0 引言

　　隨著全球能源日趨緊張，生態(tài)環(huán)境日益惡化，關(guān)于新能源汽車的開發(fā)與應(yīng)用問題已成為各國汽車工業(yè)積極探索的焦點，電動汽車以其清潔、環(huán)保、廉價的特點，受到了廣泛關(guān)注[1]。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開政策的支持，尤其對于中國來說，政策的導(dǎo)向性十分明確。第一批新能源汽車推廣應(yīng)用城市新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)由“示范應(yīng)用”向“推廣應(yīng)用”正式過渡，按照“十二五” “十三五”發(fā)展計劃，電動汽車在10年期間會形成足夠大的規(guī)模，大規(guī)模電動汽車接入之后必然會帶來大量的充電負荷[2]。

　　電力系統(tǒng)地域廣、涉及元件多、相互之間耦合緊密，而隨著電動汽車使用數(shù)量增加,電動汽車充電設(shè)備的規(guī)模化接入，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程將會更加復(fù)雜，使得采用電力系統(tǒng)數(shù)值仿真對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析時變得更加困難[3]。

　　目前，考慮大規(guī)模電動汽車接入后對電力系統(tǒng)影響的研究已經(jīng)展開，文獻[4]對電動汽車充放電給電力系統(tǒng)帶來影響相關(guān)研究進行了綜述，并展望了相關(guān)領(lǐng)域的下一步研究工作；文獻[5]對電動汽車充電負荷與調(diào)度控制策略進行了綜述，指出了尚未解決的問題和可能的研究方向；文獻[6]對電動汽車電池集中充電站接入后的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析。

　　以上研究及綜述均未對考慮大規(guī)模電動汽車接入后使得電力系統(tǒng)數(shù)值仿真難度增大的問題進行解決，因此本文以分塊解耦動態(tài)仿真作為工具，并采用以考慮節(jié)點支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法，可以有效解決上述問題，從而提高電力系統(tǒng)動態(tài)仿真在對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析時的精度，并通過先驗仿真得到電池集中充電站最優(yōu)接入方案，保障電力系統(tǒng)的安全可靠運行。

1 電動汽車入網(wǎng)技術(shù)

　　本節(jié)將先介紹電動汽車的分類及補給形式，最后介紹電動汽車的幾種入網(wǎng)技術(shù)，作為分析大規(guī)模電動汽車接入后電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

　　1.1 電動汽車的分類

　　電動汽車根據(jù)消耗能源的不同，可分為純電動汽車、插電式混合動力電動汽車及燃料電池電動汽車三類。其中，純電動汽車完全靠電能驅(qū)動；插電式電動汽車采用汽油和電能驅(qū)動；燃料電池電動汽車則以清潔燃料發(fā)出電能驅(qū)動。由于續(xù)航能力受電池容量所限，純電動汽車尚未大規(guī)模普及，但隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，純電動汽車是未來發(fā)展的趨勢；插電式電動汽車采用兩種能源，在提高能效的同時，使用方便、靈活，已具有相對成熟的技術(shù)，逐漸進入產(chǎn)業(yè)化的階段[7]。本文針對前兩種進行研究，它們需要從電網(wǎng)汲取電能，具有充電行為。

　　1.2 電動汽車的補給形式

　　電動汽車的主要補給形式有充電樁、充換電站和電池集中充電站。大量電動汽車投入使用之后必然會帶來大量的充電負荷，電動汽車行業(yè)發(fā)展穩(wěn)定后，大量分散在城市各處的充電樁和充換電站對電能能夠進行及時的補充。在國家電網(wǎng)公司“換電為主，插充為輔，集中充電，統(tǒng)一配送”的指導(dǎo)思想下，電池集中充電站作為一個重要的補給中心被提出。

