電動汽車對電網(wǎng)運行的影響研究畢業(yè)論文

1、分類號：TG434.1 密級：UDC：621.8 學校代碼：11065碩士學位論文電動汽車對電網(wǎng)運行的影響研究指導教師 （教授）學科專業(yè)名稱 電力系統(tǒng)及其自動化論文提交日期 2013年5月25日論文答辯日期 2013年6月1日答辯委員會主席 高級工程師摘要電動汽車具有環(huán)保、節(jié)能、清潔等優(yōu)點，因此發(fā)展電動汽車成為解決環(huán)境和能源問題的主要途徑，電動汽車的使用必然對電網(wǎng)造成復(fù)雜的影響，影響到電力系統(tǒng)的正常運行，因此研究電動汽車對電網(wǎng)運行的影響具有十分重要的意義。本文研究了電動汽車充電站對電網(wǎng)的諧波影響和電動汽車對電力系統(tǒng)機組組合的影響，研究內(nèi)容包括：1）研究電動汽車充電站對電網(wǎng)的諧波影響。首先從諧波

2、理論入手，分析單臺電動汽車充電機向電網(wǎng)注入諧波的特點，分析得出充電機主要產(chǎn)生5、7、11、13等高次諧波，還在理論上分析多臺充電機組成充電站產(chǎn)生諧波的特點；然后使用Matlab/Simulink軟件建立單臺充電機的仿真模型和由5臺充電機組成充電站的仿真模型，通過模型的仿真得到仿真結(jié)果，由仿真結(jié)果總結(jié)出充電機和充電站諧波變化的特點和規(guī)律；最后根據(jù)分析和仿真結(jié)果制定合理的充電站諧波治理方案。2）研究電動汽車充放電對電力系統(tǒng)機組組合的影響。構(gòu)造含電動汽車的電力系統(tǒng)機組組合的數(shù)學模型，采用改進粒子群算法和優(yōu)先順序法對數(shù)學模型進行求解。改進粒子群算法是通過動態(tài)調(diào)整慣性權(quán)重和學習因子對基本粒子群算法進行改

3、進，提高了算法的優(yōu)化效果；根據(jù)粒子群算法多維空間搜索能力不強的缺陷，采用了優(yōu)先順序法對機組出力進行排序。在算例仿真中，分別對不含電動汽車的10機組系統(tǒng)、電動汽車自由性充放電的10機組系統(tǒng)、電動汽車限制性充放電的10機組系統(tǒng)進行了機組組合仿真，通過仿真結(jié)果對比分析，驗證了數(shù)學建模的合理性和求解策略的正確性，證明了電動汽車對電力系統(tǒng)機組組合具有積極影響。關(guān)鍵詞：電動汽車 諧波 機組組合 粒子群算法AbstractAs Electric vehicles have the advantages of environmental protection, energy saving, clean, et

4、c., the development of electric vehicles has been a main way to solve environmental and energy issues, the using of electric vehicles will certainly lead to a complicated impact on the grid, and affect the normal operation of power system, so the study of electric vehicles on the grid operation has

5、a very important significance. This paper studies on the harmonic effect which is produced by the electric vehicle charging station to the grid and the influence of electric vehicles to the power system unit commitment, the study includes:Study the harmonic effect of the electric vehicle charging st

6、ation on the grid. firstly, the harmonic theory, analyzing the characteristics of a electric vehicle charger harmonics which are injected to the grid, the result of the analysis is that the charger mainly produces the 5,7,11,13 high harmonic, and theoretically analyzing the characteristics of harmon

7、ic which is produced by charging stations composed of more than one charger; then using the Matlab/Simulink software to establish the simulation model of a single charger and a simulation model of charging station which are composed of five chargers, and getting the results from the simulation of th

8、e simulation model, and summed up the characteristics and regular patterns of the harmonic which are produced by the charger and the charging station by the simulation result; Finally, made up a reasonable control plan of harmonic of charging station according to the analysis of simulation results.S

9、tudy the influence of charging and discharging power of electric vehicles to the power system unit commitment. Construct a mathematical model of power system unit combination that containing the electric vehicles, and solving the mathematical model by the priority list method and the improved partic

10、le swarm optimization. The improved particle swarm optimization improves the basic particle swarm optimization by adjusting heavy inertia weight and learning factor, and improve the effect of optimization of algorithm; according to particle swarm algorithm is lack of search capability in multi-dimen

11、sional spatial, using the priority list method to sequence the unit output. In the example simulation, respectively simulating the 10 generating units system excluding electric vehicles and the 10 generating units system including electric vehicles which are charged and discharged freely and the 10

12、generating units system including electric vehicles which are charged and discharged limitly, by comparing and analyzing the simulation results, verifying the rationality of the mathematical model and the correctness of the solving strategy, and proving the positive impact which is made by electric

13、vehicles to the power system unit commitment.Key Words: Electric Vehicles; Harmonic; Unit Commitment; PSO Optimization目錄摘要iAbstractii第一章 緒論11.1 課題研究背景和意義11.2 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀31.2.1 國內(nèi)電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀31.2.2 國外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀41.2.3 電動汽車充電站發(fā)展現(xiàn)狀41.3 電動汽車接入對電網(wǎng)運行的影響研究現(xiàn)狀61.3.1國外研究現(xiàn)狀61.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀71.4 本文主要的研究工作7第二章 電動汽車充電站接入對電網(wǎng)的諧波影

