第1章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
电动汽车是20世纪最伟大的20项工程技术成就中前两项技术的融合,即“电气化”和“汽车”的融合产物⑴。人们对电动汽车的构想与研制均早于燃油汽车,但由于其性能比不上燃油车,对其研究与幵发曾一度陷入停滞。到了20世纪80年代,随着空气质量和温室效应问题的不断加剧,石油资源的日益短缺以及价格的不断攀升,人们对电动汽车的研究有了空前的热情,其中纯电动汽车被认为是汽车工业的未来[2]。
和传统的燃油汽车相比纯电动汽车具有以下优点[3-4]:
(1)电动汽车以电代油,工作时不会向空气中排放CO、SO2、NOx等有害气体,因此不会造成空气污染。由于电价比汽油、柴油等石油燃料低,因此使用成本低。
(2)电动汽车没有采用内燃机而是采用电动机,因此电动汽车产生的噪音小,不会造成噪音污染。
(3)电动汽车转矩响应速度快,可以实现再生制动和能量回收,从而提高了电动汽车的安全性和可靠性。
(4)电动汽车比传统的燃油汽车结构简单、维护工作小、操作起来比较容易。
(5)电动汽车可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电,起到平抑电网的峰谷差的作用,有利于电网均衡负荷,进一步减少费用。
由于存在行驶里程有限、蓄电池使用寿命短、价格昂贵等缺点,电动汽车在我国的普及度还不是很高⑷。但随着人们环保意识的提高,石油资源的日益枯竭及其价格的不断升高,技术的不断进步,国家政策的大力支持,电动汽车价格的不断降低,在不久的将来电动汽车必将成为主流,发展潜力不可小颇。
由此可以得出结论:电动汽车是未来汽车行业发展的方向,应该全力发展,并对电动汽车的相关关键技术展开研究。
1.2 电动汽车的发展状况
我国电动汽车研究起步比较早,在我国“十二五”规划纲要中[5],提出要重点发展插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车技术,开展插电式混合动力汽车、纯电动汽车研发及大规模商业化示范工程,推进产业化应用。根据我国新能源汽车规划,到2020年,新能源汽车实现产业化、节能及关键技术达到国际先进水平,纯电动汽车和插电式混合动力汽车市场保有量达到500万辆。此外,政府还发布了《电动汽车传导式充电接口》、《电动汽车充电站通用要求》、《节能和新能源汽车发展产业规划(2012-2020)》等一系列政策、标准,并对购买电动汽车的顾客进行补贴,大大提高了人们购买电动汽车的积极性。
汽车发达国家由于受到石油资源和环境污染的巨大压力,率先进行了 “非石油能源零污染汽车”的研究,电动汽车则处于在该研究领域的前沿。美国总统奥巴马为进一步推动电动汽车及充电站的发展而推出了加速电动汽车的制造与部署计划。美国能源部牵头实施了EV Project计划,通过免费为电动汽车的用户建设家用充电桩来推广电动汽车的使用。日本从1971年幵始,由工业科学技术协会承担了电动汽车的研究任务。这一项目为期6年,由政府、研究部门和私人企业共同承担,投入资金达57亿日元。此外,欧洲国家也纷纷推出自己的电动汽车发展计划。在这些政策的刺激下,各大车企也纷纷推出了自己的电动汽车车型,其中包括[6]:
三菱“i-MiEV”、日产叶子、道奇Circuit、宝马MINI E、奔驰BlueZero、福特福克斯电动版、特斯拉Models、丰田FT-EV等。电动汽车车型的丰富及价格的不断降低,进一步提高了电动汽车的销量。
1.3 电动汽车充放电对电网的影响
1.3.1 电动汽车充电对电网的影响
