高海拔地區充電樁接入電網均衡補償方法研究

陳建林

（國網西藏電力有限公司那曲供電公司，西藏 那曲 852000）

高海拔地區的地理和氣候條件比較惡劣，氣溫較低，空氣稀薄，因此充電樁需要具有更高的能源儲存和轉化效率。為了確保高海拔地區充電樁接入電網的穩定性和可靠性，可以采用集中式接入、分布式接入和混合式接入等方式[1]。綜上所述，高海拔地區充電樁接入電網的方式需要考慮當地的地理環境和氣候條件、用電負荷情況等多種因素。本文旨在探索適合高海拔地區充電樁接入電網的均衡補償方法，以提高充電效率，降低能源損耗并減少對電網的負面影響。首先，需要深入分析高海拔地區的地理、氣候和電網基礎設施情況，為充電樁的規劃和設計提供基礎數據。其次，針對充電樁的性能和運行特點，結合電網負荷情況，制定充電策略，進行電網負荷的均衡分配。為了實現高海拔地區充電樁接入電網的均衡補償，通過調整仿真參數，評估充電樁對電網的影響，并制定補償策略。此外還需考慮充電樁建設和維護的經濟成本等因素。因此，本文對優化高海拔地區充電基礎設施的建設有重要的指導作用。

1 高海拔地區充電樁接入電網均衡補償方法設計

1.1 建立充電樁接入電網控制結構

本文根據電網的分層控制、精細化管理以及電壓、頻率控制的特點，在不同時間尺度上建立控制層[2]，合理劃分各層，實現控制功能，建立充電樁接入電網控制結構，其結構如圖1所示。

圖1 充電樁接入電網控制結構

圖1 中，DG 為分布式發電單元。在該充電點接入的控制系統內，根據功能需求將電網劃分為一個本地控制層級和一個二級主控層級。本地控制器主要起控制作用，能夠以最快速度對其設定值進行跟蹤，二次控制器調節電網功率、電網電壓以及電壓頻率偏差等。在整個充電樁接入的控制結構中，整個電網設備實行分層管理模式，本地控制器與二次控制器集成在各DG 中，同時各DG 單元獨立控制，使所有二次控制器可以相互連接，以進行整個電網的“即插即用”和精細化管理[3]。在電網的網絡化分層管理系統中，每個節點僅需與相鄰節點進行通信，就可以得到全局的平均值，至此充電樁接入電網控制結構建立完成。

1.2 調節電網電流頻率

要使充電樁接入電網后對電網電流頻率進行快速調節，需要對電網的電流頻率進行實時檢測。設Us表示電力系統的母線電壓，IL表示負載上的電流，us（wt）表示電力系統的電壓，iL（wt）表示總負載電流[4]，IPL表示負載電流中有功電流的頻率，IqL表示負載電流中無功電流的頻率。以上述參數為基礎，假設電力系統的電壓us（wt）如公式（1）所示，電力系統的負載電流iL（wt）如公式（2）所示。

式中：θ1、θ2為負載電流與電網之間的相位差。

從而得到負載電流中無功電流的分量頻率IqL，如公式（3）所示。

式中：φ為負載電流中無功功率的相位角。

由公式（3）可得公式（4）。

由公式（4）可得負載電流和電流頻率之間的變化頻率。根據圖2 的相量關系可得知，電流頻率滯后于電網電壓，因此負荷表現為阻感性。在數學的三角函數中，有公式（5）。

圖2 電網瞬時電流頻率的檢測框圖

由公式（5）可以得知，在具有相容性負載的情況下，電流僅在符號上有所不同，但其頻率始終保持恒定。因此，無論負載是容性還是感性，公式（4）的計算結果取絕對值均能準確反映電流頻率。

利用上述推理步驟，便可得出對電網中瞬時電流頻率的檢測框圖，如圖2所示，由于此法主要采用了三角函數關系[5]，因此與常規的測量原理相比，構造比較簡便。

通過簡化方法，可以顯著降低電網電壓變化對電流頻率的干擾，既減少了實際問題中的計算量，也有效消除了電網電壓突變對電流頻率測量產生的影響，能夠實時調節電流頻率。

1.3 建立充電樁接入電網補償模型

充電樁接入電網后，補償模型與電源、負載元件形成一個復雜的統一體，其動態工作特性與電網的整體運行狀況、特性緊密相連。因此，需要對該補償模型進行深入分析，并建立準確的模型，以使其與電網的運行性能相匹配，這有助于簡化電網的研究。為了簡化補償模型的接線，本文采用如圖3所示的原理圖。建立充電樁接入電網的補償模型時，對其進行了理想化處理，具體步驟如下：1）將補償裝置中的損耗等效為電阻R，將電網元件和線路的損耗等效為電感L。2）經過電網元件的濾波處理后，該裝置的輸出電壓僅包括基波分量。

