插电式电动汽车对配电系统可靠性的影响

工程科学与技术，国际期刊21（2018）50完整文章插电式电动汽车和分布式发电对配电系统放大图片作者：Galiveeti HemakumarReddy，Arup Kumar Goswami，德夫·乔杜里国家技术学院Silchar，Silchar，Assam 788010，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年10月14日收到2017年12月3日修订2018年1月12日接受2018年2月3日在线发布关键词：配电系统可靠性太阳能光伏插电式电动汽车未充电的预期能量A B S T R A C T近年来，插电式电动汽车（PEV）的使用越来越多，因为它比传统汽车更环保。在未来几年，PEV的使用将显著增加。PEV与配电系统的连接将带来新的挑战。本文评估PEV连接对系统可靠性的影响。针对不同的PEV穿透水平进行研究，以分析影响。一些PEV在车辆到电网（V2G）模式下操作以支持系统峰值负载。分布式发电（DG）单元与充电站集成，以减少PEV充电对系统的影响。在本研究中，充电站与太阳能光伏单元相结合，放大了PEV使用的意图。在系统可靠性评估的同时，提出了用期望未充电能量（EENC）来衡量系统中PEV的可靠性还研究了PEV充电和DG的组合效应。对两个实际系统进行了影响评估。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，作为减少空气污染和全球变暖的解决方案，电动汽车（EV）的使用正在增加电动汽车有能力提高能源效率，减少道路运输对化石燃料的依赖[1]。不同类型的电动汽车（例如，混合动力电动车辆（HEV）和插电式混合动力电动车辆（PHEV））在市场上是可获得的，并且这些通常被除了PEV的环境友好性质之外，PEV的充电可能对配电系统可靠性产生相当大的影响由于PEVs充电而导致的系统负荷的增加降低了变电站备用容量和馈线负荷转移能力。负荷转移能力在使用备用馈线的系统恢复过程中也起着关键作用这对系统的可靠性有直接影响除此之外，如果PEV从常规电源充电然而，使用可再生能源为PEV充电增强了PEV的益处。最初，PEV仅出于电池充电的目的而连接到电网。然而，新的智能电网技术正在给*通讯作者：NIT Silchar- Silchar，Assam 788010，India电气工程部。电子邮件地址：ghkr220@gmail.com（H.R.Galiveeti）。由Karabuk大学负责进行同行审查能量释放到电网的灵活性，在技术上称为车辆到电网（V2G）模式。从这个意义上说，并网PEV实际上充当能量存储设备[2]。配电系统运营商（DSO）负责根据欧盟（EU）电力指令[3]提供连接消费者和DG的服务，同样，他们也负责为PEV充电站提供网络升级。DSO无法控制充电地点和时间。因此，由于PEV充电的不确定性，系统操作变得至关重要。最近，一些有价值的研究工作正在做的影响，PEV集成的发电系统[4，5]。参考文献[6]集中讨论了纯电动汽车充电对发电系统的影响和减少CO2排放。PEV对发电和运输部门排放的影响是以虚构的方式研究的[7]。考虑不同的PEV情景和充电管理方法，以分析PEV对配电系统的影响[8]。[9]中报告的工作描述了充电策略对负载分布的影响。在[10]中考虑了不同的PEV渗透水平，以估计PEV对系统功率损耗的影响。[11]中的作者评估了在屋顶太阳能光伏系统存在的情况下，PEV充电对配电Transformer老化的影响。在[12]中分析了充电对低压住宅配电系统的影响，并进行了2030年的案例研究。 参考[13]提到了不同的收费策略，并对其进行了分析。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.01.0052215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchH.R. Galiveeti等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）5051对日常峰值负荷的影响作者在[14]中计算了不同PEV渗透水平的增量投资以及能量损失。除了对电压和功率损耗的负面影响外，参考文献[15，16]还关注PEV对配电系统可靠性的影响令人惊讶的是，V2G操作模式不用于系统的可靠性评估。[17]中分析了电驱动车辆对电力系统可靠性的影响。