　　幾種補給形式中，充電樁由于工作電壓電流均較低,帶來的影響也較小。而換電站由于不具備充電功能,因此換電站本身與電網(wǎng)并無聯(lián)系,儲備的電池需要送往電池集中充電站進行充電[8]。電池集中充電站的負荷要遠遠大于其他形式,因此對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響比其他形式的負荷更明顯，在運用電力系統(tǒng)動態(tài)仿真對電力系統(tǒng)進行分析與控制時要考慮其影響。

　　1.3 電動汽車入網(wǎng)技術(shù)

　　電動汽車的入網(wǎng)技術(shù)以車輛的蓄電功能及電池的充放電功能為基礎(chǔ)，支持智能電網(wǎng)(Smart grid)工作的一種應(yīng)用方式。目前的入網(wǎng)技術(shù)有以下三種

　　(1)吸收非主流發(fā)電形式(火電、水電、核電以外的發(fā)電形式)所生產(chǎn)的剩余電力，即作為電網(wǎng)的緩沖容量(G2V，Grid to Vehicle)，這項功能主要用來緩解電網(wǎng)中用電高峰和低谷所帶來的波動，減輕電網(wǎng)調(diào)解、調(diào)度的壓力。

　　(2)由車輛或電池向電網(wǎng)供電，即用電動汽車技術(shù)來支撐電網(wǎng)的容量不足(V2G，Vehicle to Grid)。

　　(3)作為停電時面向家庭供電的電源(V2H，Vehicle to Home)這項功能主要用來應(yīng)對洪水、地震及火災(zāi)等大規(guī)模災(zāi)害。當公共供電系統(tǒng)受損無法正常提供電力時，使用車載電池向家庭供電，以維持家庭的正常生活。

　　技術(shù)(3)對電網(wǎng)影響較小，因此本文在計及大規(guī)模電動汽車接入后的影響時主要針對前兩種技術(shù)。

2 電力系統(tǒng)動態(tài)仿真

　　電力系統(tǒng)是由鍋爐、汽輪機、水輪機、反應(yīng)堆、發(fā)電機等生產(chǎn)電能的設(shè)備，變壓器、電力線路等變換、輸送、分配電能的設(shè)備，電動機、電燈、電熱電爐等各種消耗電能的設(shè)備，以及測量、保護、輔助控制裝置及能量管理系統(tǒng)所組成的統(tǒng)一整體，是一個十分龐大而復(fù)雜的研究對象[9]，在研究考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)穩(wěn)定性分析，需要把電動汽車相關(guān)的元件模型加入其中。

　　電力系統(tǒng)仿真是幫助我們認識、分析電力系統(tǒng)規(guī)律性并進行控制的有效工具[10]，它可以在實驗室中對復(fù)雜系統(tǒng)的行為進行模擬，其具有無破壞性、經(jīng)濟性和易控制等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輔助決策、方案比較、輔助設(shè)計、計劃優(yōu)化及管理調(diào)度等方面。

　　按照仿真過程的不同，電力系統(tǒng)仿真通常分為:電磁暫態(tài)過程仿真、機電暫態(tài)過程仿真和中長期動態(tài)過程仿真三種[11]。本文研究的是機電暫態(tài)過程中的電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析。

　　在進行暫態(tài)穩(wěn)定分析時，發(fā)電機采用忽略定子回路電磁暫態(tài)過程的五階實用模型；勵磁系統(tǒng)采用可控硅勵磁調(diào)節(jié)器的三階模型（調(diào)節(jié)器一階、勵磁器一階、勵磁電壓軟反饋一階）；計及原動機及調(diào)速器動態(tài)；負荷采用補給基于V2G模式的電動汽車、電池負荷模型；電力網(wǎng)絡(luò)采用節(jié)點導(dǎo)納陣表示的準穩(wěn)態(tài)模型。圖1為系統(tǒng)各類元件之間的聯(lián)系。電力系統(tǒng)元件和參數(shù)眾多，系統(tǒng)中各元件之間有著很強的耦合關(guān)系，每個元件的模型和參數(shù)都可能對動態(tài)仿真的結(jié)果有一定程度的影響，如果有模型參數(shù)存在誤差會影響電力系統(tǒng)動態(tài)仿真的精度。美國西北太平洋國家實驗室最早將同步相量測量裝置(Phasor Measurement Unit，PMU)的量測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)仿真模型相結(jié)合，將復(fù)雜的系統(tǒng)分塊解耦后再進行動態(tài)仿真，為正確認識并提高仿真可信度提供了有力的工具[12]，此后，國內(nèi)研究者也對該問題開展了相關(guān)研究工作。下一節(jié)將針對此問題采用分塊解耦動態(tài)仿真方法進行解決。

