(cè)量原理相比，構(gòu)造比較簡(jiǎn)便。

通過(guò)簡(jiǎn)化方法，可以顯著降低電網(wǎng)電壓變化對(duì)電流頻率的干擾，既減少了實(shí)際問(wèn)題中的計(jì)算量，也有效消除了電網(wǎng)電壓突變對(duì)電流頻率測(cè)量產(chǎn)生的影響，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)電流頻率。

1.3 建立充電樁接入電網(wǎng)補(bǔ)償模型

充電樁接入電網(wǎng)后，補(bǔ)償模型與電源、負(fù)載元件形成一個(gè)復(fù)雜的統(tǒng)一體，其動(dòng)態(tài)工作特性與電網(wǎng)的整體運(yùn)行狀況、特性緊密相連。因此，需要對(duì)該補(bǔ)償模型進(jìn)行深入分析，并建立準(zhǔn)確的模型，以使其與電網(wǎng)的運(yùn)行性能相匹配，這有助于簡(jiǎn)化電網(wǎng)的研究。為了簡(jiǎn)化補(bǔ)償模型的接線(xiàn)，本文采用如圖3所示的原理圖。建立充電樁接入電網(wǎng)的補(bǔ)償模型時(shí)，對(duì)其進(jìn)行了理想化處理，具體步驟如下：1）將補(bǔ)償裝置中的損耗等效為電阻R，將電網(wǎng)元件和線(xiàn)路的損耗等效為電感L。2）經(jīng)過(guò)電網(wǎng)元件的濾波處理后，該裝置的輸出電壓僅包括基波分量。

圖3 充電樁接入電網(wǎng)補(bǔ)償模型簡(jiǎn)化圖

圖3 中，udc為補(bǔ)償模型輸出電壓；L為電網(wǎng)元件及線(xiàn)路損耗的等效電感；R為補(bǔ)償裝置中各種損耗的等效電阻；idc為補(bǔ)償模型負(fù)載電流。

對(duì)該補(bǔ)償模型簡(jiǎn)化原理圖分析可得其輸出電壓udc，如公式（6）所示。

式中：K表示比例系數(shù)；δ表示該補(bǔ)償模型輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。

該補(bǔ)償模型電壓動(dòng)態(tài)方程如公式（7）所示。

式中：t表示該補(bǔ)償模型運(yùn)行時(shí)間。

將公式（6）和公式（7）合并即為充電樁接入電網(wǎng)補(bǔ)償模型表達(dá)式，如公式（8）所示。

至此完成了充電樁接入電網(wǎng)補(bǔ)償模型建立。

1.4 設(shè)置最優(yōu)均衡補(bǔ)償電壓

最優(yōu)均衡補(bǔ)償電壓的設(shè)置需要考慮多方面因素，包括電網(wǎng)變壓器容量、負(fù)荷需求、系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行效率等。在電網(wǎng)中，變壓器是關(guān)鍵元件，其工作穩(wěn)定性會(huì)直接影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器容量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)載，容量過(guò)大則會(huì)造成浪費(fèi)。變壓器運(yùn)行效率與容量有密切關(guān)系。容量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致空載損耗增加，從而降低運(yùn)行效率。因此，要選合適的變壓器容量，以提高運(yùn)行效率。負(fù)荷需求是變壓器容量規(guī)劃的重要因素。對(duì)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，負(fù)荷需求決定電網(wǎng)的供電量。對(duì)地區(qū)用電需求進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析可以確定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷需求，從而為變壓器容量的選擇提供依據(jù)。同時(shí)還需要考慮可能出現(xiàn)的負(fù)荷增長(zhǎng)，以適應(yīng)未來(lái)的用電需求。

變壓器是供電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的供電設(shè)備，其負(fù)載值能夠反映供電變壓器剩余容量的豐富程度，即評(píng)估變壓器容量，確定變壓器是否超負(fù)荷[6]。

電網(wǎng)變壓器負(fù)載率表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：Pmax表示電網(wǎng)變壓器最大容量；S表示電網(wǎng)變壓器運(yùn)行速度；T表示電網(wǎng)變壓器運(yùn)行時(shí)間。