一些研究人员关注PEV对配电系统的影响[18作者在[18]中提出了一种实时智能负载管理（RT-SLM）控制策略，用于减少功率损耗和改善电压分布。在充电站中应用无功功率补偿，以改善电压曲线[19]。DG的集成已经证明了其可靠性[21]和技术经济效益[22]。因此，DG集成被认为是减轻PEV充电影响的有价值的解决方案[20]。在不平衡配电系统中，使用PV装置补偿PEV的充电需求[23]。充电站和DG的同步规划是在考虑成本、可靠性、功率损耗和电压曲线的情况下完成的[24]。考虑到可靠性提高是目标之一，建议使用DG进行容量增强，以补偿不断增长的PEV渗透率[25]。在[26]中讨论了与风力发电和存储集成的充电站的设计。在参考文献[27]中，针对预先定义的PEV渗透水平，估计了DG的最佳渗透水平在文献中，大部分的研究集中在PEVs对电压分布和功率损耗的影响的研究，并没有集中在可靠性。PEV也是配电系统的负载类型之一，这些PEV负载的可靠性完全被忽略。在本研究中，三种不同的PEV渗透水平被用来评估PEV充电的影响。为了有效地比较PEV穿透水平对系统可靠性的影响，假设系统负载对于所有穿透水平都是恒定的。PEV的V2G模式以两种不同的方式使用，即预定和非预定V2G模式。调度V2G模式用于在正常操作条件期间支持系统峰值负载，并且非调度V2G模式与调度V2G模式一起用于在系统故障期间恢复系统中的健康部分。太阳能光伏发电机组用于减轻电动汽车充电的影响。PEVs和DG集成的综合影响是研究- ied两个实际系统。系统可靠性的影响评估是通过测量系统的基本可靠性指标来即系统平均中断频率指数（SAIFI）、系统平均中断持续时间指数（SAIDI）和期望不供电量（EENS）。提出并发展了一种新的评价纯电动汽车可靠性的指标--期望未充电能量（EENC）。最后，对本文的工作进行了总结：1. 分析了PEV渗透水平对系统可靠性的影响。2. 在放电时考虑预定和非预定V2G模式。3. 将太阳能光伏装置与充电站整合，以减轻电动汽车充电的影响。4. 从系统和PEVs的角度研究了对可靠性的影响。5. 确定了预定和非预定V2G模式的EENC，并评估了太阳能光伏集成对EENC的影响。2. 测试分配系统的描述为了研究所提出的评估方法，考虑了两个实际的分布式系统，即A区和B区。在下一节将介绍每个领域的主要特点，并将这些细节作为进一步分析的基本案例2.1. 区域AA区是一个占地15平方公里的城市住宅区.区域A的图示如图1（a）所示。该区域的负载由单个变电站提供服务，并且假设变电站容量具有足够的容量来为所有场景的负载提供服务。它是由11 kV架空线路组成的中压（MV）放射状配电系统，通过配电变压器将变电站与负荷点连接起来。消费者通过低压（LV）线路连接到该负载点。该系统服务于6440个低压用户，最大需求量为17.45 MW，5个中压用户，合同需求量为10 MW。该区域的车辆总数估计为3864辆，即，每个消费者有0.6辆车。2.2. 区域B这个地区由工业区和住宅区组成。该地区面积6962平方公里，包括8个镇和1356个农村村庄，为62，700多名消费者提供服务。居民负荷为低压负荷，主要在城镇和村庄内连接。另一方面，大多数工业负荷是中压和高压负荷。区域B的表示如图1（b）所示。该地区的负荷由高压输电变电站提供服务。该系统由132 kV、33 kV架空线路和11 kV架空配电系统组成。高压负荷直接连接到高压线路，中压负荷通过高压/中压变电站提供服务。低压负荷的总需求为150 MW，中压负荷为90 MW。估计该地区的车辆总数为31350辆。每个装载点的车辆少于区域A的车辆，因为该区域是通常车辆数量较少的农村。3. PEV连接的假设和考虑在以下部分中，将解释选择用于分析的不同类型的PEV。这些章节还提供了PEV充电和放电模式、PEV渗透水平和DG集成的详细信息。3.1. PEV渗透情景PEV的总数将取决于PEV渗透率的百分比。文献中使用了几种渗透水平，在本研究中，使用了三种不同的渗透水平（35%、51%和62%）进行分析[14]。情景1：假设总车辆的35%为PEV。本研究仅考虑PHEV模型。还考虑了慢（0.2C）和快（1C）充电（其中C表示充电）。情景2：假设51%的车辆为PEV。在这种情况下，PHEV和BEV都包括在内，充电是与场景1相同。情景3：假设62%的车辆为PEV。本研究中也包括BEV。这种情况下也使用2C的快速充电。除上述细节外，还考虑了所有情景的一些共同假设。假设车辆总数是恒定的。除了电动汽车充电外，在高峰时段，最多10%的已连接电动汽车以V2G模式运行。只有快速充电站才具有V2G运营能力。