電動(dòng)汽車換電站V2G運(yùn)行對(duì)中壓配電網(wǎng)故障特征的影響

張穎達(dá)，劉 念，張建華

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

發(fā)展電動(dòng)汽車被世界各國(guó)普遍確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑，電動(dòng)汽車換電站BSS（Battery Swap Station）作為一種重要的集中式充電基礎(chǔ)設(shè)施而備受關(guān)注［1］。考慮到電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況和可再生能源系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，BSS可以應(yīng)用V2G技術(shù)作為電網(wǎng)和可再生能源的緩沖：當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)高時(shí)，由BSS高價(jià)向電網(wǎng)售電；而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)，BSS存儲(chǔ)電網(wǎng)過(guò)剩的發(fā)電量。應(yīng)用V2G技術(shù)的BSS不僅可以獲得額外的收益，還可以為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，如調(diào)峰、無(wú)功補(bǔ)償?shù)?，增加電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性，降低電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本［2-3］，但是對(duì)保護(hù)系統(tǒng)影響較復(fù)雜。

目前基于V2G的BSS對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)影響的文獻(xiàn)尚不多見(jiàn)，但是可以借鑒類似的研究，如逆變器型分布式電源對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)［4］分析了逆變型分布式電源的故障特征，并在此基礎(chǔ)上分析了僅含逆變器型分布式電源的微網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行2種模式下的故障特征，但是分布式電源的控制模型不夠精確；文獻(xiàn)［5］仿真分析了在三相對(duì)稱系統(tǒng)中，逆變型分布式電源在PQ控制策略和Vf控制策略下的故障特征；文獻(xiàn)［6］分析了在接地電阻不同、負(fù)荷水平不同情況下逆變器型分布式電源的故障特征，并與傳統(tǒng)電源的情況進(jìn)行了對(duì)比；文獻(xiàn)［7］改進(jìn)了逆變器型分布式電源的控制策略，并對(duì)含多個(gè)逆變器型分布式電源低壓配電網(wǎng)的故障特征進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)［8-9］基于逆變器型分布式電源的控制策略，對(duì)重合器-熔斷器配合的饋線自動(dòng)化的故障特征進(jìn)行了分析。

BSS在充電時(shí)對(duì)配電網(wǎng)故障特征的影響很小，因此本文只介紹接入10 kV配電網(wǎng)的BSS放電控制策略，仿真分析配電網(wǎng)發(fā)生各種類型短路故障時(shí)BSS的電氣量特征，并在此基礎(chǔ)上仿真分析基于V2G的BSS在不同場(chǎng)景下對(duì)配電網(wǎng)故障特征的影響，為含BSS的配電網(wǎng)保護(hù)方案的制定提供一定的依據(jù)。

1 BSS結(jié)構(gòu)及充放電機(jī)控制策略

1.1 BSS結(jié)構(gòu)

BSS主要包括配電系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)、電池維護(hù)系統(tǒng)、電池更換系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等，其中充放電系統(tǒng)由多個(gè)電池充電架組成，每個(gè)電池充電架由多臺(tái)充放電機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 BSS結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of BSS

1.2 充放電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其控制策略

根據(jù)目前對(duì)電動(dòng)汽車充放電機(jī)的研究［10-11］，典型的電動(dòng)汽車充放電機(jī)由隔離變壓器、濾波器、AC/DC環(huán)節(jié)和DC/DC環(huán)節(jié)組成，如圖1所示。由于充放電機(jī)在放電時(shí)逆變器直流側(cè)電壓基本保持恒定，且動(dòng)力電池按指令提供電能，對(duì)交流側(cè)的電氣特性影響很小，結(jié)合文獻(xiàn)［12-13］的研究，可用一個(gè)恒壓源代替DC/DC環(huán)節(jié)和動(dòng)力電池。目前BSS并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不允許出現(xiàn)主動(dòng)孤島的情況，因此充放電機(jī)放電時(shí)的控制策略主要有PQ控制策略［14-15］和恒流控制策略［10，13］。相對(duì)于恒流放電策略，PQ 控制策略具有更好的控制特性，在削峰填谷等方面具有更好的效果，因此本文主要研究BSS采用PQ控制策略時(shí)對(duì)配電網(wǎng)故障特征的影響。基于LCL濾波結(jié)構(gòu)的30 kW充放電機(jī)簡(jiǎn)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其放電控制策略如圖2所示。

