电力与能源系统
基于新型电动汽车电力供应设备的无功功率对径向带负载配电网的电压水平影响的分析评估。
摘要
电网运营商必须对电力系统中可能导致电压波动的一体化电力负载安全处理。本课题计划为存在低电压分布馈线影响的新型快速充电电动汽车供电设备运营商提供分析评估和指导。通过对无功功率影响的研究，其目的在于防止在功率过大时充电产生过电压。对配电网中每一个功率元件（包含影响无功功率控制效率的电压型负载在内）的作用作了分析。相关研究表明为了有效地升高电压，输送给每一个电动汽车充电设备容性无功应该充足。所提出的方法是基于Cigregrave;的低压配电网基准和丹麦低压电网。
关键词：分布式电网 电动汽车 电动汽车供电设备 无功功率 电压平衡
1 简介
电动汽车的成功发展给电力系统运营商带来了全新的挑战。一方面，在电力系统中，对电动汽车智能一体化解决方案做了很大的努力，例如在为使电动汽车成为全系统辅助性服务的可靠资源而实施的智能集成策略。在另一方面，通过对这种解决方法的实际可行性进行评估，一系列可生产电动汽车智能充电技术方面的能力也受到了高度关注。然而，由于大多数终端连接的电压水平较低，电动汽车在电力系统中集成的最具挑战性的方面是对配电网的影响。
为了确保符合标准水平的电能质量，根据欧洲技术标准EN 50160，分布式系统运营商是能够通过对分布式网络调度操控而实现的。当电动汽车连接其充电设备时，电动汽车可视为集中大负荷。因此，它们可能会对电力基础设施方面带来技术上的问题，比如引起变压器、馈线过载和严重的电能质量恶化。除非有增强电网稳定性的解决方案可以选择，否则分布式系统运营商不得不选择智能充电技术以解决在分布式电网中存在的大规模电动汽车所带来问题。
总的来说，输送无功功率可以在一定程度上缓解配电网中局部电压问题。如果小的分布式电源连接在低压电网上，比如光伏发电，按电网的技术标准，逆变器接口单元具有吸收无功功率的能力。许多研究已经证明这种能力在有源配电网中保持电压平衡的有效性。类似的，也许这对分布式系统运营商对配电网电压平衡的要求和解决新型电动汽车供电设备的影响来说是必要的。
在技术可行性观点下，许多研究提出新的车载充电器设计和调查电力电子在解决无功功率方面的问题所遇到的障碍。其中，目前传统单向车载充电器在双向四象限运行技术性能的分析显示在转换器的类型和尺寸无任何大的改变的情况下，如何实现的无功功率转换。此外许多对车载充电器无功功率运行能力的发展问题的研究表明这种技术的可能设计和布局。因此，鉴于上述具体的技术可行性,对电动汽车充电过程无功电压调节策略的有效性评估研究是最重要的事情。
命名
符号表
线路首段中性点相电压向量
线路末端中性点相电压向量
线路始端中性点相电压幅值
线路末端端中性点相电压幅值
通用配电线路复合压降
通用配电线路的电阻
通用配电线路的电抗
P 负载所吸收的总有功功率
Q 负载所吸收的总无功功率
线路中的相电流
线路中电流的有功分量
线路中电流的无功分量
,,,,, 负载电压模的附和系数
电动汽车有功功率
电动汽车无功功率
负载有功功率
负载无功功率
额定电压下的有功功率
额定电压下的无功功率
可充电电动汽车功率因数
负载的功率因数
外网短路功率
低电压时外网电阻
低电压时外网电抗
变压器的电阻与电抗比
变压器额定功率
变压器短路功率
变压器短路阻抗
变压器短路电压
变压器低压运行时的电阻
变压器低压运行时的电抗
变压器的电阻电抗比
低压馈线电阻
低压馈线电抗
低压馈线的电阻电抗比
在其他可能的控制技术中，许多无功功率控制策略以文献中提出的优化问题解决方案为基础，即既有集中控制又有分散控制的结构。总的来说，为了完成低压分布下的电压调节，集中控制方法是将从智能电表所采集的大量相关数据传输到集控室，经集控室处理后转换成控制信号返回到被控单元以完成精准控制。因此，在许多电压/无功优化过程中，为了避免复杂数据的处理，采取分散控制逻辑的方法是更好的。
