文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.041
中文引用格式： 孫興，李春平，姜楠，等. 大規(guī)模電動汽車接入的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(11)：149-152.
英文引用格式： Sun Xing，Li Chunping，Jiang Nan，et al. Stability analysis of power system consider the large-scale electric vehicle access[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：149-152.
0 引言
隨著全球能源日趨緊張，生態(tài)環(huán)境日益惡化，關(guān)于新能源汽車的開發(fā)與應(yīng)用問題已成為各國汽車工業(yè)積極探索的焦點(diǎn)，電動汽車以其清潔、環(huán)保、廉價的特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注[1]。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開政策的支持，尤其對于中國來說，政策的導(dǎo)向性十分明確。第一批新能源汽車推廣應(yīng)用城市新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)由“示范應(yīng)用”向“推廣應(yīng)用”正式過渡，按照“十二五” “十三五”發(fā)展計劃，電動汽車在10年期間會形成足夠大的規(guī)模，大規(guī)模電動汽車接入之后必然會帶來大量的充電負(fù)荷[2]。
電力系統(tǒng)地域廣、涉及元件多、相互之間耦合緊密，而隨著電動汽車使用數(shù)量增加,電動汽車充電設(shè)備的規(guī)?；尤?，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程將會更加復(fù)雜，使得采用電力系統(tǒng)數(shù)值仿真對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析時變得更加困難[3]。
目前，考慮大規(guī)模電動汽車接入后對電力系統(tǒng)影響的研究已經(jīng)展開，文獻(xiàn)[4]對電動汽車充放電給電力系統(tǒng)帶來影響相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，并展望了相關(guān)領(lǐng)域的下一步研究工作；文獻(xiàn)[5]對電動汽車充電負(fù)荷與調(diào)度控制策略進(jìn)行了綜述，指出了尚未解決的問題和可能的研究方向；文獻(xiàn)[6]對電動汽車電池集中充電站接入后的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。
以上研究及綜述均未對考慮大規(guī)模電動汽車接入后使得電力系統(tǒng)數(shù)值仿真難度增大的問題進(jìn)行解決，因此本文以分塊解耦動態(tài)仿真作為工具，并采用以考慮節(jié)點(diǎn)支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法，可以有效解決上述問題，從而提高電力系統(tǒng)動態(tài)仿真在對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析時的精度，并通過先驗仿真得到電池集中充電站最優(yōu)接入方案，保障電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
1 電動汽車入網(wǎng)技術(shù)
本節(jié)將先介紹電動汽車的分類及補(bǔ)給形式，最后介紹電動汽車的幾種入網(wǎng)技術(shù)，作為分析大規(guī)模電動汽車接入后電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。
1.1 電動汽車的分類
電動汽車根據(jù)消耗能源的不同，可分為純電動汽車、插電式混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車三類。其中，純電動汽車完全靠電能驅(qū)動；插電式電動汽車采用汽油和電能驅(qū)動；燃料電池電動汽車則以清潔燃料發(fā)出電能驅(qū)動。由于續(xù)航能力受電池容量所限，純電動汽車尚未大規(guī)模普及，但隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，純電動汽車是未來發(fā)展的趨勢；插電式電動汽車采用兩種能源，在提高能效的同時，使用方便、靈活，已具有相對成熟的技術(shù)，逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的階段[7]。本文針對前兩種進(jìn)行研究，它們需要從電網(wǎng)汲取電能，具有充電行為。
1.2 電動汽車的補(bǔ)給形式
電動汽車的主要補(bǔ)給形式有充電樁、充換電站和電池集中充電站。大量電動汽車投入使用之后必然會帶來大量的充電負(fù)荷，電動汽車行業(yè)發(fā)展穩(wěn)定后，大量分散在城市各處的充電樁和充換電站對電能能夠進(jìn)行及時的補(bǔ)充。在國家電網(wǎng)公司“換電為主，插充為輔，集中充電，統(tǒng)一配送”的指導(dǎo)思想下，電池集中充電站作為一個重要的補(bǔ)給中心被提出。