圖3 充電樁接入電網補償模型簡化圖

圖3 中，udc為補償模型輸出電壓；L為電網元件及線路損耗的等效電感；R為補償裝置中各種損耗的等效電阻；idc為補償模型負載電流。

對該補償模型簡化原理圖分析可得其輸出電壓udc，如公式（6）所示。

式中：K表示比例系數；δ表示該補償模型輸出電壓與電網電壓的相位差。

該補償模型電壓動態方程如公式（7）所示。

式中：t表示該補償模型運行時間。

將公式（6）和公式（7）合并即為充電樁接入電網補償模型表達式，如公式（8）所示。

至此完成了充電樁接入電網補償模型建立。

1.4 設置最優均衡補償電壓

最優均衡補償電壓的設置需要考慮多方面因素，包括電網變壓器容量、負荷需求、系統穩定性和運行效率等。在電網中，變壓器是關鍵元件，其工作穩定性會直接影響整個電網的穩定運行。變壓器容量過小會導致系統過載，容量過大則會造成浪費。變壓器運行效率與容量有密切關系。容量過大會導致空載損耗增加，從而降低運行效率。因此，要選合適的變壓器容量，以提高運行效率。負荷需求是變壓器容量規劃的重要因素。對電力系統來說，負荷需求決定電網的供電量。對地區用電需求進行預測和分析可以確定未來一段時間內的負荷需求，從而為變壓器容量的選擇提供依據。同時還需要考慮可能出現的負荷增長，以適應未來的用電需求。

變壓器是供電系統中最關鍵的供電設備，其負載值能夠反映供電變壓器剩余容量的豐富程度，即評估變壓器容量，確定變壓器是否超負荷[6]。

電網變壓器負載率表達式如公式（1）所示。

式中：Pmax表示電網變壓器最大容量；S表示電網變壓器運行速度；T表示電網變壓器運行時間。

由此可得電網變壓器容量P，如公式（10）所示。

綜上所述，合理的變壓器容量可以確保電網有效運營，充電樁接入電網的電流頻率和不均勻程度必須通過電流和電壓的正序及負序分量分離控制來獲得。由于等效的正序分量ud可以在正常的旋轉坐標系（d，q）中按λ順時針方向旋轉并得到ud'，而負序分量uq也可以按λ順時針方向旋轉并得到uq'，因此可以推斷，負序旋轉坐標系可以等值轉動，正序旋轉坐標系可以按2λ進行相反方向的旋轉，從而在旋轉坐標系中得到電壓的正序和負序分量。

最優均衡補償電壓U如公式（11）所示。

由最優均衡補償電壓分序進行充電樁接入電網的均衡補償，其觸發原理如圖4所示。

圖4 充電樁接入電網的均衡補償觸發原理

通過疊加正序和負序分量生成最優均衡補償電壓，并轉換坐標以觸發充電樁接入電網裝置的補償功能。觸發充電樁接入電網控制逆變電路，使其輸出補償電流，補償電網負載電流中的正序和負序分量[7]。至此高海拔地區充電樁接入電網均衡補償完成。

2 試驗

2.1 試驗準備

在仿真驗證的基礎上，本文選用西藏海拔3000m 以上某地區充電樁接入電網模型。將電網電壓的有效值設為110V，設置阻感性負載，將電池側電壓設為60V，直流母線電壓設為200V，同時參考充電樁部分參數，見表1。接入電壓變換器，設變換器的開關頻率為10kHz。

表1 充電樁部分參數

2.2 試驗說明

單個充電樁接入電網時，電網的損耗功率會流向充電樁，使電流和電壓檢測出的波形出現明顯的相位偏移。根據表1 設置的充電樁的試驗參數，充電樁接入電網但沒有進行均衡補償前的電壓電流波形如圖5所示。由圖5 可知，電壓電流出現相位差，即無功電流是由電網流向充電樁的。充電樁接入電網實現均衡補償后的電壓和電流波形如圖6所示。

圖5 接入電網前電壓電流波形

圖6 接入電網后電壓電流波形

為進一步證明本文設計的高海拔地區充電樁接入電網均衡補償方法的優越性，采用文獻[1]基于小波變換的微電網諧波電流動態補償方法（方法1）、文獻[3]雙線圈并聯ICPT 系統的分布式補償電流均衡方法（方法2）作為本文方法的對比方法。接入電網均衡補償后3 種方法電壓電流波形如圖7所示。

2.3 試驗結果分析

比較上述試驗結果可知，使用本文研究的高海拔地區充電樁接入電網均衡補償方法后，電網電壓電流波形幾乎一致，說明補償了充電樁接入電網的功率，并且響應時間短，證明本文設計的方法更好，更具有研究價值。

3 結語

綜上所述，高海拔地區充電樁接入電網的均衡補償方法研究具有重要意義。通過綜合分析地理、氣候、電網基礎設施以及充電樁性能等多方面因素，探索適合高海拔地區的充電樁接入電網的均衡補償方法。未來的研究將進一步完善充電樁性能評估和仿真分析方法，尋求更優化的充電策略和經濟、有效的均衡補償方案，以期推動電動汽車在高海拔地區的廣泛應用和可持續發展。