14、響92.1 諧波對電力系統(tǒng)的影響92.2 電動汽車接入對電網(wǎng)的諧波影響理論分析102.2.1 諧波分析102.2.2 電動汽車充電機諧波理論分析112.2.3 電動汽車充電站諧波理論分析142.3 充電站仿真分析152.3.1 仿真軟件選擇152.3.2 單臺充電機仿真模型152.3.3 單臺充電機諧波仿真結(jié)果分析192.3.4充電站仿真模型232.3.5 充電站諧波仿真結(jié)果分析242.4充電站諧波抑制措施302.5 本章小結(jié)31第三章 電動汽車接入對電力系統(tǒng)機組組合的影響323.1 含電動汽車的電力系統(tǒng)機組組合數(shù)學模型323.1.1 目標函數(shù)323.1.2約束條件343.2 含電動汽車的電力

15、系統(tǒng)機組組合數(shù)學模型的求解策略363.2.1 粒子群優(yōu)化算法基本原理363.2.2 粒子群算法流程373.2.3 改進粒子群算法383.2.4 電力系統(tǒng)機組組合的控制策略393.2.5 含電動汽車的機組組合模型的算法步驟413.3 算例仿真分析413.3.1 仿真算例參數(shù)423.3.2仿真結(jié)果433.3.3 結(jié)果分析473.4 本章小結(jié)48第四章 總結(jié)與展望504.1 總結(jié)504.2 展望51參考文獻52作者簡歷57致謝58學位論文獨創(chuàng)性聲明、學位論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明59第一章 緒論第一章 緒論1.1 課題研究背景和意義隨著人民生活水平的不斷提高，人們對能源問題和環(huán)境問題的關(guān)注也在不斷提高，空

16、氣污染是環(huán)境污染中特別重要的一個部分，空氣污染不僅會危害人類的身體健康，還會影響植物的生長、改變地球的氣候，給人類的日常生活帶來非常嚴重的不利影響?？諝馕廴疚镏饕ǘ趸颉⒌趸?、一氧化碳、粒子狀污染物等幾個部分，他們主要來源于工業(yè)生產(chǎn)、人類的日常生活、交通運輸及自然災(zāi)害等。影響空氣質(zhì)量的因素中比較嚴重是機動車運行時排放的汽車尾氣，機動車行駛過程中不僅向大氣排放一氧化碳、氮氧化物、煙塵顆粒等污染物，還加重了石油的消耗，使能源問題變得更加嚴重1。2012年2月，國務(wù)院頒布新的環(huán)境空氣質(zhì)量標準，標準增加了細顆粒物監(jiān)測指標，即PM2.5值監(jiān)測，在這一年的監(jiān)測結(jié)果中可以看出，我國部分城市的PM2

17、.5較高，表明這些城市的空氣污染也較嚴重，有些城市已達到中度污染甚至重度污染的地步?？諝赓|(zhì)量變差對我國居民的日常生活和工作造成嚴重的影響，增大了居民的恐懼感。從可持續(xù)發(fā)展角度看，要解決日趨嚴重的空氣污染和能源危機，交通運輸業(yè)需要向著環(huán)保、清潔、節(jié)能的方向發(fā)展。電動汽車（Electric Vehicle，簡稱EV）以電動機代替燃油機，即汽車運行過程中的動力來源于電能，因此在行駛過程中不會消耗石油和排放汽車尾氣，電動汽車還具有噪聲低、能源效率高、電能來源多元化、結(jié)構(gòu)簡單維修方便等優(yōu)點，因此大力發(fā)展電動汽車將會對緊張的能源和環(huán)境問題的起到一定的緩解2-3。電動汽車（Electric Vehicle，

18、 EV）可以分為純電動汽車（Battery Electric Vehicle，BEV）、混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和燃料電池汽車（Fuel Cell Electrical Vehicle，F(xiàn)CEV）三種類型。純電動汽車（Battery Electric Vehicle，BEV）的驅(qū)動電能來源于車載可充電蓄電池等儲能設(shè)備；混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）的動力來源可以來源于可消耗的燃料，也可以來源于車載可充電蓄電池等儲能設(shè)備；燃料電池汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是使用燃料電池中的氫

19、氣和空氣中的氧氣在催化劑的作用下經(jīng)電化學反應(yīng)產(chǎn)生的電能作為主要動力。電動汽車的性能主要由電池可以提供多大動力及持續(xù)時間決定，隨著電動汽車技術(shù)的進步，有些電動汽車的性能和經(jīng)濟性比較接近燃油汽車的性能，未來電動汽車將在全球范圍內(nèi)得到大范圍推廣，電動汽車取代燃油汽車也成為業(yè)界共識，我國已將發(fā)展電動汽車作為新能源汽車戰(zhàn)略的主要發(fā)展方向4-6。電動汽車組成裝置包括：電池、驅(qū)動電動機、電動機調(diào)速控制系統(tǒng)、傳動裝置等機械裝置和完成既定任務(wù)的工作裝置等，其中電動汽車與燃油汽車的最大區(qū)別是電力驅(qū)動和控制系統(tǒng)，而且電動汽車優(yōu)點明顯 7 ：a) 環(huán)境污染小電動汽車最突出的優(yōu)點是在行駛過程中不會產(chǎn)生汽車尾氣，對大氣造

20、是無污染的。電動汽車依靠電能驅(qū)動，而地球上像水能、風能、太陽能、核能、潮汐能等類型的新能源都可以轉(zhuǎn)化為電能，如果使用這些電能作為電動汽車的動力來源，電動汽車在行駛時就不存在污染問題；即使電動汽車使用來源于火電廠的電能，因為電動汽車的能量利用率高于燃油汽車，所以使用電動汽車還是降低了環(huán)境污染；如果利用電動汽車實現(xiàn)削峰填谷，也會減少能源浪費和降低環(huán)境污染。b) 行駛過程中噪聲低汽車噪聲成為城市噪聲污染的重要組成部分，降低噪聲也成為汽車技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。電動汽車使用電動機代替燃油汽車的發(fā)動機，在一定程度上降低了噪聲，使得電動汽車在行駛過程中比較安靜，特別適合治理城市的噪聲污染。c) 能源利用率高目

