文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用問(wèn)題已成為各國(guó)汽車工業(yè)積極探索的焦點(diǎn),，電動(dòng)汽車以其清潔、環(huán)保,、廉價(jià)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(kāi)政策的支持,，尤其對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō),，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(guò)渡,，按照“十二五” “十三五”發(fā)展計(jì)劃,，電動(dòng)汽車在10年期間會(huì)形成足夠大的規(guī)模，大規(guī)模電動(dòng)汽車接入之后必然會(huì)帶來(lái)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(dòng)汽車使用數(shù)量增加,電動(dòng)汽車充電設(shè)備的規(guī)?；尤?，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過(guò)程將會(huì)更加復(fù)雜，使得采用電力系統(tǒng)數(shù)值仿真對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)變得更加困難[3],。
目前,，考慮大規(guī)模電動(dòng)汽車接入后對(duì)電力系統(tǒng)影響的研究已經(jīng)展開(kāi)，文獻(xiàn)[4]對(duì)電動(dòng)汽車充放電給電力系統(tǒng)帶來(lái)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(duì)電動(dòng)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(wèn)題和可能的研究方向,；文獻(xiàn)[6]對(duì)電動(dòng)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(duì)考慮大規(guī)模電動(dòng)汽車接入后使得電力系統(tǒng)數(shù)值仿真難度增大的問(wèn)題進(jìn)行解決，因此本文以分塊解耦動(dòng)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(wèn)題，從而提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真在對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)的精度,，并通過(guò)先驗(yàn)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(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)
本節(jié)將先介紹電動(dòng)汽車的分類及補(bǔ)給形式,，最后介紹電動(dòng)汽車的幾種入網(wǎng)技術(shù),，作為分析大規(guī)模電動(dòng)汽車接入后電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。
1.1 電動(dòng)汽車的分類
電動(dòng)汽車根據(jù)消耗能源的不同,，可分為純電動(dòng)汽車,、插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車及燃料電池電動(dòng)汽車三類。其中,，純電動(dòng)汽車完全靠電能驅(qū)動(dòng),；插電式電動(dòng)汽車采用汽油和電能驅(qū)動(dòng)；燃料電池電動(dòng)汽車則以清潔燃料發(fā)出電能驅(qū)動(dòng),。由于續(xù)航能力受電池容量所限,，純電動(dòng)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(dòng)汽車是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì),；插電式電動(dòng)汽車采用兩種能源，在提高能效的同時(shí),，使用方便,、靈活，已具有相對(duì)成熟的技術(shù),，逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的階段[7],。本文針對(duì)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(dòng)汽車的補(bǔ)給形式
電動(dòng)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(dòng)汽車投入使用之后必然會(huì)帶來(lái)大量的充電負(fù)荷,，電動(dòng)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(duì)電能能夠進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)充。在國(guó)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(gè)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(lái)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(wú)聯(lián)系,儲(chǔ)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(duì)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(dòng)態(tài)仿真對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析與控制時(shí)要考慮其影響,。
1.3 電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)
電動(dòng)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(xiàng)功能主要用來(lái)緩解電網(wǎng)中用電高峰和低谷所帶來(lái)的波動(dòng),，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(dòng)汽車技術(shù)來(lái)支撐電網(wǎng)的容量不足(V2G,，Vehicle to Grid)。
(3)作為停電時(shí)面向家庭供電的電源(V2H,，Vehicle to Home)這項(xiàng)功能主要用來(lái)應(yīng)對(duì)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(wú)法正常提供電力時(shí),，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(duì)電網(wǎng)影響較小,，因此本文在計(jì)及大規(guī)模電動(dòng)汽車接入后的影響時(shí)主要針對(duì)前兩種技術(shù),。
2 電力系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)機(jī),、電燈、電熱電爐等各種消耗電能的設(shè)備,，以及測(cè)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(gè)十分龐大而復(fù)雜的研究對(duì)象[9],，在研究考慮大規(guī)模電動(dòng)汽車接入的電網(wǎng)穩(wěn)定性分析，需要把電動(dòng)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(shí),、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(yàn)室中對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行模擬,，其具有無(wú)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(jì)、計(jì)劃優(yōu)化及管理調(diào)度等方面,。
