电动汽车接入视角下配电网电力电子变压器研究

电动汽车接入视角下配电网电力电子变压器研究

姚颖

天津市安通科技有限公司

摘要：电动汽车是降低交通碳排放的重要手段，近年来得到了飞速发展。据国际能源署预测，2030年全球电动汽车保有量将达到1.45亿辆。电动汽车的规模化接入将给配电网运行带来巨大变化：一是电动汽车具有较强的流动性和时空不确定性，其充电行为将影响配电网的安全稳定运行；二是电动汽车的充电过程具有灵活性，可被视为电网中的一种灵活性资源并加以利用。为了揭示电动汽车规模化接入配电网后的复杂运行特征，支撑车-网互动下的配电系统高品质运行，迫切需要发展更为有效的运行模拟与分析方法。本文对电动汽车接入视角下配电网电力电子变压器进行分析，以供参考。

关键词：电动汽车接入；配电网电力电子变压器；研究

引言

能源危机和环境污染问题日趋严重，电动汽车的逐渐普及能够有效缓解能源和环境问题，其保有量在国家政策的大力支持下大幅度增加，我国已逐渐占据世界上最大的电动汽车市场。截至2019年底，我国新能源汽车总量已达381万辆，相较2018年同期，增长率达到46%，纯电动汽车数量达到310万辆，占新能源汽车总数的81.19%，较上一年同期增加100万辆，呈现出快速增长的趋势。预计至2030年，我国电动汽车数量将占据汽车总量的50%。可以预见，配电网将出现大规模电动汽车接入的新形态。然而大规模接入的电动汽车会威胁配电网的安全稳定运行，大量接入的电动汽车将改变配电网的源荷组成，使故障特征复杂多变，传统的故障分析方法已经难以适用。准确有效的故障分析方法对配电网的保护整定至关重要，是保障配电网的安全可靠运行的关键，因此研究新的考虑大规模电动汽车接入的配电网故障分析方法意义重大。

1概述

总体来看，在系统级运行模拟中，现有研究主要侧重电动汽车负荷整体聚合特性和不确定性的刻画，对单体充电行为的精细化考虑较少。在实际配电网中，各电动汽车的充电功率、时长、接入和退出时刻等特征差异较大，在不同充电站的空间分布也会影响整体电网中充电功率的需求[11]。现有配电网运行模拟方法大多采用相对简化的电动汽车稳态模型，无法计及充电过程中的动态功率变化、灵活接入和退出等因素；精细化的电动汽车动态模型计算量较大，大规模接入配电网后将带来大量离散化特征，对求解方法的性能提出了巨大挑战。量子化状态系统（quantized-state-system，QSS）方法为应对规模化电动汽车接入后的配电网连续离散混杂特性提供了可行方案。QSS是一种事件驱动的数值积分算法，并在长期发展中形成了一阶、高阶、隐式等不同的算法形式。QSS算法有别于传统时域数值积分算法，它采用状态离散化代替了经典数值积分算法的时间离散化，从而能够准确地定位各种离散因素的变化时刻，提高计算效率。目前，QSS方法已在电力电子装置的精细化仿真、离散信息系统与连续物理系统联合仿真[16]、连续-离散混杂综合能源系统多尺度仿真等方面得到了探索性应用。由于QSS方法能够高效处理各种离散因素，其在大规模电动汽车接入的配电网运行模拟中也具有巨大的应用潜力。

2电动汽车放电行为对配电网故障电流的影响分析

配电网故障电流大小由故障类型、配电网网架结构、线路阻抗、变压器容量等因素共同决定。在配电网网架结构领域，部分发达国家和国内部分发达地区的配电网已采用多方向互联的环网型结构，巴黎城区20kV配电网采用了三环网的供电方式，新加坡22kV配电网网架结构呈花瓣形，巴黎城区与新加坡供电可靠率均已超过99.999%；在国内，上海目前正在打造“钻石型”配电网，2018年，“钻石型”配电网在西虹桥地区进行试点应用，使该地区供电可靠率达到99.999%。此外，灵活互联的配电网网架结构是近年来提出的泛在电力物联网、电网智能化建设的基础。由此推测，虽然目前国内配电网结构多为辐射型，但为提高配电网供电可靠性与智能化程度，多向互联的环网型结构将是配电网网架的发展趋势。