21、前城市交通狀況較差，道路擁擠且經(jīng)常碰到紅綠燈，因此車輛在行駛時會不斷停車、啟動，加大燃油汽車的能源消耗，向大氣排放出更多尾氣；假如道路上行駛的是電動汽車，汽車減速時通過電磁效應(yīng)將動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池或其他儲能設(shè)備中，使電動汽車在停車過程中，不讓電動機空轉(zhuǎn)，大大提高了能源利用率，而且電動汽車在靜止時不會消耗電能，這點是燃油汽車無法做到的，也起到節(jié)約能源的作用。d) 結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，使用范圍廣和燃油汽車相比，電動汽車結(jié)構(gòu)簡單，無需更換機油、油泵、消聲裝置和添加冷卻水，汽車運轉(zhuǎn)傳動部件相對較少，因此維修起來比較方便。在不通風、冬天低溫場所或者高海拔缺氧等特殊環(huán)境下，電動汽車依然能夠正常工作，

22、因此電動汽車的使用范圍廣。發(fā)展電動汽車的重要性不言而喻，我國在電動汽車推廣和創(chuàng)新等方面已取得一定成績。2009年初，科技部、財政部、發(fā)改委、工信部等部門聯(lián)合組織啟動了十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程，提供專項財政補貼，力爭在2012年使新能源汽車的保有量占到汽車市場份額的12%8；在2008年北京奧運會和2010年上海世博會期間，電動汽車也成為重要的交通工具。電動汽車的推廣使用在全國很多城市普及開來，城市道路上電動汽車越來越常見，電動汽車已成為城市交通運輸領(lǐng)域不可或缺的組成部分。對于電動汽車快速發(fā)展來說，至關(guān)重要的工作則是電動汽車充電站的建設(shè)，并且做到與電動汽車其他領(lǐng)域的協(xié)調(diào)發(fā)展，為此

23、全國很多地方政府制定出臺了相關(guān)政策來推動電動汽車充電站的建設(shè)工作，一些企業(yè)也參與到電動汽車充電站的設(shè)計建設(shè)工作。電動汽車充電站內(nèi)是由充電機來完成電動汽車的充電任務(wù)的，而充電機是由整流器、直直變換器等電力電子裝置構(gòu)成，這就相當于在電動汽車和區(qū)域電網(wǎng)之間連接了電力電子設(shè)備，這必然在電動汽車的充電過程中對區(qū)域電網(wǎng)帶來一定的不利影響，例如向供電網(wǎng)絡(luò)注入諧波，降低供電系統(tǒng)的功率因數(shù)和電能質(zhì)量。為了降低電動汽車充電過程中對電網(wǎng)造成的諧波影響，有必要對充電機和大型充電站產(chǎn)生的諧波影響進行研究，找到治理諧波的對策，從而保障供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，滿足電力用戶對電能質(zhì)量的要求，這是研究電動汽車充電站接入對電網(wǎng)造成的

24、諧波影響的意義所在。電動汽車在充放電過程中對電力系統(tǒng)的機組出力會產(chǎn)生影響，電動汽車充電時相當于負荷，會增大電力系統(tǒng)的負荷需求，而電動汽車放電時相當于發(fā)電機組，可以減少電力系統(tǒng)的負荷需求，控制電動汽車的充放電狀態(tài)可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷，通過調(diào)節(jié)火力發(fā)電廠機組的運行狀態(tài)和出力大小，使發(fā)電機組的出力滿足負荷要求。調(diào)節(jié)火力發(fā)電廠機組運行狀態(tài)和出力大小，使發(fā)電廠的發(fā)電成本及排放成本最小，這樣既節(jié)約發(fā)電成本，又降低了對環(huán)境的影響，這就是分析電動汽車充電站接入對電力系統(tǒng)機組組合影響的重要意義。1.2 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀從九十年代開始，我國部分高校、汽車研究所及生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合開發(fā)電充電電

25、池和純電動汽車，開始了電動汽車部分關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)；進入“十五”，“電動汽車重大專項”被科技部列入“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）”，從而電動汽車的開發(fā)和研究得到國家的大力支持，政府部門聯(lián)合高校、企業(yè)和科研機構(gòu)，重點進行新一代電動汽車的科技創(chuàng)新，“電動汽車重大專項”提出“三縱三橫”研究開發(fā)布局，“三縱”就是混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車，“三橫”就是多能源動力總成控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、電池及電池管理系統(tǒng)，“十五”電動汽車重大科技專項取得的成績，使我國成功地走出了電動汽車實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的第一步；步入“十一五”，“節(jié)能與新能源汽車重大項目”又被列入“863”計劃，使得我國基本形成了完整的

26、新能源汽車研發(fā)示范布局，使我國在“十二五”期間基本可以實現(xiàn)電動汽車產(chǎn)業(yè)化的目標9-11。在2007年，國家科技部將“新型潔凈能源汽車”列入國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年），電動汽車的開發(fā)也被列入國家“十二五”科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，為加快推動電動汽車的科技發(fā)展，2012年3月27日，國家科技部印發(fā)了電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃，“純電動汽車”成為我國新能源汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。圖1.1 “十五”電動汽車重大專項“三縱三橫”研發(fā)布局1.2.2 國外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀在國外，石油危機和環(huán)境污染的日益嚴重，使世界發(fā)達國家不惜投入巨資進行研究開發(fā)電動汽車，并制定了一些相關(guān)的政