除了逻辑控制的应用，随着为了局部电压问题和电动汽车在电网中渗透问题在技术上的突破和避免对电网进行不必要的加固，许多对分布式电动汽车充电控制的发展前景的论证研究已经开始。在[26]和[27]中，分析了应用电压型无功功率策略的电动汽车无功功率平衡的积极影响。双向电动汽车充电设备控制器成就的发展在于[28]，它提出了一个控制逻辑，当为设计的充电站维护直流电压时，能够通过无功功率变换对总线电压进行调节。在[29]中有这样一个例子，通过执行不同的无功功率控制逻辑，比如固定功率因数、将功率因数作为其他有功功率或局部电压的函数、滞环控制等评估对电网的影响。将无功功率输出曲线作为有功功率和局部电压的函数的创新时在[30]中所提到的，在那里电动汽车被视作单相连接，因此做了不平衡条件的评估。
上面的工作通过来自电动汽车无功功率对局部电压提出了积极影响。然而，这些研究方法仅对单个配电网有效。由于这种控制器的有效性取决于电力系统的电气特性，它对评估其在不同电网下的影响有重要意义。这一方面，在[31]中对光伏逆变器的无功功率控制的有效性用不同的R/X电网特性做了评估，它说明了如何依靠电网特性降低过电压。
同样，我们期望在低电压馈线的电网内安装的带有快速充电功能的商业电动车产生的无功功率由于电网特性而产生的低压效应得到抑制。在此背景下，我们已经在[32]中调查了由无功功率影响下单个配电网元件的效应。具体而言，提出的分析表明中压/低压变压器和中压电网（除非极弱）在无功功率影响下的电压临界反应。此外，还发现低压馈线的电阻与电抗的比值R/X对这个结果并没有产生什么重要影响，然而，它的绝对值|R/X|却是一个重要参数，它表示了低压馈线的长度。在这项工作中，我们的目标是扩展和增强在[32]中提出的调查，通过在分析公式中包含负载的电压依赖性，并在不同的电网上进行验证。对局部电压的无功功率的效果在不同的负荷模型的感应功率因数方面以及电压依赖性行为
的情况下作了评估。因此，我们试图回答这些贡献的已确定的研究问题是：利用电动汽车快速充电器为低压配电网中的电压控制提供无功功率的潜在可能性有多少？根据单个电动汽车必须能够提供的无功功率数量，可以给分布式电网运营商哪些指导原则？新颖之处在于为分布式电网运营商提供这样的指南，比如适用于不同类型的顾客，例如住宅，商业，和工业。当分布式电网运营商必须评估在低压网络中安装新型电动汽车快速充电器的请求时，这样的建议方法将被视为评估标准。所提出的分析公式已经通过MATLAB实现公式验证。进一步的验证已通过在基于LV CIGRE住宅径向基准[33]的电力系统仿真工具DIgSILENT PowerFactory的潮流计算中，以及先前用于丹麦低压配电网络上的[30]其它电动汽车集成相关的研究进行。
本文的结构如下。第2节介绍了用于评估配电网无功功率效应的分析公式。第3节概述了评估单个电力系统组成元件作用的方法。在第4节中，详细介绍了包括负载模型的灵敏度分析。 第5部分报告了所提议方法的验证。 结论在第6节中介绍。
配电网中的电压降评估
尽管由于R / X比率低（0.1-0.2），电压支持的无功功率管理对高压 / 中压水平有主要影响，但在低压配电网中（平均R / X比率为0.5-5），无论如何都认为它是可行的，意味着可以将电压保持在标称值的plusmn;10％的允许范围内。事实上，现代配电网的运行受到可再生能源资源的日益普及以及电动汽车等新电力负荷的挑战。例如，在大多数欧洲国家的住宅光伏装置连接到低压配电网，需要通过无功功率调节电压。类似地，电动汽车充电过程可以通过利用电容性功率因数来执行，即注入无功功率以避免欠压。在配电网中，低压水平的横向参数电导和电纳可忽略不计。所有具有可忽略的横向参数的网格可以由图1中的R-L电路表示。其中示出了平衡三相线的单相等效电路，其中R1和X1是配电线的纵向参数，E1和E2是两端的相电压，而Delta;E是沿线的电压降。新型快速充电器是三相连接，因此不会引入任何额外的例如[34]中提到的现场试验中使用的不平衡组件。
用户在线末端吸收的视在功率S可以表示为方程 （1），其中I *是复电流的共轭。
从（1）可以获得以电压E2（作为参考）作变量的函数I，以及S的实部和虚部，即P和Q。 这个公式在方程（2）中。
式（3）提到的复相量I，其实部和虚部Ir和Ii在方程式（4）和（5）中由明确定义。
需要注意的是，电流Ir实部的符号表示用户是否被吸收或注入功率。对电动汽车来说，这意味着它正在充电或放电，对应于图2的P-Q四象限电动汽车充电装置转换器操作方案的I / IV或II / III象限。相角phi;以及虚部Ii表示用户是否正在分别交换对应于I / II或III / IV象限的电感（正）或电容（负）无功功率。从图3的相量图可以看出，以E2为参考，因此E1和I分别超前E2 ε和phi;相角。