3 分塊解耦動態(tài)仿真

　　本節(jié)將對分塊解耦動態(tài)仿真進行詳細介紹，并采用考慮節(jié)點支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法對系統(tǒng)進行分塊解耦。

　　3.1 分塊解耦動態(tài)仿真原理

　　3.1.1 分塊解耦動態(tài)仿真模型

　　如果電力系統(tǒng)的動態(tài)模型被視為一個黑箱系統(tǒng)，則分塊解耦動態(tài)仿真方法在邊界母線處注入的實測數(shù)據(jù)相當于注入這個黑箱的輸入，解耦仿真得到的仿真結(jié)果相當于黑箱的輸出。圖2所示是一個已知邊界母線實測數(shù)據(jù)的解耦仿真系統(tǒng)，通過邊界母線的實測數(shù)據(jù)將研究系統(tǒng)與外部系統(tǒng)解耦。

　　電力系統(tǒng)分塊解耦仿真利用PMU的量測數(shù)據(jù)將系統(tǒng)解耦成若干個子系統(tǒng)，只對其中一個子系統(tǒng)進行研究，外部系統(tǒng)只需計及對研究系統(tǒng)的影響，對其內(nèi)部不必詳細描述，在邊界母線處注入的PMU實測數(shù)據(jù)代替發(fā)電機或者電池集中充電站仿真模型，外部系統(tǒng)對研究系統(tǒng)的影響就以動態(tài)數(shù)據(jù)的形式反映出來。

　　3.1.2 分塊解耦動態(tài)仿真的數(shù)學(xué)描述

　　本小節(jié)通過對分塊解耦動態(tài)仿真進行數(shù)學(xué)描述，分析了系統(tǒng)解耦的原理。

　　分塊解耦動態(tài)仿真方法先從大系統(tǒng)中分解出待研究的規(guī)模較小的子系統(tǒng)，當只研究電池集中充電站仿真模型參數(shù)時，可將其設(shè)為子系統(tǒng)。再將PMU量測得到的數(shù)據(jù)注入到邊界母線處實現(xiàn)解耦。將待研究的子系統(tǒng)定義為內(nèi)網(wǎng)，外部系統(tǒng)定義為外網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)之間通過邊界節(jié)點相連。I、B和E分別代表內(nèi)網(wǎng)、邊界節(jié)點和外網(wǎng)，它們組成的電力網(wǎng)絡(luò)用導(dǎo)納陣描述的網(wǎng)絡(luò)方程如式（1）所示：

　　電力系統(tǒng)動態(tài)特性可以用式(2)的微分代數(shù)方程組來描述：

　　式（2）中，x={x1，x2，…，xM}為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，y={y1，y2，…，yN}為系統(tǒng)的代數(shù)變量，f和g分別包含M個和N個方程。

　　分塊解耦動態(tài)仿真的實質(zhì)是減少式（2）中需要求解的微分代數(shù)方程的個數(shù)。如果系統(tǒng)實際運行中，邊界母線代數(shù)變量的值能被PMU測得，則解耦后不再需要求解外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程（式（2）中的代數(shù)方程），外部系統(tǒng)中動態(tài)元件的差分方程（式（2）中的微分方程）也不需要求解。此時，內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程可用式（3）表示：