27、策、法規(guī)來推動電動汽車的發(fā)展，汽車公司也投入人力、物力和財力開發(fā)電動汽車，并推出新產(chǎn)品來適應(yīng)市場的需求。早在20世紀70年代，日本政府就將發(fā)展電動汽車列入汽車工業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，并且制定了詳細的實施計劃，1991年和1996年，日本通產(chǎn)省分別制定了“第三屆電動汽車普及計劃”和電動汽車購買鼓勵政策13，用于推動電動汽車的普及和應(yīng)用，現(xiàn)在日本多款電動汽車在全球上市，在電動汽車市場擁有主導地位。美國電動汽車的研發(fā)工作起步也很早，1976年7月，美國國會通過了電動汽車和復(fù)合汽車的研究開發(fā)和樣車試用法令，以立法、政府資助和財政補貼等方式推動電動汽車的發(fā)展，美國三大汽車公司和美國電力研究院于1991年簽訂協(xié)議

28、，成立美國先進電池合作體，研究電動汽車車用先進電池14。德國政府積極倡導電動汽車，在2009年8月19日，頒布了國家電動汽車發(fā)展計劃，目標是到2020年使德國電動汽車保有量超過100萬14。法國政府與法國電力公司、雪鐵龍和雷諾汽車公司簽署協(xié)議，共同開發(fā)和推進電動汽車，合資組建了電動汽車電池公司。其他國家和地區(qū)也開展了電動汽車的研發(fā)工作。1.2.3 電動汽車充電站發(fā)展現(xiàn)狀建造電動汽車充電站是電動汽車普及的基礎(chǔ)條件，為了加快電動汽車的發(fā)展，需要在全國范圍內(nèi)抓緊建設(shè)電動汽車充電站，國家電網(wǎng)公司在2009年制定和頒布了國家電網(wǎng)公司電動汽車充電設(shè)施建設(shè)指導意見，將建造電動汽車充電站作為建設(shè)智能電網(wǎng)的重要

29、組成部分，在全國范圍內(nèi)開展了電動汽車充電站的建設(shè)工作。2009年8月，國家電網(wǎng)公司投資建設(shè)的上海漕溪電動汽車充電站順利完成并投入使用，這是我國第一座可以實現(xiàn)商業(yè)運營的電動汽車充電站；2009年12月，南方電網(wǎng)公司也在深圳建設(shè)了兩座電動汽車充電站。國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司在其他城市和地區(qū)也開始建設(shè)電動汽車充電站，并陸續(xù)建設(shè)完成投入運營。充電站的主要功能是完成電動汽車電池電能的補給，充電站按功能可劃分為四個子系統(tǒng)模塊。圖1.2 充電站功能系統(tǒng)劃分圖在電動汽車充電站建設(shè)如火如荼之際，國家為推動整個電動汽車產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展，國家有關(guān)部門也在積極制定電動汽車充電的相關(guān)標準，電動汽車相關(guān)標準的統(tǒng)一為電動

30、汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供重要的技術(shù)和標準支撐，對我國電動汽車示范試點和電動汽車協(xié)調(diào)發(fā)展的促進工作具有非常重要的意義。1.3 電動汽車接入對電網(wǎng)運行的影響研究現(xiàn)狀大量電動汽車接入將給電網(wǎng)運行帶來很大影響，國內(nèi)外的科研人員對電動汽車接入帶來的影響做了大量的研究和探索。1.3.1國外研究現(xiàn)狀在國外，電動汽車接入對電網(wǎng)運行的影響研究主要集中在以下幾方面：1）電動汽車充電對輸電網(wǎng)絡(luò)的影響15-19，研究現(xiàn)有和規(guī)劃的發(fā)電容量能否滿足電動汽車充電造成的負荷增長需求。Hadley S W，Tsvetkova A基于美國能源部橡樹嶺實驗室的競爭性調(diào)度模型，研究了由北美可靠性委員會（North Am

31、erican Reliability Council，NARC）和美國能源部的能源信息管理機構(gòu)制定的13個區(qū)域2020年和2030年P(guān)HEV在電力需求、供應(yīng)、電源結(jié)構(gòu)、電價以及相應(yīng)的排放情況等方面的潛在影響，對每個區(qū)域的2020年和2030年7種不同的場景進行分析，得出每個區(qū)域為了應(yīng)對電動汽車充電帶來的電力需求，都需要進行額外的電源建設(shè)或者應(yīng)用需求響應(yīng)；Jason W，Lincoln P基于上述場景對加州電力市場進行研究，得出電力負荷在高、低電動汽車增長方案下將分別增長2%和8%；Steven L研究了美國佛蒙特州在最優(yōu)充電模式、夜間充電模式和1 d內(nèi)2次充電模式等3種場景下電動汽車充電對電力

32、負荷的影響；Meyers M.K，Schneider K，Pratt R研究了美國電網(wǎng)對電動汽車充電的承受能力，分為24 h均可充電和12 h可充電2個場景，結(jié)果表明美國現(xiàn)有電網(wǎng)最多能夠承受73%的電動汽車負荷需求；美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）根據(jù)不同插入式電動汽車發(fā)展場景研究了電動汽車負荷對6個區(qū)域電網(wǎng)的影響，通過模型分析表明不進行額外電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這6個區(qū)域電網(wǎng)可以支撐50%的電動汽車充電，引起5%10%的電能需求增加。2）電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響20-21，電動汽車的聚集性充電可能會導致局部地區(qū)的負荷