按照仿真過(guò)程的不同,，電力系統(tǒng)仿真通常分為:電磁暫態(tài)過(guò)程仿真、機(jī)電暫態(tài)過(guò)程仿真和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真三種[11],。本文研究的是機(jī)電暫態(tài)過(guò)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(shí)，發(fā)電機(jī)采用忽略定子回路電磁暫態(tài)過(guò)程的五階實(shí)用模型,；勵(lì)磁系統(tǒng)采用可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的三階模型（調(diào)節(jié)器一階,、勵(lì)磁器一階、勵(lì)磁電壓軟反饋一階）,；計(jì)及原動(dòng)機(jī)及調(diào)速器動(dòng)態(tài),；負(fù)荷采用補(bǔ)給基于V2G模式的電動(dòng)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(gè)元件的模型和參數(shù)都可能對(duì)動(dòng)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(huì)影響電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的精度。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室最早將同步相量測(cè)量裝置(Phasor Measurement Unit,，PMU)的量測(cè)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(dòng)態(tài)仿真，為正確認(rèn)識(shí)并提高仿真可信度提供了有力的工具[12],，此后,，國(guó)內(nèi)研究者也對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究工作。下一節(jié)將針對(duì)此問(wèn)題采用分塊解耦動(dòng)態(tài)仿真方法進(jìn)行解決,。
3 分塊解耦動(dòng)態(tài)仿真
本節(jié)將對(duì)分塊解耦動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分塊解耦。
3.1 分塊解耦動(dòng)態(tài)仿真原理
3.1.1 分塊解耦動(dòng)態(tài)仿真模型
如果電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型被視為一個(gè)黑箱系統(tǒng),，則分塊解耦動(dòng)態(tài)仿真方法在邊界母線處注入的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)于注入這個(gè)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(gè)已知邊界母線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的解耦仿真系統(tǒng),，通過(guò)邊界母線的實(shí)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)將系統(tǒng)解耦成若干個(gè)子系統(tǒng)，只對(duì)其中一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究,，外部系統(tǒng)只需計(jì)及對(duì)研究系統(tǒng)的影響,，對(duì)其內(nèi)部不必詳細(xì)描述,，在邊界母線處注入的PMU實(shí)測(cè)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(duì)研究系統(tǒng)的影響就以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的形式反映出來(lái)。
3.1.2 分塊解耦動(dòng)態(tài)仿真的數(shù)學(xué)描述
本小節(jié)通過(guò)對(duì)分塊解耦動(dòng)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(dòng)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(shí),，可將其設(shè)為子系統(tǒng),。再將PMU量測(cè)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(guò)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(dòng)態(tài)特性可以用式(2)的微分代數(shù)方程組來(lái)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(gè)和N個(gè)方程。
分塊解耦動(dòng)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(gè)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(cè)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(dòng)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(shí)，內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程可用式（3）表示：
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接注入的方法,，每一仿真步長(zhǎng)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(dòng)態(tài)元件的方程聯(lián)立就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，邊界母線處實(shí)測(cè)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(guò)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(gè)子系統(tǒng)包含盡量少的動(dòng)態(tài)元件,，從而以最小的代價(jià)提高動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真中,，研究系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間通過(guò)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(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),，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(gè)節(jié)點(diǎn)直接相連的支路的數(shù)量,，即這個(gè)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(guò)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(cè)得到,，在下次尋找最優(yōu)先配置PMU節(jié)點(diǎn)時(shí)不需要加入支路密度的計(jì)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(gè)動(dòng)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(dòng)汽車電池集中充電站時(shí)，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(guò)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(dòng)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(yàn)仿真,，先驗(yàn)仿真的結(jié)果可以評(píng)估電動(dòng)汽車電池集中充電站在不同地點(diǎn)安裝時(shí)對(duì)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(kāi)始,，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的支路密度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示,。
根據(jù)表1,，在表中列出的7個(gè)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(gè)PMU后被分為了16個(gè)子系統(tǒng),，每個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)最多存在4個(gè)動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證的難度大大降低,。
對(duì)于已經(jīng)配置了PMU的實(shí)際系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也可以通過(guò)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(dòng)態(tài)仿真,。
5 結(jié)語(yǔ)
隨著電動(dòng)汽車的逐漸普及,，電動(dòng)汽車所帶來(lái)的充電負(fù)荷會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也會(huì)逐漸增大,，因此有必要再考慮大規(guī)模電動(dòng)汽車接入的情況下對(duì)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(dòng)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。
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