圖2 充放電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略Fig.2 Topology of charging/discharging device and its control strategy

在配電網(wǎng)故障狀態(tài)下，充放電機(jī)的端電壓下降，電流增大，由于逆變器的過(guò)載能力有限，為保護(hù)逆變器的正常運(yùn)行，通常將其輸出電流限制在1.5～2倍額定電流以內(nèi)［16-17］，也即圖2中限流環(huán)節(jié)的功能。本文將電流限定值設(shè)置為2倍額定電流，限流原理如圖3所示。

圖3 充放電機(jī)限流原理Fig.3 Current limiting principle of charging/discharging device

圖3中，Ilim為電流的限值，即2倍額定電流。首先對(duì)輸入的和分別用Ilim限幅得到和然后優(yōu)先保證不變而限制這是因?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障時(shí)，逆變器輸出的電流增大，導(dǎo)致充放電機(jī)的隔離變壓器和LCL濾波器吸收的無(wú)功增加，必然會(huì)使增大，促使逆變器發(fā)出一定的無(wú)功。若限制逆變器發(fā)出的無(wú)功必然減少，充放電機(jī)將從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功，可能導(dǎo)致配電網(wǎng)穩(wěn)定性降低。

2 故障時(shí)BSS電氣量特征分析

本文采用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC對(duì)10 kV配電網(wǎng)故障時(shí)BSS的電氣量特征進(jìn)行仿真分析。10 kV配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)如圖4所示，110 kV/10 kV變壓器容量為31.5 MV·A；所有線路均為架空線路，線路參數(shù)為 r1=0.27 Ω /km，x1=0.347 Ω /km，其中 AB、BC、DE 的長(zhǎng)度為 2 km，CD、AF 的長(zhǎng)度為4km，F(xiàn)G的長(zhǎng)度為 3km；在每個(gè)節(jié)點(diǎn)接入（3+j1.5）MV·A的負(fù)荷；節(jié)點(diǎn)C接入額定容量為600 kW的BSS，由20臺(tái)額定容量為30 kW的充放電機(jī)組成，每臺(tái)充放電機(jī)放電時(shí)均采用圖2所示的控制策略。

當(dāng)BSS以單位功率因數(shù)運(yùn)行于額定放電狀態(tài)，即每臺(tái)充放電機(jī)的放電功率指令均為P*=0.03 MW、Q*=0時(shí)，以線路CD末端f2處發(fā)生單相接地短路、兩相接地短路、兩相短路和三相短路故障為例，仿真分析BSS發(fā)出的有功、無(wú)功及0.4kV側(cè)電流和并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值。各種類型短路故障均發(fā)生于0.3 s，并在0.5 s結(jié)束，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 10 kV配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of 10 kV distribution network

圖5 線路CD末端發(fā)生各種短路故障時(shí)BSS發(fā)出的有功、無(wú)功、電流和并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值Fig.5 Active power，reactive power，current and voltage p.u.of BSS when different short circuit faults occur at end of line CD

由仿真結(jié)果可知，在發(fā)生單相短路、兩相短路和兩相接地短路時(shí)，隨著B(niǎo)SS端電壓的降低輸出電流會(huì)增大，從而保持BSS輸出的有功功率和無(wú)功功率基本不變。而在這3種短路故障中，單相接地短路時(shí)端電壓最高，兩相接地短路時(shí)端電壓最低，因此BSS在單相短路時(shí)提供的短路電流最小，在兩相接地短路時(shí)提供的短路電流最大，但均小于2倍額定電流；而發(fā)生三相短路時(shí)，BSS端電壓過(guò)低，輸出電流已達(dá)到2倍額定電流，BSS不再按照恒功率輸出，根據(jù)圖2的限流原理，BSS輸出的無(wú)功功率保持不變，而有功功率隨端電壓的進(jìn)一步降低而降低。