33、緊張；電動汽車充電時間的疊加或負荷高峰時段的充電行為將會加重配電網(wǎng)負擔。Taylor J，Maitra A，Alexander M等人針對配電網(wǎng)過負荷問題建立了通用研究框架，從確定性和隨機性2個方面細致分析了電動汽車充電對配網(wǎng)負荷平衡、電壓調(diào)節(jié)、三相平衡的影響，提出了系統(tǒng)影響分析框架。圖1.3 系統(tǒng)影響分析框架3）電動汽車充放電對經(jīng)濟調(diào)度的影響22-24。Saber A Y，Venayagamoorthy G K研究了電動汽車充放電過程對經(jīng)濟調(diào)度的影響，建立了可以容納有V2G功能電動汽車的優(yōu)化調(diào)度模型，使用離散型二進制粒子群算法對含電動汽車的電力系統(tǒng)機組組合的數(shù)學模型進行研究，但沒有計及潮流約

34、束。1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，電動汽車接入對電網(wǎng)運行的影響研究也較多：1）電動汽車充放電對負荷曲線的影響25-26。文獻25建立了電動車參與負荷平抑的數(shù)學模型，以負荷曲線的均方差最小為目標函數(shù)，在考慮電動車充放電功率及可用容量等約束條件的前提下，應(yīng)用基于子向量的改進粒子群算法求解。文獻26研究了電動汽車三種充放電方式對深圳電網(wǎng)日負荷曲線的影響。2）電動汽車充放電對經(jīng)濟調(diào)度的影響27-31。文獻27構(gòu)建了計及電動汽車和風電機組不確定性的隨機經(jīng)濟調(diào)度模型，文獻28研究了電動汽車充電的負荷特性以及不同充電方式對電網(wǎng)的影響，在此基礎(chǔ)上建立了多時間尺度的電動汽車-風電協(xié)同調(diào)度數(shù)學模型。文獻29構(gòu)造了

35、一個可以同時計及具有V2G功能的電動汽車、風電和光伏發(fā)電系統(tǒng)出力不確定性的電力系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度模型，以平抑可再生能源在一天中的出力波動。文獻30研究了計及可入網(wǎng)電動汽車的電力系統(tǒng)機組最優(yōu)組合問題。文獻31研究了計及可入網(wǎng)電動汽車和網(wǎng)絡(luò)安全約束的電力系統(tǒng)機組組合問題。3）電動汽車充電站對諧波的影響32-35。文獻32建立了純電動公交充電站諧波電流污染供電網(wǎng)和用電設(shè)備問題的仿真模型。文獻33利用商用電動汽車充電機收集的數(shù)據(jù)對諧波電流進行計算，再利用概率統(tǒng)計學大數(shù)定律和中心極限定理，建立多諧波源諧波分析數(shù)學模型，研究多臺電動汽車充電機同時工作產(chǎn)生的諧波電流及其概率特性。文獻34介紹產(chǎn)生諧波污染的原因，并

36、指出諧波污染的危害。綜上所述，從國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀可以看出，電力汽車對電力系統(tǒng)的影響研究已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，而且研究方法也多種多樣，各種優(yōu)化算法與電動汽車優(yōu)化問題的結(jié)合應(yīng)用越來越多。1.4 本文主要的研究工作本課題研究電動汽車充電站接入對電網(wǎng)造成的影響，主要有兩部分組成，第一部分是電動汽車充電站接入對電網(wǎng)的諧波影響，第二部分是電動汽車充電站接入對電力系統(tǒng)機組組合的影響。第一章：緒論部分；根據(jù)文獻資料，分析目前電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和我國電動汽車充電站的建設(shè)狀況，認識課題研究的重要性和必要性，制定課題的研究內(nèi)容和研究方案。第二章：分析電動汽車充電站接入對電網(wǎng)的諧波影響；介紹諧波對電網(wǎng)的危害，從理論上

37、闡述充電站對電網(wǎng)造成的諧波污染，通過Matlab/Simulink軟件構(gòu)造充電機和充電站仿真平臺，得出電動汽車充電過程中的諧波仿真結(jié)果，并對仿真結(jié)果進行總結(jié)，最后提出相應(yīng)的諧波抑制方法。第三章：分析電動汽車充放電對電力系統(tǒng)機組組合的影響；構(gòu)造含電動汽車充電站的電力系統(tǒng)機組組合數(shù)學模型，采用改進粒子群和優(yōu)先順序法對數(shù)學模型進行求解。對含電動汽車的電力系統(tǒng)機組組合和不含電動汽車的電力系統(tǒng)機組組合分別進行仿真計算，計算結(jié)果中包括各機組出力、電動汽車充放電狀況、發(fā)電總成本、排放總量及二者之和，通過分析仿真結(jié)果，得出電動汽車對電力系統(tǒng)機組組合的影響。第四章：對課題內(nèi)容進行歸納總結(jié)，陳述文中所得結(jié)論，也對

38、研究不足進行總結(jié)，展望未來的課題和后續(xù)工作。61第二章 電動汽車充電站接入對電網(wǎng)的諧波影響第二章 電動汽車充電站接入對電網(wǎng)的諧波影響 本章主要研究充電站為電動汽車車用電池充電時產(chǎn)生的諧波對電力系統(tǒng)造成的影響，這是因為電動汽車充電站中的充電機是由整流器、直直變換器等電力電子裝置組成的，這些電力電子裝置在整流和變換過程中會向電網(wǎng)注入諧波，對電網(wǎng)會造成一定的諧波污染，降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，因此十分必要研究電動汽車充電站接入電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波影響。本章最初介紹諧波給電網(wǎng)帶來的影響，然后進行充電機充電過程中向電網(wǎng)注入諧波的理論分析，再利用Matlab/Simulink仿真工具建立單臺充電機和五臺充電機的仿