幾種補(bǔ)給形式中，充電樁由于工作電壓電流均較低,帶來的影響也較小。而換電站由于不具備充電功能,因此換電站本身與電網(wǎng)并無聯(lián)系,儲備的電池需要送往電池集中充電站進(jìn)行充電[8]。電池集中充電站的負(fù)荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他形式,因此對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響比其他形式的負(fù)荷更明顯，在運(yùn)用電力系統(tǒng)動態(tài)仿真對電力系統(tǒng)進(jìn)行分析與控制時要考慮其影響。
1.3 電動汽車入網(wǎng)技術(shù)
電動汽車的入網(wǎng)技術(shù)以車輛的蓄電功能及電池的充放電功能為基礎(chǔ)，支持智能電網(wǎng)(Smart grid)工作的一種應(yīng)用方式。目前的入網(wǎng)技術(shù)有以下三種
(1)吸收非主流發(fā)電形式(火電、水電、核電以外的發(fā)電形式)所生產(chǎn)的剩余電力，即作為電網(wǎng)的緩沖容量(G2V，Grid to Vehicle)，這項功能主要用來緩解電網(wǎng)中用電高峰和低谷所帶來的波動，減輕電網(wǎng)調(diào)解、調(diào)度的壓力。
(2)由車輛或電池向電網(wǎng)供電，即用電動汽車技術(shù)來支撐電網(wǎng)的容量不足(V2G，Vehicle to Grid)。
(3)作為停電時面向家庭供電的電源(V2H，Vehicle to Home)這項功能主要用來應(yīng)對洪水、地震及火災(zāi)等大規(guī)模災(zāi)害。當(dāng)公共供電系統(tǒng)受損無法正常提供電力時，使用車載電池向家庭供電，以維持家庭的正常生活。
技術(shù)(3)對電網(wǎng)影響較小，因此本文在計及大規(guī)模電動汽車接入后的影響時主要針對前兩種技術(shù)。
2 電力系統(tǒng)動態(tài)仿真
電力系統(tǒng)是由鍋爐、汽輪機(jī)、水輪機(jī)、反應(yīng)堆、發(fā)電機(jī)等生產(chǎn)電能的設(shè)備，變壓器、電力線路等變換、輸送、分配電能的設(shè)備，電動機(jī)、電燈、電熱電爐等各種消耗電能的設(shè)備，以及測量、保護(hù)、輔助控制裝置及能量管理系統(tǒng)所組成的統(tǒng)一整體，是一個十分龐大而復(fù)雜的研究對象[9]，在研究考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)穩(wěn)定性分析，需要把電動汽車相關(guān)的元件模型加入其中。
電力系統(tǒng)仿真是幫助我們認(rèn)識、分析電力系統(tǒng)規(guī)律性并進(jìn)行控制的有效工具[10]，它可以在實(shí)驗室中對復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行模擬，其具有無破壞性、經(jīng)濟(jì)性和易控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輔助決策、方案比較、輔助設(shè)計、計劃優(yōu)化及管理調(diào)度等方面。
按照仿真過程的不同，電力系統(tǒng)仿真通常分為:電磁暫態(tài)過程仿真、機(jī)電暫態(tài)過程仿真和中長期動態(tài)過程仿真三種[11]。本文研究的是機(jī)電暫態(tài)過程中的電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析。
在進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定分析時，發(fā)電機(jī)采用忽略定子回路電磁暫態(tài)過程的五階實(shí)用模型；勵磁系統(tǒng)采用可控硅勵磁調(diào)節(jié)器的三階模型（調(diào)節(jié)器一階、勵磁器一階、勵磁電壓軟反饋一階）；計及原動機(jī)及調(diào)速器動態(tài)；負(fù)荷采用補(bǔ)給基于V2G模式的電動汽車、電池負(fù)荷模型；電力網(wǎng)絡(luò)采用節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣表示的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。圖1為系統(tǒng)各類元件之間的聯(lián)系。電力系統(tǒng)元件和參數(shù)眾多，系統(tǒng)中各元件之間有著很強(qiáng)的耦合關(guān)系，每個元件的模型和參數(shù)都可能對動態(tài)仿真的結(jié)果有一定程度的影響，如果有模型參數(shù)存在誤差會影響電力系統(tǒng)動態(tài)仿真的精度。美國西北太平洋國家實(shí)驗室最早將同步相量測量裝置(Phasor Measurement Unit，PMU)的量測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)仿真模型相結(jié)合，將復(fù)雜的系統(tǒng)分塊解耦后再進(jìn)行動態(tài)仿真，為正確認(rèn)識并提高仿真可信度提供了有力的工具[12]，此后，國內(nèi)研究者也對該問題開展了相關(guān)研究工作。下一節(jié)將針對此問題采用分塊解耦動態(tài)仿真方法進(jìn)行解決。
3 分塊解耦動態(tài)仿真
本節(jié)將對分塊解耦動態(tài)仿真進(jìn)行詳細(xì)介紹，并采用考慮節(jié)點(diǎn)支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法對系統(tǒng)進(jìn)行分塊解耦。
3.1 分塊解耦動態(tài)仿真原理
3.1.1 分塊解耦動態(tài)仿真模型
如果電力系統(tǒng)的動態(tài)模型被視為一個黑箱系統(tǒng)，則分塊解耦動態(tài)仿真方法在邊界母線處注入的實(shí)測數(shù)據(jù)相當(dāng)于注入這個黑箱的輸入，解耦仿真得到的仿真結(jié)果相當(dāng)于黑箱的輸出。圖2所示是一個已知邊界母線實(shí)測數(shù)據(jù)的解耦仿真系統(tǒng)，通過邊界母線的實(shí)測數(shù)據(jù)將研究系統(tǒng)與外部系統(tǒng)解耦。
