考虑充电桩入网的配电网无功规划研究

谭松英

（广东电网有限责任公司 韶关乐昌供电局，广东 韶关 512200）

0 引 言

配电网无功规划的具体内容就是实现电力系统的无功分配，也就是在满足系统的一定限制条件下，设计无功规划设备的最佳分配方案和补偿容量，实现电力系统的有效运行。由于可再生能源的易变性与不稳定因素，给充电桩接入供电系统造成一定困难。而系统的无功设计方式通常以某一典型的工作情况为例，基本不考虑可再生能源的分配和充电桩入网的影响，其规划方法已经不能满足系统的有效性与稳定性需求[1]。本文考虑了充电桩入网的出力隔断特性和顺序式设计方法，提升配电网的无功规划效果，以改进的变电器系统作为实验平台，对设计的无功规划方法进行实验。

1 考虑充电桩入网的配电网无功规划

1.1 构建充电桩入网整流模块

整流模块属于充电桩的上层结构，为了使整流后的电压满足充电桩入网直流电压要求，根据整流器具有的电压升高特性，确定整流输出电压为900 V。根据整流器的原理，搭建仿真结构[2]。供电电源的频率为50 Hz，交流电源的有效值为400 V。整流器采用电压外部控制和电流内部控制相结合的控制方式，使变电器中的特性电压达到平衡状态。仿真模型如图1所示。

图1 充电桩入网仿真模型

电压外部控制能够提供充电桩入网内部电流的调控指令，采用恒压（Constant Voltage，CV）控制器进行电压的外部控制，从而保证直流输出主线电压的稳定[3]。输入电流的内部控制采用限制电流方法，使用非线性变电器代替传统的电流控制器。变电器功率的选择会直接影响到整流器输出侧主线电压的变化情况，因此要平衡开关的频率和电网侧的波动电流，还要规定适合的变电器功率。变电器的功率越小，开关频率会越大，充电桩入网电网侧的波动电流将会减小；变电器的功率越大，开关频率会越小，充电桩入网电网侧的波动电流将会增大[4]。当输入电流需要的功率偏差超过规定的变电器功率时，根据设计的开关频率控制电路开关的打开和关闭，从而使得需求功率的偏差控制在变电器功率的范围内。对变电器电压进行平衡控制是为了防止电压产生大幅度的波动，从而减小因电压不稳定产生的恶劣电流波动。

根据节点电流定律实现节点波动电流值的控制，对充电桩的入网过程进行滤波处理。目前，电流波动防治方面的技术相对来说已经比较完善，滤波的方法也有很多种，其中稀疏时域（Sparse Time Domain，STD）法的反应速度快、可控性高、价格合理且技术成熟，因此采用STD法对电流值进行控制[5]。利用STD法对单个充电桩入网电流进行滤波后的波形如图2所示。

图2 滤波后A相电流波形

从图2可以看出，使用STD法进行滤波后的电流波形有了很大的优化，几乎与正弦形态相近，电流的波动趋势也大幅下降，滤波效果十分明显。

1.2 设计配电网的准入目标

根据充电桩入网电流值，设计配电网的准入目标。为了保证配电网可以安全运行，所有的用电设备都需要进行安全设定，不能因单体存在的安全风险影响电网的安全运行。根据配电网电力质量的相关标准规定，设计电压的最大偏差量和波动电流的最大值。为了确保配电网能够安全可靠地运行，充电桩接入电网时应保证电网各节点的电压偏差量不超过其最大规定值，即

式中：ΔUj为节点电压偏差量；Uj为节点电压；UM为电网标准电压值；n为配电网节点数；ΔUmax为配电网所规定的节点电压偏差最大值[6]。充电桩接入电网时，向接入节点注入的波动电流应不超过所允许的最大值，各波动电流的含有量应满足标准规定的相应标准值，即

式中：THDj为波动电流含有量；l为波动次数；H为震荡电流值；THDjmax为总波动电流形变率。由于直流充电桩接入电网所产生的波动电流相对于震荡电流的含量较少，且高频率波动含量相对于低频率波动次数可忽略不计，因此本文只研究不高于18次的波动电流[7]。配电网运行的经济性也是电力系统无功规划任务之一，经济运行的一个重要标准是配电网的损耗率，主要指有功损耗。含有充电桩的配电网有功损耗率φ的计算公式为

式中：φ表示配电网的有功损耗率；p1表示电网负载；pe表示充电桩入网的有功功率；pspend为配电网的有功损耗。有功损耗为

式中：i为配电网支路的编号；Ii为第i号支路的电流量；Rq为第i号支路的电阻值。研究电网接纳充电桩入网能力的大小就是研究在满足电网电力质量标准和电网流通量限制的前提下同时接入配电网充电桩的最大负荷是多少，由于配电网的大功率充电是通过充电桩接入电网的，因此确定最大的充电负荷可以转化为确定接入电网的充电桩数量。

1.3 设计配电网无功规划目标函数

根据配电网中的充电桩准入目标，设计无功规划目标函数。为了更明显地体现出规范方法降低损耗的能力，采用规划方法的总收益作为目标函数[8]。构建设备损耗率、配电网设备寿命与规划方案的收益模型为

式中：Sp为每年的无功规划收益；ΔPspend为有功损耗的减少值；t为最大负荷的持续时间；β为电价；Sw为每年的维护费用，一般取投资费用的8%；Sv为电压超越限制的多余费用；α为等额分配的折算系数；Sc为配电网设备的投入资金。考虑充电桩入网做功、不做功的顺序性，设计配电网减少的有功损耗计算公式为

式中：Δpn为第n种做功状态时配电网无功前后的有功损耗减少值；ηn为第n种做功状态的频率[9,10]。根据做功情况分别计算电压超越限制的费用，再进行权重处理，具体计算公式为

式中：KV为电压超越限制的指数；m为配电网的节点数。

2 实验分析与结论

为了证明本文设计方法的优越性，根据设计的规划函数，采用C++语言设计配电网无功规划模型。以配电网的无功规划为基础，该配电网的网络结构如图3所示。

图3 配电网网络结构

节点0为结构平衡节点，充电桩的接入点为计算机控制节点，其他为无载体节点。为了验证本文设计的无功规划方法的优点，将传统无功规划方法和本文设计规划方法进行对比分析。实验中，上层节点的电压取11.2 kV，配电网设备的使用期限为12年，电价取0.46元/（kW·h），无功规划的固定投资费用为10 000元，维护成本取初始投入资金的8%，资金的变现率为7%。最大负荷需求时间取4 000 h，规划容量为10的整数倍。利用无功规划目标函数对本文方法及传统方法进行进行对比实验，迭代次数的最大值为380次，2种方法的对比结果及投入成本如表1所示。

表1 2种方法的规划结果及投入成本

从表1可以看出，充电桩的入网操作能明显减少配电网的有功损耗，配电网设备的投入资金减少了2.46万元。合理安装无功补偿变电器组能降低配电网的损耗，以总收益最大为目标函数设计了规划方案，能使收益最大化。

3 结 论

利用充电桩做功和不做功出力状态设计配电网无功规划方法，考虑配电网负荷情况与充电桩入网输送能力，能够更有效地增强无功设计的合理性。通过分析充电桩入网情况下的规划方法，其函数和方法也可应用于其他接入电源或多种接入电网的配电网无功规划研究。