39、真模型，使用快速傅里葉變換模塊（FFT）對電流進行諧波分析，將仿真數(shù)據(jù)與理論分析相對比得出結(jié)論，最后根據(jù)充電站產(chǎn)生諧波的性質(zhì)，提出相應(yīng)的諧波治理措施。2.1 諧波對電力系統(tǒng)的影響在理想電網(wǎng)中，電流和電壓都是正弦，但是由于諧波電壓和諧波電流的出現(xiàn)和注入，使得公用電網(wǎng)并沒有那么理想，電壓和電流均出現(xiàn)了畸變，這必然會引起各種故障和事故的發(fā)生，諧波污染的嚴重性已得到人們的高度重視，因此需要分析諧波對電力系統(tǒng)的危害。諧波對電力系統(tǒng)的影響主要有以下幾點36-37：1) 諧波會增加設(shè)備（輸電線路、旋轉(zhuǎn)設(shè)備、電力變壓器、電容器等）的附加損耗，造成電能浪費，降低設(shè)備的經(jīng)濟性。對輸電線路而言，諧波頻率是基波頻率的

40、整數(shù)倍，諧波的存在將會使線路的電阻增大，諧波在集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用下，增大了線路的附加損耗；旋轉(zhuǎn)設(shè)備的鐵心和繞組會由于諧波頻率比較高而增大渦流損耗、磁滯損耗，縮短旋轉(zhuǎn)設(shè)備的壽命，降低旋轉(zhuǎn)設(shè)備的效率；諧波電流還會增加電力變壓器的銅損、鐵損和雜散損耗，降低變壓器的實際使用容量，使變壓器在使用過程中產(chǎn)生的噪聲增大；諧波增大了電容器的損耗系數(shù)，增大了電容器的附加損耗。2) 諧波對設(shè)備（輸電線路、旋轉(zhuǎn)設(shè)備、電容器）造成的損壞，引發(fā)供電事故的發(fā)生。諧波使輸電線路的損耗增大，導體的發(fā)熱加重，加劇輸電線路的絕緣老化，而且諧波容易在線路中形成諧振，產(chǎn)生過電壓或過電流，導線會承受很大的電動力，嚴重時導致導體變

41、形甚至損壞；旋轉(zhuǎn)設(shè)備中存在共振的可能性，當諧波頻率和機械頻率重合發(fā)生諧振后，增大了旋轉(zhuǎn)設(shè)備的機械應(yīng)力，嚴重時造成旋轉(zhuǎn)設(shè)備損壞；當諧波電壓加在電容器兩端之后，諧波能夠?qū)е码姼泻碗娙莅l(fā)生諧振，使諧波被放大，增大電容器流過的電流，使電容器的溫度升高甚至達到不允許的地步引起爆炸，縮短了電容器的使用壽命。3) 諧波引起自動裝置和繼電保護裝置拒動或者誤動，降低裝置的選擇性和可靠性，嚴重時將威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，造成大面積停電事故。自動裝置和繼電保護裝置的整定值小、靈敏度高，當諧波注入電網(wǎng)后，引起系統(tǒng)諧振，使電網(wǎng)諧波電壓升高，引發(fā)系統(tǒng)故障，造成自動裝置和繼電保護裝置誤動；在輸電線路中廣泛采用電力線載波縱聯(lián)

42、保護，諧波通過電磁耦合在電力線路上產(chǎn)生干擾電壓，從而影響電力載波通信的正常工作，使繼電保護裝置的閉鎖設(shè)備無法工作，從而無法判斷是否動作，這必然造成繼電保護裝置動作失誤。4) 諧波降低通信質(zhì)量，產(chǎn)生噪聲干擾，甚至使通信系統(tǒng)無法正常工作。電力線路流過奇次諧波后，通過電磁耦合在鄰近的通信線路上產(chǎn)生干擾電壓，從而影響通信系統(tǒng)的正常工作，降低通話質(zhì)量，諧波還會和基波共同作用，產(chǎn)生電磁噪聲，降低通話清晰度，通信質(zhì)量的降低還會進一步影響電網(wǎng)運行的安全性。5) 諧波對計量儀表和用電設(shè)備的影響。諧波會加大計量儀表的誤差，使儀表指針指示不準確，使用戶的用電量增多，造成用戶多繳納電費；諧波還會使計算機等設(shè)備的畫面、

43、亮度變得模糊，影響顯像設(shè)備的影像質(zhì)量，造成元件發(fā)熱增加，使元件老化加劇，使設(shè)備的使用壽命嚴重縮短。6) 降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，影響電網(wǎng)的安全運行。電能質(zhì)量由電壓質(zhì)量、頻率質(zhì)量和畸變率三部分組成，畸變率是通過計算基波和諧波的比例得來的，諧波含量越高，畸變率越高，畸變率過高將使電網(wǎng)的安全運行能力嚴重降低。世界各國和組織都對諧波問題進行了認真的研究，多次召開有關(guān)諧波問題的國際學術(shù)會議，制定相關(guān)標準等，目的是降低諧波造成的危害。我國從1985年起，也開始起草制定諧波國家標準GB/T14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波，并于1994年3月起實施，標準規(guī)定所有負荷接入電網(wǎng)之前都必須滿足諧波要求。2.2 電動