電力系統(tǒng)分塊解耦仿真利用PMU的量測數(shù)據(jù)將系統(tǒng)解耦成若干個子系統(tǒng)，只對其中一個子系統(tǒng)進(jìn)行研究，外部系統(tǒng)只需計及對研究系統(tǒng)的影響，對其內(nèi)部不必詳細(xì)描述，在邊界母線處注入的PMU實(shí)測數(shù)據(jù)代替發(fā)電機(jī)或者電池集中充電站仿真模型，外部系統(tǒng)對研究系統(tǒng)的影響就以動態(tài)數(shù)據(jù)的形式反映出來。
3.1.2 分塊解耦動態(tài)仿真的數(shù)學(xué)描述
本小節(jié)通過對分塊解耦動態(tài)仿真進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，分析了系統(tǒng)解耦的原理。
分塊解耦動態(tài)仿真方法先從大系統(tǒng)中分解出待研究的規(guī)模較小的子系統(tǒng)，當(dāng)只研究電池集中充電站仿真模型參數(shù)時，可將其設(shè)為子系統(tǒng)。再將PMU量測得到的數(shù)據(jù)注入到邊界母線處實(shí)現(xiàn)解耦。將待研究的子系統(tǒng)定義為內(nèi)網(wǎng)，外部系統(tǒng)定義為外網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)之間通過邊界節(jié)點(diǎn)相連。I、B和E分別代表內(nèi)網(wǎng)、邊界節(jié)點(diǎn)和外網(wǎng)，它們組成的電力網(wǎng)絡(luò)用導(dǎo)納陣描述的網(wǎng)絡(luò)方程如式（1）所示：
電力系統(tǒng)動態(tài)特性可以用式(2)的微分代數(shù)方程組來描述：
式（2）中，x={x1，x2，…，xM}為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，y={y1，y2，…，yN}為系統(tǒng)的代數(shù)變量，f和g分別包含M個和N個方程。
分塊解耦動態(tài)仿真的實(shí)質(zhì)是減少式（2）中需要求解的微分代數(shù)方程的個數(shù)。如果系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，邊界母線代數(shù)變量的值能被PMU測得，則解耦后不再需要求解外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程（式（2）中的代數(shù)方程），外部系統(tǒng)中動態(tài)元件的差分方程（式（2）中的微分方程）也不需要求解。此時，內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程可用式（3）表示：
實(shí)測數(shù)據(jù)直接注入的方法，每一仿真步長內(nèi)式(3)中邊界節(jié)點(diǎn)的B都已知，將內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程與動態(tài)元件的方程聯(lián)立就可以進(jìn)行動態(tài)仿真計算，邊界母線處實(shí)測數(shù)據(jù)代替外部仿真模型與要研究的電池集中充電站仿真模型進(jìn)行交替仿真，不需要將外部系統(tǒng)等值成新的元件。
3.2 網(wǎng)絡(luò)分塊算法
合理的網(wǎng)絡(luò)分塊算法應(yīng)該通過設(shè)置盡量少的邊界母線將大規(guī)模系統(tǒng)解耦成盡量多的子系統(tǒng)，而讓每一個子系統(tǒng)包含盡量少的動態(tài)元件，從而以最小的代價提高動態(tài)仿真精度。
節(jié)點(diǎn)和支路是描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要元素，分塊解耦動態(tài)仿真中，研究系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間通過節(jié)點(diǎn)相連接。支路是仿真耦合的橋梁，而網(wǎng)絡(luò)分塊算法通過減少支路將網(wǎng)絡(luò)解耦，所以應(yīng)該優(yōu)先選出節(jié)點(diǎn)支路密度大的節(jié)點(diǎn)。這里的支路密度指連接到同一節(jié)點(diǎn)的支路的數(shù)量。如式（4）所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有n個節(jié)點(diǎn)時，可形成如下的n×(n+1)維的矩陣。
上式矩陣中每行的最后一列為與某一個節(jié)點(diǎn)直接相連的支路的數(shù)量，即這個節(jié)點(diǎn)的支路密度。網(wǎng)絡(luò)分塊算法的流程如圖3所示。
上述網(wǎng)絡(luò)分塊過程中，由于節(jié)點(diǎn)N已配置了PMU，節(jié)點(diǎn)電壓、相連的支路的功率、電流均可以量測得到，在下次尋找最優(yōu)先配置PMU節(jié)點(diǎn)時不需要加入支路密度的計算，因此將節(jié)點(diǎn)N相連的支路去掉。另外每次去掉與節(jié)點(diǎn)N相連的支路后，需去掉只包含一個動態(tài)元件的子系統(tǒng)。
4 算例