配電網(wǎng)中故障點(diǎn)位置不同時(shí)BSS的電氣量特征也不同。以圖4所示配電網(wǎng)中線路DE末端f3處于0.3～0.5 s發(fā)生三相短路故障為例，對(duì)BSS的電氣量特征進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 線路DE末端發(fā)生三相短路故障時(shí)BSS發(fā)出的有功、無(wú)功、電流和并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值Fig.6 Active power，reactive power，current and voltage p.u.of BSS when three-phase short circuit fault occurs at end of line DE

對(duì)比分析圖5（d）與圖6可知，f3處距BSS并網(wǎng)點(diǎn)較遠(yuǎn)，故障時(shí)BSS電壓較高，輸出電流未達(dá)到2倍額定電流，BSS仍按指令恒功率輸出。同理可以分析故障點(diǎn)距BSS比f(wàn)2更近的情況，此時(shí)BSS電壓更低，輸出電流限制在2倍額定電流，根據(jù)圖2的限流原理，輸出的無(wú)功功率保持不變而有功功率更低。

一是各工程項(xiàng)目部領(lǐng)用工程材料時(shí)，均以工程管理部填列的大料單為依據(jù)，在特別情況發(fā)生時(shí)，存在超出限額部分未及時(shí)辦理審批手續(xù)的情況；二是工程管理部的大料單以設(shè)計(jì)管理部的設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)編制，領(lǐng)料單一出，就將材料悉數(shù)領(lǐng)出，存在未用材料存于企業(yè)倉(cāng)庫(kù)或散于工地現(xiàn)場(chǎng)的情況，不利于施工企業(yè)采購(gòu)資金的安排和材料存放安全；三是單個(gè)工程完工后辦理退料時(shí)，工程項(xiàng)目部往往將尚未用完的的散件直接退回，未能按照節(jié)約原則在下一個(gè)工程中進(jìn)行充分利用，存在不愿領(lǐng)用可改造使用的散件而領(lǐng)用整件再分割使用的情況.

3 BSS對(duì)配電網(wǎng)故障特征的影響

3.1 BSS單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)

當(dāng)BSS以單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，考慮配電網(wǎng)故障時(shí)BSS對(duì)故障點(diǎn)提供最大短路電流的情況，即每臺(tái)充放電機(jī)放電功率指令P*=0.03 MW，BSS放電功率為0.6 MW。

10 kV配電網(wǎng)的仿真模型如圖4所示，以系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障即三相短路為例，當(dāng)BSS額定容量分別為0、0.6 MW、1.2 MW時(shí)，若故障點(diǎn)分別在BSS上游AB末端f1處、下游CD末端f2處以及相鄰饋線AF末端f4處，對(duì)配電網(wǎng)故障特征的仿真結(jié)果分別見(jiàn)表1—3。其中 IBC、ICD、IAF分別為故障時(shí)流過(guò)線路 BC、CD、AF的電流。

由表1可知，BSS上游線路故障時(shí)，BSS會(huì)提供反向的短路電流；分析表2可知，BSS下游線路故障時(shí)，BSS會(huì)提供助增電流，并使得BSS上游保護(hù)測(cè)得的故障電流減小；分析表3可知，相鄰饋線故障時(shí)，BSS會(huì)提供反向電流，并使得故障線路的短路電流增大。

表1 f1處三相短路時(shí)配電網(wǎng)故障電流Table 1 Fault current of distribution network when three-phase short circuit fault occurs at f1

表2 f2處三相短路時(shí)配電網(wǎng)故障電流Table 2 Fault current of distribution network when three-phase short circuit fault occurs at f2

表3 f4處三相短路時(shí)配電網(wǎng)故障電流Table 3 Fault current of distribution network when three-phase short circuit fault occurs at f4