44、汽車接入對電網(wǎng)的諧波影響理論分析2.2.1 諧波分析諧波是指對周期性非正弦量進行傅里葉級數(shù)分解而得到除了頻率與工頻分量相同之外的其他分量，把一個復(fù)雜的周期函數(shù)看成是許多不同頻率的周期函數(shù)的疊加。對于周期為的非正線電壓，可以進行傅里葉級數(shù)分解，得到一個收斂的無窮三角函數(shù)（即傅里葉級數(shù)）：， 2-(1)式中：， 2-(2)其中常數(shù)項稱為的直流分量；稱為一次諧波（又稱基波分量），其頻率與原函數(shù)的頻率相同；，依次稱為二次諧波，三次諧波，n次諧波幅值為，n次諧波角頻率為，n次諧波相位角為。n次諧波含有率（Harmonic Ratio for ）為， 2-(3)電流諧波含量為， 2-(4)諧波總畸變率（T

45、otal Harmonic Distortion）為， 2-(5)式中：為基波電流幅值，為n次諧波電流幅值。2.2.2 電動汽車充電機諧波理論分析目前使用的電動汽車充電機一般是高頻充電機，高頻充電機結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示，這種充電機由三相不可控整流環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)和DC/DC變換環(huán)節(jié)（有高頻變壓器）等構(gòu)成38-39，充電機由三相不可控整流裝置對輸入的交流電進行整流，輸出的直流電濾波后再經(jīng)過高頻DC/DC功率變換單元進行直直變換，最后經(jīng)過輸出濾波環(huán)節(jié)后，為電動汽車動力蓄電池提供充電電源。圖2.1 高頻充電機結(jié)構(gòu)框圖設(shè)電網(wǎng)電壓分別為：；2-(6)以、和表示整流裝置中二極管的開關(guān)函數(shù)，其中表達式和傅里

46、葉級數(shù)表達式為：， 2-(7)當分別以和代替式中的時，即可分別得到和的傅里葉級數(shù)表達式： ， 2-(8)， 2-(9)由此可得整流裝置輸出電壓為：， 2-(10)其中，、為整流裝置輸出電壓的直流分量和諧波分量。將式2-(6)、2-(7)、2-(8)和2-(9)代入式2-(10)中，可得：， 2-(11)整流裝置直流側(cè)電流可以表示為：， 2-(12)其中，、分別為直流阻抗和n次諧波阻抗，且，。將式2-(7)、2-(8)、2-(9)、和式2-(11)代入2-(12)中，可得：， 2-(13)系統(tǒng)為三相平衡系統(tǒng)，充電機的a、b、c三相電流波形為正負半周各寬、前沿相差且相位依次相差的矩形波，其有效值為

47、：，其中為整流裝置直流側(cè)電流。對a相電流進行傅里葉級數(shù)分解得：， 2-(14)從上述分析，可以看出交流側(cè)諧波主要有以下特點：1) 經(jīng)過高頻充電機的整流器對交流電進行整流輸出后，整流裝置主要產(chǎn)生5、7、11、13等次諧波，即交流電的充電電流波形主要是由基波和次諧波構(gòu)成的；2) 隨著諧波次數(shù)的升高，整流器交流側(cè)諧波電流的幅值逐漸降低，因此在諧波之中幅值最大的是5次諧波，其次是7次諧波，再次是11次諧波，即隨著諧波次數(shù)中k的增大，幅值減小；3) a、b、c三相電流的基波電流和諧波電流的有效值與a、b、c三相電壓有效值U、濾波電路的電感、電容和充電電池的等效輸入阻抗有關(guān)。4) 基波和各次諧波的有效值之

48、間的關(guān)系會隨著負載和濾波電感的變化而變化，諧波有效值與負載和濾波電感是負增長關(guān)系。2.2.3 電動汽車充電站諧波理論分析充電站中會建設(shè)多臺充電機為電動汽車充電，因此在電動汽車充電過程中，充電站從電網(wǎng)吸收的電流和功率是同時工作的充電機吸收的電流和功率的總和。將表示為充電機輸出功率的函數(shù)：， 2-(15)其中：， 2-(16)由式2-(15)可知，隨著電動汽車充電的進行，充電機的輸出功率會發(fā)生變化，而輸出功率的變化引起輸入諧波電流的幅值和相角的變化。而如果多輛電動汽車在不同時刻進行充電，充電站中的諧波將與單臺充電機工作時的結(jié)果不同，充電站中N臺充電機同時工作時的電流為：， 2-(17)由式2-(1

49、7)可知，多輛電動汽車在不同時刻進行充電，充電站中將會發(fā)生同次諧波相互抵消的現(xiàn)象，特別是對于高次諧波，這使充電站的電流總畸變率降低。2.3 充電站仿真分析2.3.1 仿真軟件選擇本節(jié)使用Matlab/Simulink軟件里的SimPowerSystems工具箱來構(gòu)建電動汽車充電機和充電站的仿真模型，通過仿真驗證第2.2節(jié)理論的正確性。Matlab（matrix laboratory）軟件是由美國MathWorks公司研制的一種數(shù)學軟件，這種軟件具有非常強大的數(shù)學功能，例如：算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計算等，現(xiàn)在已成為國際上公認的最優(yōu)秀的科學研究應(yīng)用軟件之一，得到了廣大科研工作者的廣泛

50、使用45-48。Simulink作為Matlab軟件里面重要的組成部分，它為學術(shù)研究者提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的平臺。在這個平臺環(huán)境里，無論簡單還是復(fù)雜的模型，都只需要點擊和拖動一下鼠標將功能模塊拖動到編輯窗口并通過連線連接起來就可以完成，從而省略了程序的編寫。SimPowerSystems是Simulink中的電力電子系統(tǒng)建模和仿真工具，在這個模塊工具箱里面包括非常豐富的電氣設(shè)備的仿真實驗?zāi)Ｐ停@些模型基本囊括了電氣領(lǐng)域的常見器件和設(shè)備，如發(fā)電機、變壓器、整流逆變裝置、示波器、發(fā)電機、源模塊和接收模塊等，從而是復(fù)雜龐大的電氣實驗，可以通過直觀動態(tài)的圖形方式進行系統(tǒng)分析，為解決復(fù)