　　實測數(shù)據(jù)直接注入的方法，每一仿真步長內(nèi)式(3)中邊界節(jié)點的B都已知，將內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程與動態(tài)元件的方程聯(lián)立就可以進行動態(tài)仿真計算，邊界母線處實測數(shù)據(jù)代替外部仿真模型與要研究的電池集中充電站仿真模型進行交替仿真，不需要將外部系統(tǒng)等值成新的元件。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)分塊算法

　　合理的網(wǎng)絡(luò)分塊算法應(yīng)該通過設(shè)置盡量少的邊界母線將大規(guī)模系統(tǒng)解耦成盡量多的子系統(tǒng)，而讓每一個子系統(tǒng)包含盡量少的動態(tài)元件，從而以最小的代價提高動態(tài)仿真精度。

　　節(jié)點和支路是描述網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的重要元素，分塊解耦動態(tài)仿真中，研究系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間通過節(jié)點相連接。支路是仿真耦合的橋梁，而網(wǎng)絡(luò)分塊算法通過減少支路將網(wǎng)絡(luò)解耦，所以應(yīng)該優(yōu)先選出節(jié)點支路密度大的節(jié)點。這里的支路密度指連接到同一節(jié)點的支路的數(shù)量。如式（4）所示，當網(wǎng)絡(luò)中有n個節(jié)點時，可形成如下的n×(n+1)維的矩陣。

　　上式矩陣中每行的最后一列為與某一個節(jié)點直接相連的支路的數(shù)量，即這個節(jié)點的支路密度。網(wǎng)絡(luò)分塊算法的流程如圖3所示。

　　上述網(wǎng)絡(luò)分塊過程中，由于節(jié)點N已配置了PMU，節(jié)點電壓、相連的支路的功率、電流均可以量測得到，在下次尋找最優(yōu)先配置PMU節(jié)點時不需要加入支路密度的計算，因此將節(jié)點N相連的支路去掉。另外每次去掉與節(jié)點N相連的支路后，需去掉只包含一個動態(tài)元件的子系統(tǒng)。

4 算例

　　當電力系統(tǒng)中配置了電動汽車電池集中充電站時，由其仿真模型構(gòu)成的子系統(tǒng)可以等同于其他電力系統(tǒng)元件進行分塊解耦，通過將PMU數(shù)據(jù)注入可以得到更精確的電池集中充電站仿真模型及參數(shù)，使電力系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)果更加可靠。另外，在得到了電池集中充電站仿真模型及參數(shù)后可以進行先驗仿真，先驗仿真的結(jié)果可以評估電動汽車電池集中充電站在不同地點安裝時對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，起到有效的指導(dǎo)作用。

　　本節(jié)以圖4所示新英格蘭10機39節(jié)點系統(tǒng)為例，介紹考慮節(jié)點支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法。

　　考慮節(jié)點支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法進行PMU的最優(yōu)配置，從節(jié)點1開始，對各個節(jié)點的支路密度進行計算，結(jié)果如表1所示。

　　根據(jù)表1，在表中列出的7個節(jié)點上設(shè)置PMU，進行網(wǎng)絡(luò)分塊得到圖5所示的結(jié)果。

　　算例系統(tǒng)設(shè)置了7個PMU后被分為了16個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)內(nèi)最多存在4個動態(tài)元件。分塊解耦后大大減小了系統(tǒng)的耦合程度，使得進行動態(tài)仿真驗證的難度大大降低。

　　對于已經(jīng)配置了PMU的實際系統(tǒng)來說，也可以通過考慮節(jié)點支路密度的網(wǎng)絡(luò)分塊算法在已經(jīng)安裝了PMU的母線中選出邊界母線，進行分塊解耦動態(tài)仿真。

5 結(jié)語

　　隨著電動汽車的逐漸普及，電動汽車所帶來的充電負荷會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響也會逐漸增大，因此有必要再考慮大規(guī)模電動汽車接入的情況下對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行研究，本文提出的分塊解耦動態(tài)仿真方法可以得到可靠的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析結(jié)果，并得出電池集中充電站最優(yōu)接入方案，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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