由仿真結(jié)果還可看出，0.6 MW換電站對(duì)10 kV配電網(wǎng)的故障特征影響不大，原因主要有3點(diǎn)：BSS放電時(shí)要考慮逆變器的過(guò)流能力，提供的最大電流僅為額定電流的2倍；BSS的容量比較小，提供的電流有限；BSS提供的故障電流與其運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，將在3.2節(jié)中詳細(xì)介紹。

進(jìn)一步分析比較表1—3中BSS額定容量不同時(shí)配電網(wǎng)中短路電流的大小可知，BSS容量對(duì)配電網(wǎng)的故障特征有重要影響。當(dāng)換電站容量增大時(shí)，若BSS上游線路（如f1處）故障，則故障點(diǎn)短路電流增大；若BSS下游線路（如f2處）故障，則故障點(diǎn)短路電流增大，而流過(guò)BSS上游的短路電流減??；若BSS相鄰線路（如f4處）故障，則故障點(diǎn)短路電流增大，而流過(guò)BSS上游的電流減小。如果BSS容量繼續(xù)增大，則BSS上游線路故障時(shí)，BSS提供的反向電流可能導(dǎo)致BC線路保護(hù)誤動(dòng)作；BSS下游線路故障時(shí)，BSS對(duì)下游故障的助增電流可能導(dǎo)致CD線路保護(hù)的保護(hù)范圍延伸，失去選擇性；BSS相鄰線路故障時(shí)，BSS提供的反向電流可能導(dǎo)致BC線路上流過(guò)反向電流。此時(shí)，BSS對(duì)配電網(wǎng)的故障特征影響較大，對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響不容忽視。

如果充放電機(jī)帶低壓檢測(cè)功能，則可以在電壓大幅度下降后停止向電網(wǎng)放電。IEEE Std.1547標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分布式電源的并網(wǎng)點(diǎn)電壓在0.88～1.1 p.u.之間時(shí)，分布式電源處于正常運(yùn)行狀態(tài)［18］，參考該標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為當(dāng)BSS并網(wǎng)點(diǎn)電壓小于0.88 p.u.時(shí)，配電網(wǎng)處于不正常運(yùn)行狀態(tài)，需停止放電。假設(shè)圖4中f2處0.2s時(shí)發(fā)生三相短路，充放電機(jī)停止放電的動(dòng)作時(shí)間為10 ms，BSS在10 kV側(cè)輸出電流如圖7所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，線路故障后充放電機(jī)若繼續(xù)放電，則BSS向配電網(wǎng)提供的電流為73 A；若檢測(cè)到低電壓后停止放電，則BSS提供的電流為61 A。結(jié)合圖7可知，雖然充放電機(jī)在檢測(cè)到低電壓后停止向電網(wǎng)放電，但是在檢測(cè)低電壓和充放電機(jī)動(dòng)作過(guò)程中，充放電機(jī)仍然會(huì)向配電網(wǎng)提供電流，導(dǎo)致故障發(fā)生后一小段時(shí)間內(nèi)BSS仍然會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的故障特征造成一定影響。

圖7 充放電機(jī)具備低電壓停止放電功能時(shí)BSS的輸出電流Fig.7 Output current of BSS when charging/discharging device are equipped with low-voltage discharge prohibition function

3.2 BSS提供無(wú)功服務(wù)時(shí)

基于V2G的BSS可以為電網(wǎng)提供無(wú)功服務(wù)，假設(shè)每臺(tái)充放電機(jī)的有功功率指令P*=0.03 MW，以線路CD和DE末端發(fā)生三相短路為例，當(dāng)充放電機(jī)的無(wú)功指令Q*不同時(shí)分別對(duì)配電網(wǎng)的故障特征進(jìn)行仿真，對(duì)應(yīng)的BSS發(fā)出的無(wú)功QBSS、BSS功率因數(shù)、f2和f3處故障時(shí)的短路電流If2和If3見(jiàn)表4。

表4 BSS提供無(wú)功服務(wù)時(shí)配電網(wǎng)的故障特征Table 4 Fault characteristics of distribution network when BSS provides reactive power services