51、雜的電力系統(tǒng)分析問題提供了非常有效的途徑。2.3.2 單臺充電機仿真模型目前電動汽車電池充電多采用兩階段充電方法（恒流限壓/恒壓限流，CC/CV），即前半段充電采用恒流限壓，后半段充電采用恒壓限流。本節(jié)以高頻充電機和為前提，建立單臺充電機仿真模型。由CC/CV充電方法可知，在一個完整的充電周期內(nèi)，充電機的輸出功率、輸出電壓、輸出電流都是變化的，從充電開始時刻起，充電機的輸出功率和充電電壓不斷增大，充電電流保持恒定，到達峰值以后，輸出功率和充電電流開始降低，而充電電壓開始保持恒定，充電過程中，功率。根據(jù)實測的蓄電池充電功率數(shù)據(jù)，利用曲線擬合方法，可以建立充電機輸入功率模型： ， 2-(18)其中

52、，t的單位是分鐘，是充電機的最大輸出功率，單位為kW。例如的充電機，根據(jù)式2-(19)得到充電機輸入功率曲線如圖2.2所示：圖2.2 充電機輸入功率曲線用非線性電阻代替高頻功率模塊的等效輸入阻抗可得高頻充電機的等效模型，如圖2.3所示。圖2.3 充電機等效模型其中，、為三相電源，為a相電流，為整流橋兩端電壓，為線路的等效電阻， 和為濾波電路的電感和電容，為高頻等效模塊的輸入電壓，為充電電流，為高頻功率模塊的等效輸入阻抗，其中阻值較小，一般可忽略不計。充電機為電動汽車的電池充電，高頻功率模塊的等效輸入阻抗為，則與充電機輸出功率之間的關(guān)系為；是充電機的輸出功率，是充電機的效率，是充電機整流橋直流側(cè)

53、的輸出電壓。的計算公式還可以表示為：， 2-(19)其中：為功率變換模塊效率；、為高頻功率變換電路的輸入電壓、輸入電流和輸入功率；、為高頻功率變換電路的輸出電壓、輸出電流和輸出功率。由此得高頻功率變換環(huán)節(jié)等效電阻的變化曲線圖，如圖2.4所示。圖2.4 高頻功率變換環(huán)節(jié)等效電阻在模型仿真過程中，充電機的模型比較大，計算量也比較大，連續(xù)變化的參數(shù)會將仿真時間變得更長，因此連續(xù)變化的參數(shù)不利于仿真的進行，在充電機充電過程中不斷變化的參數(shù)是電動汽車的充電電池，因此仿真時將電池參數(shù)離散化，等效成電阻。電動汽車蓄電池充電采用兩階段充電方法，將電動汽車蓄電池充滿需要140分鐘，充電過程中電壓和電流是不斷變化

54、的，但工頻周期相對電池充滿所需時長是非常短的，因此近似認為充電機輸出電壓和輸出電流在一個微元中是恒定的，這樣在充電過程中可使用一個非線性電阻近似代替高頻功率模塊的等效輸入阻抗。值的計算公式為：， 2-(20)其中：為功率變換模塊效率；、為高頻功率變換電路的輸入電壓、輸入電流和輸入功率；、為高頻功率變換電路的輸出電壓、輸出電流和輸出功率。從充電時間為140分鐘，每10分鐘作為一個采樣間隔，可以將140分鐘劃為14個時段，這樣就有14個采樣點，在每個采樣點取這一時段第一分鐘的電阻值作為這一時段的等效電阻，從而高頻功率變換環(huán)節(jié)等效電阻變化的具體數(shù)值見表2.1。表2.1 高頻功率變換環(huán)節(jié)等效電阻值t/

55、min1020304050/5.43495.37535.31695.25985.2039t/min60708090100/5.14925.09565.04314.99175.0008t/min110120130140/6.16947.61109.389611.5837根據(jù)充電機等效模型，利用Matlab/Simulink軟件中的SimPowerSystems模塊建立充電機仿真模型，該仿真模型以充電機為例，建立單臺充電機Simulink仿真模型，如圖2.5所示。圖2.5 單臺充電機Simulink仿真模型在圖2.5的仿真模型中，Subsystem是整流電路、濾波電路和電池等效電路的組合模塊（即充

56、電機模塊），h1是基波波形的測量模塊，h5是5次諧波波形的測量模塊，h7是7次諧波波形的測量模塊，h11是11次諧波波形的測量模塊，h13是13次諧波波形的測量模塊。仿真模型中電源模塊的參數(shù)為：10kV供電，電源頻率為50Hz，電源接線采用星型接地方式；變壓器模型的參數(shù)為：電壓變比為10/0.4kV，接線方式采用dy11（這種接線方式可以有效的阻斷3次諧波的流通）；整流裝置的參數(shù)為：二極管控制的三相不可控整流電路。濾波電路的參數(shù)為：電感L為1.5mH，電容C為2115uF。2.3.3 單臺充電機諧波仿真結(jié)果分析通過運行單臺充電機仿真模型可以得到所需數(shù)據(jù)，包括變壓器高壓側(cè)A相電流波形及各次諧波電流波形。然后使用Simulink中的快速傅里葉變換模塊（FFT），對變壓器高壓測A相電流波形進行諧波分析，得出各次諧波電流波形所占比例和電流波形總畸變率。(a)140min總電流波形(b)90min時刻電流波形圖2.6 單臺充電機A相電流波形 基波和各次諧波電流幅值的變化曲線如圖2.7所