3电动汽车接入视角下PET拓扑及控制策略

3.1电动汽车接入下的PET拓扑

依据电动汽车充电的实际需求，PET拓扑应采用三级结构，包括输入级、隔离级和输出级等。根据PET拓扑结构来看，在输入级主要是利用模块化多电平变流器（Modu1ar-Multilevel-Converter，MMC），隔离级则利用多个双有源桥DC／DC变换器（Dual-Active-Bridge，DAB），利用输入串联及输出并联结构，形成功率切换的基础模块。另外，逆变模块则是利用三相四桥臂逆变器所构成，从而满足电动汽车充电时的电能转换。结合该拓扑结构的特点来看，主要包括如下方面：（1）目前大部分电动汽车的充电方式，由于受到设备及区域等限制，仍然集中于慢充领域，但不可否认的是快充将是必然趋势，用以满足复杂场景下的电动汽车使用需求。该拓扑结构下能够利用PET的低压直流快充接口，可以实现电动汽车快慢结合的充电模式，成为当前配电网的最优选择。（2）利用PET低压直流母线的快充接口，可以大幅降低配电网的复杂程度，不仅降低了充电桩投资成本，还可以省去多级式双向充电机的AC／DC环节，改变了以往相对传统的配置方式，特别是针对车载双向充电机V2G效能发挥受限，PET拓扑结构均能够带来极大改善，有助于发挥电动汽车的使用效能。（3）通过切换功率模块的应用，依赖公用电感的技术优势，有助于减省电感，尤其是在充电负载率变化过程中，能够对DC／AC模式进行切换，并实现随负载变化而改变滤波电感接入量，减少负载电压畸变的问题，由此使输出侧电能质量获得大幅提高。（4）利用PET交直切换技术优势，与传统变压器的应用比较中，可以展现出良好的适应性，有助于减省容量配置。

3.2电动汽车接入下PET控制策略

根据电动汽车接入的实际需求，输出级属于PET控制的重点内容，具体包括了逆变模块、可切换功率模块等方面，在实际的技术运行过程中，利用两种模块之间功能的并联实施，以实现对配电网的快速充电功能，并完成相应的主从控制机制。在实际的应用场景中，主逆变器由逆变模块负责，通常利用定电压控制，从逆变器则由功率模块负责，利用定功率控制。借助技术的融合管理，全面满足电动汽车接入的需求。

结束语

随着城市工业化进程的加快，污染已经成为我们日常生活中的一大挑战。化石燃料的燃烧带来了许多有害气体，对环境，生态系统的平衡造成严重的影响，为了响应国家节能减排的号召，对零排放，零污染的可再生能源的利用成为当前一个研究热点。微电网的产生为可再生能源的消纳提供一个新的途径。本文根据V2G模式下电动汽车通过充电桩向配电网放电的特征，用电源出力的形式描述大规模电动汽车的放电行为，在此基础上建立了电动汽车放电等值电源模型，研究了计及电动汽车大规模接入的配电网故障分析方法，证了电动汽车的放电行为会对配电网故障原有电流产生一定程度的影响。相较于辐射型配电网，环网型配电网所受到的影响程度更大。

参考文献

[1]魏智宇.电动汽车接入直流配电系统的虚拟惯量控制研究[D].山东理工大学,2021.

[2]李欣蕊.基于时空特性的含大规模电动汽车配电网电价优化[D].沈阳工业大学,2021.

[3]邾玢鑫,电动汽车及新能源规模化接入关键技术研究与应用.湖北省,三峡大学,2021-06-05.

[4]蔡亦涵.含光伏接入的电动汽车充换电系统优化运行研究[D].华中科技大学,2021.

[5]冯万富.电动汽车接入配电网的三相不平衡问题研究[D].沈阳工程学院,2021.