电动汽车充电将导致负荷增长,若大量电动汽车集中在负荷高峰期充电,将进一步加剧电网负荷峰谷差,加重电力系统的负担[7]。图1.1为在未经引导下一天之内不同数量的电动汽车接入电网后对电网负荷的影响。从图中可以看出,随着接入电网电动汽车台数的增加,使电网负荷急剧增加,从而对现有电网造成了巨大的挑战。电动汽车作为未来一种新型的重要负荷其充电行为可能对系统有显着的影响。文献[8]展望了电动汽车在未来电力系统负荷中所占的比例,认为至2030年,美国和部分欧洲国家电动汽车在电力系统总负荷中所占比例保守估计将达到5%-8%。文献[9]的研究表明:大量电动汽车的无序充电会显着增大配电系统网损,并恶化电能质量。反之,如果对电动汽车的充电行为进行协调优化则可以降低系统的峰荷需求,并在很大程度上减轻上述负面影响。文献[10]认为夜间充电可以增加基荷机组的利用率。反之,如果允许电动汽车无序充电则会降低系统的运行效率。文献[U]分析了不同的电动汽车普及水平对于网络投资和网损的影响,得到的主要结论是:根据充电策略的不同充电设施的投资占整个配电系统投资的比重最高可能上升至15%;而在60%的电动汽车渗透率下低谷时期的能耗会减少近40%。文献[12]的研究表明利用智能充电策略可以有效避免线路和变压器过载。文献[13]提出基于稳态和动态仿真评估电动汽车接入对系统影响的方法。
文献[14]针对一个小型系统峰荷(水平约1GW),分析应用3种不同的充电策略时系统能容纳的电动汽车数量。仿真结果表明:若无序充电电动汽车渗透率可达9%(5()000辆),应用延迟充电策略电动汽车渗透率可达18%(100000辆),若应用智能充电策略则电动汽车渗透率可达36%(200000辆)。文献[15]用Matlab/Simulink平台建立了电动汽车的电池充放电模型,并结合所研究的居民配电系统的春季和冬季负荷曲线,对不同充电策略下电动汽车对配电系统的影响进行了评估。仿真结果表明:在所研究的电动汽车渗透率水平下将会产生新的负荷高峰;在一些情况下配电变压器的负载水平会超过其容量。为此,提出了一些新的需求侧管理策略,如交错充电、用户负荷控制等,以期使配电系统运行更加安全和有效。文献[16]提出了一个用于评估电动汽车负荷对配电系统运行影响的详细分析框架,主要包括确定性影响分析和随机影响分析两个方面。采用该框架对一个配电系统进行了分析,分析结果表明:电动汽车负荷对配电系统运行的影响取决于电动汽车渗透率和电动汽车充电行为的特点。文献[17]分析了在大扰动和小扰动情况下电动汽车负荷对电力系统动态行为的影响。分析结果表明:在特定运行状态下电动汽车负载可能减少系统的阻尼变化幅度。采用小信号和时域分析在单机无穷大系统中对动态电动汽车负荷的影响进行了研究,表明系统可能出现振荡。非线性仿真结果可以通过小信号分析在一定程度上得到验证。文献[18]简要回顾了现有的电动汽车研究,包括电动汽车的燃油消耗、成本与排放、电动汽车与发电充裕性,V2G及电动汽车对配电系统的影响,还介绍了一种电动汽车配电线路影响模型,其可以估计电动汽车对中低压配电系统的变压器和地下电缆的影响。文章还给出了该模型的具体细节和在佛蒙特州配电网的应用结果。电动汽车作为一种不同于常规负荷的新型设备接入电力系统后,新的需求高峰配电线路的最大负荷电力市场价格以及由电动汽车充电所带来的谐波问题和无功问题等可能对系统产生很大的影响。上述文献得到的一个共同结论是:电动汽车的无序充电行为将导致系统安全性降低、网络阻塞加剧、电能质量恶化、网损增加等负面结果;而对电动汽车的充电进行优化调度则可以有效地减轻这些负面影响。【1】
1.3.2 电动汽车放电对电网的影响
电动汽车与电网互动(V2G)的概念最早由Kempton和Letendre提出[i9]。
Kempton随后针对电动汽车作为储能设备的可行性与潜在效益进行了一系列的研究。可入网电动汽车可以被当做储能装置使用。现有的研究工作表明:绝大多数电动汽车在一天中96%的时间里是被闲置的。通过V2G技术,这些闲置的电动汽车可以在用电高峰期将电能反馈回电力系统中。电动汽车也可以在可再生能源机组不能发电时作为系统备用,从而减轻可再生能源的间歇性对电力系统运行的影响。因此,深入研究电动汽车放电的调度与控制方法对降低电动汽车接入的负面效应和充分利用电动汽车的储能功能具有重要意义。目前,关于电动汽车与电网互动的研究在国内外还相当初步。文献[20]计算了部分发达国家的V2G有功出力潜力。以美国为例,若将其国内保有机动车总数的10%更换为电动汽车并接入电力系统则全美国的V2G功率将达到约为其全国总负荷水平的68%。而在德国、英国、意大利等国家其V2G功率甚至可能超过全国总负荷水平。从文献[21]的结果中可以看出,电动汽车作为储能设备的巨大潜力。Kempton的研究引起了学术界对于电动汽车储能功能的广泛关注。一些学者已经提出和分析了利用电动汽车作为储能设备的各种设想,如利用电动汽车作为峰荷电源、调频和旋转备用,利用电动汽车的储能功能平抑可再生能源的间歇性利用电动汽车进行电压控制等。
