基于前推回代法的电动汽车负荷对局域配网影响分析
李成飞 蒋力 汪博烨
摘 要：电动汽车在当代社会越来越普及，为了研究电动汽车充电负荷对配电网的负荷波动、电压偏移和网络损耗的影响，需要对接入充电负荷后的配电网进行潮流计算，得到系统的运行数据并进行分析。本文针对IEEE33节点局域配电网，采用了前推回代法进行潮流计算并对结果进行了分析。
关键词：电动汽车 负荷波动 局域配电网 前推回代值
1 引言
1997年丰田公司推出第一款量产混合动力轿车以来，世界各国纷纷致力于电动汽车的研发[1][2]。电动汽车有无污染、噪声低、能源利用效率高等优点，我国作为全球电动汽车第二大市场，有较好的应用推广前景。随之而来的是电动汽车充电问题，与传统电力负荷不同，电动汽车的充电负荷在时间和空间上都具有较强的随机性，大规模的充电负荷接入系统后可能给系统带来负荷波动增强、频率偏移、电能质量降低和网络损耗增加等负面影响，造成系统难以维持安全稳定运行状态、减小系统经济运行能力的不良后果[3]。因此，提前做好电动汽车负荷对局域配电网的影响分析对电网安全稳定运行具有重要意义。
对于电力系统来说，保证供电的可靠性、保证良好电能质量和经济运行是它的基本运行要求[4]。电压质量、频率质量和波形质量是衡量电力系统电能质量的三个技术指标。其中，电压质量和频率质量一般以偏移是否超过给定值来衡量，波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。大规模电动汽车接入配电网充电对配电网带来的影响，除了给系统的负荷波动带来影响之外，还会影响电网的电能质量和经济运行两个方面。其中对电能质量的影响主要包括电压偏移和谐波污染等方面，对经济运行的影响主要指网络损耗[5][6]。
2 配电网潮流计算
为了研究电动汽车充电负荷对配电网的负荷波动、电压偏移和网络损耗的影响，需要对接入充电负荷后的配电网进行潮流计算，得到系统的运行数据并进行分析[7]。对于辐射型配电网，可以采用前推回代法进行潮流计算。前推回代法的主要包括两步迭代计算过程，分别为回代过程和前推过程[8]。电动汽车充电负荷接入的配电网潮流计算步骤如下所述：
（1）对配电网系统和各节点进行编号，生成系统的节点阻抗矩阵和关联矩阵;
（2）输入系统中接入电动汽车充电负荷的节点位置和各节点的负荷;
（3）假设系统所有节点电压均为根节点的电压，从系统的末端节点开始向根节点方向求解各支路的电流和功率损耗，即回代过程;
（4）基于回代过程得到的线路电流分布，从系统的根节点开始向末端节点计算更新各节点的电压，即前推过程;
（5）判断是否收敛，以前后两次迭代的电压幅值之差是否小于迭代精度为判断条件，若，则迭代不收敛，转至步骤（3）;若，则收敛，结束迭代。
电动汽车充电负荷接入的配电网潮流计算流程图如图1所示。
3 算例
配电网以IEEE33节点配电系统标准数据为参考，接线图如图2所示，电网中共有33个节点，32条支路，节点1设为平衡节点，其他节点均为PQ节点，节点支路信息如表1所示，，，网络有功负荷。未接入电动汽车充电负荷的配电网负荷数据见表2。
4 电动汽车充电负荷对电网影响
显然，形成足以影响配电网的电动汽车负荷与电动汽车接入电网的数量有关，即电动汽车充电负荷与汽车数量成正相关，同理可知对配电网的影响程度与汽车数量成正相关。那么，可定义电动汽车的渗透率为电动汽车接入电网的用电量与配电网的额定容量之比的百分数，如式（3.1）所示。
（3.1）
式中，为每辆标准电动汽车电池的充电功率，为该时刻时正在充电的电动汽车数量，为电网的额定有功容量。
假设每个节点分布的充电负荷较均匀，以下以990辆电动汽车的充电负荷为研究样本接入电网，分别对局域配电网的负荷波动、电压偏移和网络损耗进行分析。
（1）负荷波动
选定渗透率为20%（248辆）、50%（620辆）和全部接入（990辆）三种电动汽车负荷接入电网时，电网的日负荷曲线如图3所示。不同的渗透率对应的峰谷差率结果如表3所示。
从图3中可以看出，电动汽车负荷接入电网之后，电网的总负荷在15：00至20：00明显增大，其中包含负荷峰时，全部负荷接入电网之后的负荷峰值达到了4278.1，这是因为电动汽车负荷的峰时与电网本身的峰时基本重合，因此造成了“峰上加峰”的现象;以峰谷差率来衡量电网的负荷波动程度，从表3中可以得到，随着电动汽车的渗透率的增加，峰谷差率逐渐增大，由56.25%增加到了58.03%，即负荷波动程度随着渗透率的增加逐渐变大。
（2）电压偏移
从负荷波动曲线中，可以得出20：00是系统的最大负荷时刻，分别作出在不同渗透率电动汽车下，20：00的33个节点的电压偏移曲线，如图4所示。可以观察到，系统电压偏移程度最大的节点18号节点。在没有电动汽车负荷接入时，系统的最大电压偏移低于9%。接入电动汽车充电负荷之后，18号节点的电压偏移随着渗透率的增大而增大，逐渐超出系统允许的电压偏移限值，且随着渗透率的增大，距离首端较远的其他节点比如14号至17号、32号、33号节点的电压偏移也超过了系统允许值。
（3）网络损耗
不同渗透率的电动汽车负荷接入电网时的系统网络损耗如图5所示。可以看出，在20：00附近时的网络损耗出现最大值，对比网络损耗和负荷波形，发现两者的变化趋势相近，可见当系统中的负荷越大，产生的网损越大。随着渗透率的增加，网络损耗也增大，在电动汽车负荷高峰时期变化明显，全部随机充电负荷接入电网时的网络损耗最大值为250kW。不同渗透率的电动汽车的接入系统时，在一个调度周期内，系统的总网损率如表4所示，没有电动汽车负荷接入电网时，网损率为3.70%，当渗透率为20%、50%和全部接入时，网损率增加到3.72%、3.75%和3.79%，可见随着电动汽车渗透率的增加，系统产生的总网损增大，使得电网不能达到经济运行的要求。
5 总结
本文通过研究证明，随着渗透率的增加，电动汽车充电负荷对系统的电负面影响逐渐增大：系统的负荷波动、电压偏移程度、网络损耗均会增大，从而影响系统安全稳定经济运行。
结论表明，随着电动汽车的逐渐普及，放任电动汽车充电负荷以随机模式接入电网将对局域配电网产生多种不良影响。因此，供电部门采取电动汽车充电基站建设集中化、选址科学化、分时充电电价差异化等手段来对电动汽车的充电行为进行正确引导，最小化电动汽车充电负荷给局域配电网产生的不良影响存在必要性。
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