分析表4可知，與BSS單位功率因數(shù)控制時(shí)相比，若BSS從配電網(wǎng)吸收無(wú)功，則BSS提供的故障電流減小，當(dāng)吸收一定的無(wú)功功率時(shí)，BSS對(duì)配電網(wǎng)的故障電流沒(méi)有影響（如f2處故障BSS吸收0.18 Mvar無(wú)功時(shí)和f3處故障BSS吸收0.24 Mvar無(wú)功時(shí)），且故障點(diǎn)不同時(shí)該無(wú)功功率也不同，當(dāng)吸收的無(wú)功功率更大時(shí)，配電網(wǎng)的故障電流甚至比不接入BSS時(shí)更??；反之，若BSS向配電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功，則BSS提供的故障電流增大。

以BSS下游某點(diǎn)發(fā)生故障為例分析無(wú)功對(duì)配電網(wǎng)故障特征的影響，等效電路圖如圖8所示。

在接入BSS之前，配電網(wǎng)的故障電流If計(jì)算如下：

其中，U為等效電源電壓；Znet為電源到饋線首端，即圖4中A點(diǎn)的等效阻抗；Z1為饋線首端到BSS并網(wǎng)點(diǎn)之間的線路阻抗；Z2為BSS并網(wǎng)點(diǎn)到故障點(diǎn)的阻抗；R為故障電阻。

圖8 配電網(wǎng)故障電路等效圖Fig.8 Equivalent circuit diagram of distribution network with fault

BSS接入后，可將BSS等效為一個(gè)電流源，則配電網(wǎng)的故障電流變?yōu)椋?/p>

其中，IBSS為BSS輸出的電流。

式（2）中等號(hào)右邊第2項(xiàng)的阻抗在特定的故障情況下均是定值，因此可以簡(jiǎn)化為：

其中，k、θl均為常數(shù)。

因此式（2）可簡(jiǎn)化為：

根據(jù)圖2的控制策略與式（3）、（4）可得出圖9所示的矢量圖，其中If為BSS未接入時(shí)的故障電流，Ug為BSS接入點(diǎn)配電網(wǎng)電壓，UBSS為BSS并網(wǎng)點(diǎn)電壓，因此Ug與UBSS一致，If滯后Ug一定角度。BSS單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)其輸出電流IBSS1與UBSS同相位，IBSS1經(jīng)過(guò)式（3）后得到 IB1，根據(jù)式（4）If與 IB1合成了故障電流IfB1；BSS從配電網(wǎng)吸收少量無(wú)功時(shí)，其輸出電流IBSS2超前電壓一定角度，且該電流與IBSS1近似相等，同時(shí)由于式（3）中k和 θl均不變，因此IB2與IB1大小相等，相位差和IBSS2與IBSS1的相位差相同，因此故障電流變?yōu)镮fB2，明顯小于 IfB1；同理，當(dāng) BSS發(fā)出無(wú)功時(shí)，故障電流變?yōu)镮fB3，大于IfB1。

圖9 無(wú)功對(duì)故障電流影響分析圖Fig.9 Analytical diagram of reactive power influence on fault

4 結(jié)論

本文基于BSS放電時(shí)PQ控制方法，對(duì)含BSS的配電網(wǎng)故障時(shí)BSS的電氣量特征和配電網(wǎng)的故障特征進(jìn)行了仿真和分析，得出了以下結(jié)論。

a.故障類型與故障位置對(duì)BSS的電氣量特征都有影響，若配電網(wǎng)故障時(shí)BSS并網(wǎng)點(diǎn)電壓降落不太大，則BSS按照恒功率輸出；若電壓降落較大，則BSS按2倍額定電流恒流輸出。

b.由于BSS中電力電子器件的過(guò)流承受能力有限，BSS提供的故障電流比較有限，當(dāng)BSS容量大時(shí)對(duì)配電網(wǎng)故障特征的影響較明顯。

c.BSS的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)配電網(wǎng)的故障特征影響明顯。與BSS單位功率因數(shù)運(yùn)行相比，BSS從配電網(wǎng)吸收無(wú)功時(shí)提供的短路電流減小，而向配電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功時(shí)提供的短路電流增大。