线路E1起始端的复电压等于E2，并且沿线Delta;E复合电压降增加，如等式（6）。E是电流I和线路阻抗Z1的复数乘积，Z1=(Rl jXl)。
方程 （6）中，母线起始电压幅值E1和角度ε可以按照公式 （7）和（8）表示。
所提出的E1模块（即，图3的长度OB）的分析评估被设定为与其角度ε无关的特定值，因此其不包括在最终公式中。实际上，所提出的公式使得我们能够独立于其在E1上的相位来估计电压E2的实际量值。与通过忽略（6）的虚部（因此仅考虑E1在实轴上的投影，即OH）的简化公式的传统方式相比，该公式考虑了矢量E1的整个量值， 即OB = OC。虽然它不同于传统的线路电压降的复杂计算方法（这在评估电网损耗时很关键），但它仍然是估算新型电动汽车充电设备对局部电压影响的精确方法。
通过结合等式 （2）和（7），并参照图3中的相量图，在等式（9）中可以表示E2的幅度。即作为E1，电流（Ir和Ii）的实部和虚部以及线路阻抗（R1 jX1）的函数：
在容性无功功率（负Q，意味着正Ii）的情况下，由于有功电流吸收引起的电压下降-IrXl由于部分无功电流 IiXl引起的电压升高而补偿。因此，为了在电动汽车充电期间保持电网稳定，而不是减少有源充电功率由此影响用户体验，注入容性无功功率可被视为有吸引力的替代方案，因此电动汽车充电设备转换器充电过程运行在图2中的IV象限。
所提出的分析主要目的是为分布式电网运营商在新的电动汽车充电设备安装提供无功功率需求方面的指导。因此，无功功率对线路末端作为视在功率函数的电压影响的判断具有重要意义。为此，方程 （9）与（4）和（5）相结合，以分别表示有功功率P和无功功率Q，从而给出公式 （10）。注意（10）也可以直接从方程 （7）式中得出，没有明确实部和虚部电流分量Ir和Ii。
利用（10），可以计算线路终端E2处的电压幅度，给定线路参数，源极端子处的电压以及以P和Q表示的电动汽车充电功率。
式（10）为P和Q的固定值提供理想的相电压，因此考虑到实际吸收的功率与局部电压无关。当评估新的终端（例如，大负载，PV，EVSE）对电网的影响时，电网运营商对于新的电气安装考虑无电压依赖性的假设（即恒定功率单位）是普遍的做法。实际上，分布式电网运营商通常会根据容量来考虑新负荷的大小，即功率量将在公共耦合点进行交换。为此，恒功率负载模型已被用于新型EV快速充电器，其容量以最大充电功率容量为标准。
与此相反，在电力系统中无源负载的典型特征是具有不同的电压依赖性。根据ZIP理论，每个负载都可以参照其性质进行建模：它可以简单地称为“恒功率”，“恒定电压”或“恒阻抗”负载，或者混合的特征。典型的负载模型由方程式（11）和（12）中的多项式给出 ，其表示在标称局部电压E20为230V的情况下根据理想功率值（Pload0和Qload0）的实际吸收的有功和无功功率Pload和Qload的电压依赖性。
系数a0，a1，a2分别代表恒功率，恒定电流和恒定阻抗贡献的份额，它们的总和总是等于1。通过以ai = 1来表示完全恒功率/电流/阻抗单元的极端情况。对于无功功率的电压依赖性，对于系数b0，b1和b2是类似的。第5部分报告了住宅，工业和商业负载的典型ZIP系数。
通过把图1中电路末端作为已知负载和新型电动汽车充电设备的组合用户来考虑，现在可以进一步进行研究了。因此，P和Q可以分解为与EV（PEV和QEV）以及负载（Pload和Qload）相关的两个组件，如方程（13）和（14）所示。
可以注意到方程（13）和（14）可以通过包括其他类型的单元来扩展，例如逆变器驱动的分布式能源。在这种情况下，参考ZIP建模，恒功率单元转换为新P和Q电源模型。
如果电压升高，一方面预计恒定的功率负载会消耗更少的电流，从而增强了由无功功率提供确定的电压调节效果。另一方面，恒阻抗负载会消耗更多，从而降低效
全文共13183字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[11100]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