电动汽车接入对配网的影响见图1.2。【2】
1.4 电动汽车充放电对电网的影响因素
电动汽车充放电对电网的影响因素主要有[22_23】:
(1)电动汽车的普及程度。电动汽车的普及程度不同对电网的影响大小也不同。当电动汽车数量较少时,对电网的影响非常小;而电动汽车数量较大时,其对电网的影响将不容忽视。国外根据电动汽车普及程度分阶段研究电动汽车对电网的影响。电动汽车的普及程度受很多方面的影响,其中影响较大的是电动汽车技术的发展水平。当技术很成熟而且价格较低时,电动汽车的拥有量较高,此时其对电网的影响也较大。
(2)电动汽车的类型。本文指的电动汽车的类型主要是不同用途的汽车,如轿车、运输车等。不同类型电动汽车的充电电路和充电时间是不一样的。文献[20-21]研究了小型轿车、中型轿车、中型多用途汽车和大型多用途汽车4种类型的电动汽车对电网的影响,并通过分析得到结论:大型多用途汽车容量较大,充电所需时间也较长,其对电网造成产生的影响最大。
(3)电动汽车的充电时间。电动汽车充电时间的场景需要根据电动汽车使用者的用车习惯、上下班时间以及引导政策等来进行设置。在研究中,可以从电网运营者角度进行设置,也可以从电动汽车使用者方便性方面进行设置。不同的充电时间对电网的影响非常大,如果在峰荷时段进行充电将加重电网负担,而如果在非峰荷时段进行充电将减小充电对电网的冲击。文献[24]提出的充电时间场景为同时充电、连续充电以及正常分布充电。由于同时充电是指混合电动汽车(plug-in electric vehicle, PHEV)拥有者在特定的时间给汽车充电,所以对电网的影响最大,而连续充电指在1小时中PHEV以一个随机比例接入电网进行充电,这样对负荷的需求就比较平稳,对电网的影响也较小。文献[25]未采用时间场景,而是通过多代理运输仿真MATS (multi-agent transport simulation)、PHEV管理和电力系统仿真(PHEV management and power system simulation, PMPSM)软件来得到充电模型。
(4)电动汽车的充电特性。充电汽车接入电网时的电力需要由充电的电压和电流决定。不同类型汽车的充电特性不同,对电网的影响也不同。文献[26]考虑了小型轿车、中型轿车、中型多用途汽车、大型多用途汽车4种类型电动汽车的充电特性,通过分析得到大型多用途汽车对电网的影响最大。
1.5 本论文的各章节安排
本文各章节内容安排如下:
第1章:介绍了本论文的研究背景及课题意义,对电动汽车发展状况进行了简要叙述,对电动汽车的充放电对电网的影响进行了阐述,最后简单介绍了本论文各章节的内容安排。
第2章:介绍了电动汽车充电站的结构,对电动汽车充电机的种类、特点和充电方式进行了分析,为下面电动汽车充电站的建模和对电动汽车充电站电能质量的分析奠定了基础。
第3章:建立了电动汽车充电站的建模,在该模型基础上研究了电动汽车充电站并网运行后引起的电能质量问题,详细分析了单台和多台充电机运行过程中谐波和无功的特点,为下面电能质量的治理打下了艰实的基础。
第4章:介绍了几种传统的电能质量治理方法,针对电动汽车充电站谐波和无功的特点,提出用注入式混合型有源电力滤波来治理电能质量,分析了注入式混合型有源电力滤波器的结构和工作原理,相对于传统电能质量治理方法的优点。
重点分析了混合型有源电力滤波器的控制策略,介绍了几种谐波和无功电流的检测方法,针对传统方法的缺点,利用一种改进型变换的方法来检测谐波和无功,并采用改进型规则采样法进行PWM调制。仿真结果验证了所采用方法的有效性和先进性。
第5章:介绍了系统参数的设计,利用Matlab/Simulink模块进行系统建模仿真,并搭建电动汽车充电站和混合型有源电力滤波器的实验样机。仿真数据和电能质量分析仪采集到实验的数据验证了该方法的有效性和实用性。
1.6 本章小结
本章介绍了论文的研究背景及课题意义,对目前国内外电动汽车的发展状况进行了简要叙述,对电动汽车充放电对配电网的影响及其影响因素进行了阐述,最后简单介绍了本论文各章节的内容安排。