由此可得電網(wǎng)變壓器容量P，如公式（10）所示。

綜上所述，合理的變壓器容量可以確保電網(wǎng)有效運(yùn)營(yíng)，充電樁接入電網(wǎng)的電流頻率和不均勻程度必須通過(guò)電流和電壓的正序及負(fù)序分量分離控制來(lái)獲得。由于等效的正序分量ud可以在正常的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q）中按λ順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)并得到ud'，而負(fù)序分量uq也可以按λ順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)并得到uq'，因此可以推斷，負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系可以等值轉(zhuǎn)動(dòng)，正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系可以按2λ進(jìn)行相反方向的旋轉(zhuǎn)，從而在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中得到電壓的正序和負(fù)序分量。

最優(yōu)均衡補(bǔ)償電壓U如公式（11）所示。

由最優(yōu)均衡補(bǔ)償電壓分序進(jìn)行充電樁接入電網(wǎng)的均衡補(bǔ)償，其觸發(fā)原理如圖4所示。

圖4 充電樁接入電網(wǎng)的均衡補(bǔ)償觸發(fā)原理

通過(guò)疊加正序和負(fù)序分量生成最優(yōu)均衡補(bǔ)償電壓，并轉(zhuǎn)換坐標(biāo)以觸發(fā)充電樁接入電網(wǎng)裝置的補(bǔ)償功能。觸發(fā)充電樁接入電網(wǎng)控制逆變電路，使其輸出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)載電流中的正序和負(fù)序分量[7]。至此高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補(bǔ)償完成。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

在仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，本文選用西藏海拔3000m 以上某地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)模型。將電網(wǎng)電壓的有效值設(shè)為110V，設(shè)置阻感性負(fù)載，將電池側(cè)電壓設(shè)為60V，直流母線(xiàn)電壓設(shè)為200V，同時(shí)參考充電樁部分參數(shù)，見(jiàn)表1。接入電壓變換器，設(shè)變換器的開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。

表1 充電樁部分參數(shù)

2.2 試驗(yàn)說(shuō)明

單個(gè)充電樁接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)的損耗功率會(huì)流向充電樁，使電流和電壓檢測(cè)出的波形出現(xiàn)明顯的相位偏移。根據(jù)表1 設(shè)置的充電樁的試驗(yàn)參數(shù)，充電樁接入電網(wǎng)但沒(méi)有進(jìn)行均衡補(bǔ)償前的電壓電流波形如圖5所示。由圖5 可知，電壓電流出現(xiàn)相位差，即無(wú)功電流是由電網(wǎng)流向充電樁的。充電樁接入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)均衡補(bǔ)償后的電壓和電流波形如圖6所示。

圖5 接入電網(wǎng)前電壓電流波形

圖6 接入電網(wǎng)后電壓電流波形

為進(jìn)一步證明本文設(shè)計(jì)的高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補(bǔ)償方法的優(yōu)越性，采用文獻(xiàn)[1]基于小波變換的微電網(wǎng)諧波電流動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法（方法1）、文獻(xiàn)[3]雙線(xiàn)圈并聯(lián)ICPT 系統(tǒng)的分布式補(bǔ)償電流均衡方法（方法2）作為本文方法的對(duì)比方法。接入電網(wǎng)均衡補(bǔ)償后3 種方法電壓電流波形如圖7所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

比較上述試驗(yàn)結(jié)果可知，使用本文研究的高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)均衡補(bǔ)償方法后，電網(wǎng)電壓電流波形幾乎一致，說(shuō)明補(bǔ)償了充電樁接入電網(wǎng)的功率，并且響應(yīng)時(shí)間短，證明本文設(shè)計(jì)的方法更好，更具有研究?jī)r(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高海拔地區(qū)充電樁接入電網(wǎng)的均衡補(bǔ)償方法研究具有重要意義。通過(guò)綜合分析地理、氣候、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及充電樁性能等多方面因素，探索適合高海拔地區(qū)的充電樁接入電網(wǎng)的均衡補(bǔ)償方法。未來(lái)的研究將進(jìn)一步完善充電樁性能評(píng)估和仿真分析方法，尋求更優(yōu)化的充電策略和經(jīng)濟(jì)、有效的均衡補(bǔ)償方案，以期推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)在高海拔地區(qū)的廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展。