为了分析增加PEV穿透的效果，假设系统载荷恒定。52H.R. Galiveeti等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）50Fig. 1.测试配电系统（a）A区（b）B区。3.2. 电动汽车和充电站的类型PEV的类型是根据其电池存储容量和行驶里程来定义的。表1给出了不同类型的PEV详细信息，其中包括MIT[28]、USABC和EPRI[29]定义的三种PHEV和一种BEV模型。在PHEV车型中，该数字表示PEV在电池存储下的行驶里程（例如，在PHEV 30中，数字30表示PHEV在电池存储下的最大行驶里程）。从表1可以看出，所需的能量存储容量随着驾驶能力的提高而提高。表1还给出了以不同充电速率充电所需的功率的细节，即0.2C、1C和2C（这里，C表示充电）。0.2C表示充电速度慢，如果电池在初始阶段为空，则需要五个小时才能充满。 快速充电以1C和2C为代表。这将分别需要一个小时和半个小时充满电。配电系统需要专门设计的充电端口来连接PEV。网络基础设施和收费要求被认为是决定的位置和类型，表1PHEV和BEV电池的类型。PHEV 30（MIT）PHEV 40（USABC）PHEV 60（EPRI）BEV 200（MIT）最大功率（kW）44 46 99 80发电量（kWh）8 17 18 480.2C时的充电功率（kW）1.6 3.4 3.6 9.6充电功率（kW）8 17 18 48充电功率（kW）16 34 36 96H.R. Galiveeti等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）5053ð Þc¼C.Σð Þð ÞV out输出电压V o1 -ESoP输出电压最大值1 -eSoGrDT联系我们充电站在这项研究中，两种不同类型的充电站是精心挑选的。3.2.1. 慢速充电端口考虑到慢充电（低功率）的功率要求，这种类型的充电口一般用于住宅楼和停车场。它们直接连接到低压线路。3.2.2. 快充站这些充电站与目前的加油站相同。由于高功率要求，这些电站与中压线路连接。如果快速充电站与停车场相关联，则快速充电站也具有慢速充电端口。V2G技术也在这个阶段被考虑和使用。选择。V2G模式在高峰时段有效。合理的价格-4. PEV系统建模4.1. 电池充电器建模等效电池充电器电路如图3所示。这里，电池被表示为电容器C。电阻器R代表充电器电路中的损耗。Vo是充电器的稳态输出，由直流电压源表示。在t处，开关闭合以对电池充电，并且电路遵循基尔霍夫Vo¼V R tVout t¼i ðt ÞRþgrVcð1Þ其中，gr 是充电器效率。V1Ztisds20在V2G模式下连接了100个PEV，并且如果激活V2G模式，则该PEV将注入能量。从Eqs。（1）和（2），V V t grZTISDS33.3. PEV充放电及行驶模式PEV连接到系统用于充电和放电目的。PEV充电所需的功率是不确定的，并且随时间而变化。在本研究中，假设每小时充电和放电的PEV数量，一天，通过考虑车辆行驶模式[10]。在高峰需求期间（通常是白天），一些连接的PEV以V2G模式运行。充电模式、V2G模式和驾驶模式下的PEV百分比见图。A区2个。假设PEV被认为是供个人使用的，并且大多数车辆在夜间留在家中，并且它们将进行缓慢充电。白天行驶的车辆数量较多。如果需要在白天充电，车主会更喜欢快速充电。预定的充电和放电模式被使用，o¼RC0ð Þð Þ在Eq上应用导数。（3）并乘以C=gr将给出一阶微分方程。0 ¼RCdi100mm随时间变化的电流分布曲线由下式给出：itVoe-grt5在这里，SO 是时间常数，so¼RC在等式中代入i=1的值。（1）考虑到初始电压（V），现在的初始电压如下.-grt正常操作条件。两种策略被认为是在系统故障期间，在V2G模式下对PEV进行充电和放电。策略1：在此策略中，如果充电站处于停机状态-然后停止对PEV充电，并提供这里，V是充电前的初始电压。的EQ。将等式（6）乘以t给出瞬时电池功率状态等式：.-grt从V2G模式恢复系统负载点。策略2：在此策略中，PEV停止充电其中，Pout=Pmax，Pint 是瞬时的，最大的，在检测到故障之后。如果来自V2 G模式（预定放电/V2 G）的可用功率足以恢复所有负载点，则非V2 G模式PEV从系统断开。如果V2 G模式电力不足，则非V2 G模式车辆转为V2 G模式（不定期放电/V2 G），以填补下游负载点恢复的需求和供应缺口电池的初始功率分别。