當(dāng)電力系統(tǒng)中配置了電動汽車電池集中充電站時，由其仿真模型構(gòu)成的子系統(tǒng)可以等同于其他電力系統(tǒng)元件進(jìn)行分塊解耦，通過將PMU數(shù)據(jù)注入可以得到更精確的電池集中充電站仿真模型及參數(shù)，使電力系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)果更加可靠。另外，在得到了電池集中充電站仿真模型及參數(shù)后可以進(jìn)行先驗仿真，先驗仿真的結(jié)果可以評估電動汽車電池集中充電站在不同地點(diǎn)安裝時對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，起到有效的指導(dǎo)作用。
本節(jié)以圖4所示新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，介紹考慮節(jié)點(diǎn)支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法。
考慮節(jié)點(diǎn)支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法進(jìn)行PMU的最優(yōu)配置，從節(jié)點(diǎn)1開始，對各個節(jié)點(diǎn)的支路密度進(jìn)行計算，結(jié)果如表1所示。
根據(jù)表1，在表中列出的7個節(jié)點(diǎn)上設(shè)置PMU，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分塊得到圖5所示的結(jié)果。
算例系統(tǒng)設(shè)置了7個PMU后被分為了16個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)內(nèi)最多存在4個動態(tài)元件。分塊解耦后大大減小了系統(tǒng)的耦合程度，使得進(jìn)行動態(tài)仿真驗證的難度大大降低。
對于已經(jīng)配置了PMU的實(shí)際系統(tǒng)來說，也可以通過考慮節(jié)點(diǎn)支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法在已經(jīng)安裝了PMU的母線中選出邊界母線，進(jìn)行分塊解耦動態(tài)仿真。
5 結(jié)語
隨著電動汽車的逐漸普及，電動汽車所帶來的充電負(fù)荷會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也會逐漸增大，因此有必要再考慮大規(guī)模電動汽車接入的情況下對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，本文提出的分塊解耦動態(tài)仿真方法可以得到可靠的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果，并得出電池集中充電站最優(yōu)接入方案，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
[1] 宋永華，陽岳希，胡澤春.電動汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011(4)：20-22．
[2] 胡澤春，宋永華，徐智威，等.電動汽車接入電網(wǎng)的影響與利用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012(4)：38-40．
[3] KOSTEREV D N，TAYLOR C W，MITTELSTADT W A．Model validation for the August 10，1996 WSCC system outage[J].IEEE Trans.on Power Systems，1999，14(3)：967-979．
[4] 馬玲玲，楊軍，付聰，等.電動汽車充放電對電網(wǎng)影響研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(3)：141-142.
[5] 王錫凡，邵成成，王秀麗，等．電動汽車充電負(fù)荷與調(diào)度控制策略綜述[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33(1)：1-3．
[6] 楊鐸.計及電動汽車電池集中充電站接入的電網(wǎng)穩(wěn)定性分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.
[7] 中華人民共和國科技部.電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃[EB/OL].[2012-08-07].http：//www.gov.cn/zwgk/2012-04/20/content_2118595．
[8] 錢科軍，周承科，袁越.純電動汽車與電網(wǎng)相互關(guān)系的研究現(xiàn)狀[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010(11)：1-7.
[9] 賀仁睦.電力系統(tǒng)動態(tài)仿真準(zhǔn)確度的探究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(12)：1-4.
[10] 湯涌.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動化，2002，26(17)：66-70．
[11] 伍雙喜，吳文傳，張伯明，等.用PMU量測設(shè)置V-θ節(jié)點(diǎn)的混合動態(tài)仿真驗證策略[J].電力系統(tǒng)自動化，，34(17)：12-16.
[12] HUANG Z，NGUYEN T，KOSTEREV D，et al.Model validation of power system components using hybrid dynamic simulation[C].Conference on Transmission and Distribution Conference and Exhibition，2006.