t在0到t请求之间变化。t_req是完全充电所需的时间，并在后面的部分中确定。4.2. PEV需求模式在这种模式下，PEV电池正在充电。任何时刻t的电池功率状态被建模为[30]。PPEV≤PPEV;max1-e-Δa：t=tmaxPEV;int;108这里，t2½0;treq]a=电池充电常数图二.充电、放电和驱动模式下的PEV。图三.电池充电器的等效电路[30]。VPint54H.R. Galiveeti等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）50.Σ.Σtmax><.Σð--一种Þ21-B-tatXPMaxRC;（二）0Rt4-t 3P;tmaxMax临界值：-alnPPEV;maxt ava ¼ - blnP1 -e-α：αt2 -t4α =tmaxα-t4t<请求最大PEVmax;如果t;t要求<ð-t4Pt：0;Iftc;iPtiP=P：e-b-P;t 2½0;t]19mm：t3t1=tmaxPt max=从零功率状态到完全充电所需的最大时间，t max为1/4（R C为充电速率）。需要PPEV;最大-PPEV;t3;如果t4Pt2PPEV max-PPEV t ;如果t4t2<ð17Þt2<$0;treq]和treq=达到PEV完全充电所需的时间。PPEVt=瞬时PEV电池电量状态。P= PEV电池的最大容量。最大PEVPEV未充电的能量由下式确定：（Rt2-t3PPEV要求dt;t4Pt2PEV;要求dt;t<不PPEV;int =初始PEV电池状态。0PEV;要求4和2t_req的值随如下的电池初始条件而变化：1. 如果PPEV;int<$0，则treq <$tmax2. 如果PPEV;int<$PPEV;max，则treq <$03. 如 果 0PPEV;intPPEV;max ， 则 treq 的 计 算 如 下 ： 在 t/4treq;PPEVt 变 为PPEV;max，现在将t和PPEVt值代入等式2。<<（八）、PPEV;最大¼PPEV;最大1-e-Δ：treq=tmaxΔ PPEV; intPPE9当量简化等式（9）得到t_req，其值如下：4.3. V2G模式在这种模式下，PEV将电力注入电网。PEV在时间t放电期间的功率状态由下式给出：不PEV;dis PEV;inttmaxPEV;crit ava这里，b=电池放电常数。PPEV;crit=临界功率状态，即允许放电至该水平。t ava = PEV可供放电的持续时间。不要求 的lnPPEV;intPPEV;maxð10Þtava的值取决于电池的初始电量状态和临界电量水平。如果t达到tava，则PPEV;dis变为零。现在，将这些值代入Eq。（十九）t_req计算的总和如下所-btava80¼PPEV;int：etmax -PPEV;临界值≤ 20mmHgtmax;ifPPEV;int¼0t<$0;ifPPEV;int<$PPEV;maxð11Þ将上述方程简化，得到tava具体如下请求>.PPEV;intt.PPPEV;int现在，PEV电池电量状态取决于treq，并由Pt（PPEV;max. 1-e-PEVa：t=tmaxPEVPPEV;int;如果t ，Sep 2009.[3] 关于电力内部市场共同规则的指令2009/72/EC和废除指令2003/54/EC。可查阅：www.electrificationcoalition.org/>，2009年11月。[4] W. Kempton，J. Tomi，Vehicle-to-grid power implementation：from stabilizing thegrid to supporting large-scale renewable energy，J. Power Sour. 144（1）（2005）280https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.12.022[5] P. Denholm，W. Short，《优化调度插电式混合动力电动汽车的公用事业系统影响和效益评估》，NREL国家可再生能源实验室（2006年）。[6] 插电式混合动力汽车的环境评估，全国范围内的温室气体排放，技术。代表：1015325，EPRI和NRDC，2007年。[7] G. Razeghi，S. 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