电动汽车充电对电网的影响及对策

1、专业硕士学位论文电动汽车充电对电网的影响及对策Research on the Influence of Electric Vehicle Charging on Power Grid and its Strategy2016年 10月国内图书分类号： 学校代码：国际图书分类号： 密级：公开 专业硕士学位论文电动汽车充电对电网的影响及对策硕士研究生 ：xx导 师：xx 企业导师 ：xx申请学位：工程硕士专业领域：电气工程培养方式：在职所 在 学 院：电气与电子工程学院答 辩 日 期：2017年 3月授予学位单位：华北电力大学Classified Index: U.D.C: Thesis for

2、the Master DegreeResearch on the Influence of Electric Vehicle Charging on Power Grid and its Strategy Candidate：xxxSupervisor：Prof. Academic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality field：Electrical engineeringSchool:School of Electrical and Electronic EngineeringDate of Defence：March,201

3、7Degree-Conferring-Institution：North China Electric Power University华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电动汽车充电对电网的影响及对策，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 日期： 2016 年 10月 31日华北电力大学硕士学位论文使用授权书电动汽车充电对电网的影响及对

4、策系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“”）：保密，在 年解密后适用本授权书不保密作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要电动汽车以其特有的

5、特性，渐渐得到人们的日益关注，电动汽车不仅能够提高能源的利用率还可以降低对环境造成的污染。世界各国纷纷制定相应鼓励措施来利于电动汽车行业的发展。不过由于电动汽车充电可看做一种负荷，其充电行为具有随机性。如果对电动汽车进行无序充电可能对电网产生一定的不利影响，因此需要对其进行控制降低对电网所造成的不利影响。随着V2G技术地发展，电动汽车接入电网不仅可作为负荷也可作为电源，用电高峰期向电网传送电能，用电低谷期从电网吸收电能，可以有效的降低电网的峰谷差。所以对电动汽车的充放电特性进行研究，选取恰当的充放电控制策略对电动汽车充放电进行控制，对提升电网的安全可靠性具有非常深远的意义。本文首先在分析电动汽

6、车负荷影响因素的基础上对电动汽车充电模型进行建立，依照美国私家车行驶调查结果来对电动汽车的行驶特性进行分析，得出了电动汽车车主进行充电时间、充电时长、日行驶里程等参数.按照假定的充电方式、电池的特性等参数，基于蒙特卡洛法对单辆以及多辆电动汽车的充电功率需求进行仿真，通过充电负荷模型可以反映出电动汽车车主在不同时段充电需求。然后在介绍谐波概念的基础上，对充电机工作原理进行分析，并对三相桥式整流充电机的谐波特性进行分析。从电动汽车充电机的开始工作时刻、开始充电状态等方面对多台充电机的谐波特性进行分析。介绍了几种谐波抑制措施，并对某充电站的谐波治理进行计算。最后提出了电动汽车有序充放电调度策略，实现

7、减少电动汽车无序充放电对电网产生的不良影响目的。经过对电动汽车用户充放电需求分析基础上，建立了以电网损耗最低、用户充电成本最低、电网负荷波动最小为目标函数的模型，基于电池的充放电特性、电池可用容量等约束条件，通过遗传优化算法来对模型进行求解。通过对无序充电、延时充放电、有序充放电调度方式的对比，可以看出有序充放电调度策略能够有效的降低峰谷差，降低电动汽车充放电对电网产生的不良影响。关键词：电动汽车，V2G，有序充放电，蒙特卡洛，充电负荷建模AbstractBecause of its unique characteristics, electric vehicles are getting m

8、ore and more attention,，Electric vehicles can not only improve the utilization of energy but also reduce the pollution to the environment，so,countries around the world have developed appropriate incentives to benefit the development of the electric vehicle industry.However, because of the electric v

9、ehicle as a load, the charging behavior is random。If the charging of the electric vehicle is disordered, it may have some adverse effects on the power grid, so it is necessary to control the impact to the grid.With the development of V2G technology, the electric vehicle access to the power grid can

10、be used not only as a load but also as a power supply,electric vehicle transmit power to the power grid at the peak of power consumption, and The power absorbed in the grid during the trough of power consumption, it can effectively reduce the peak valley difference。So the charge and discharge charac

11、teristics of electric vehicles are studied, selecting appropriate control strategy to control the charging and discharging of electric vehicles,it is very important to improve the security and reliability of power system.In this paper, the electric vehicle charging model is established based on the

12、analysis of the factors affecting the load,According to the results of the investigation of the United States private car driving, the driving characteristics of the electric vehicle are analyzed,obtained the electric vehicle owners to charge time, charging time, mileage and other parameters.Accordi

13、ng to the assumed charging method, the characteristics of the battery and other parameters,based on Monte Carlo simulation of single and multiple electric vehicle charging power demand simulation,Through the charging load model can reflect the electric vehicle owners in different periods of charging

14、 demandThen, on the basis of introducing the concept of harmonic,Analysis of the working principle of charger,and the harmonic characteristics of the three-phase bridge rectifier charger is analyzed。From the electric vehicle chargers work time, start charging state etc.analyzing the harmonic charact

15、eristics of chargers。The harmonic suppression measures are introduced, and the harmonic control of a charging station is calculatedAt last, the scheduling strategy of electric vehicle charging and discharging is proposed, which can reduce the adverse effect of the electric vehicle charging and disch

16、arging。Based on the analysis of charging and discharging needs of electric vehicle users,The model is established by taking the minimum power loss, the lowest charging cost and the minimum load fluctuation, based on constraint condition of the charging and discharging characteristics of the battery,

17、 the available capacity of the battery,Genetic algorithm can be used to solve the model.Through the comparison of the charging and discharging, the charging and discharging scheduling,the scheduling strategy can effectively reduce the peak valley difference,and reduce the impact of electric vehicle

18、charging and discharging on the grid.Key words: electric vehicle, V2G, sequential charge discharge, Monte Carlo, charging load modeling.目 录摘要VAbstractVI目 录VIII第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2电动汽车行业现状21.3 电动汽车充电对电网的影响31.4本文主要工作4第2章 电动汽车充电负荷模型建立52.1影响电力汽车负荷因素52.1.1电动汽车类型52.1.2能量供给模式62.1.3电动汽车保有量72.1.4电动汽车充电模式72.

19、1.5电动汽车充电时间82.1.6电池特性82.2 基于蒙特卡洛法的充电负荷汁算92.2.1基本假设条件92.2.2电动汽车用户行驶特性92.2.3电动汽车电池充电特性102.2.4蒙特卡洛法112.2.5单辆电动汽车充电功率需求分布112.2.6多辆电动汽车充电功率需求分布132.3本章小结14第三章 电动汽车充电系统的谐波分析研究153.1谐波的基本概念153.2单台充电机运行谐波分析163.2.1充电机的工作原理163.3.2三相桥式整流充电机谐波分析173.3多台充电机运行谐波分析183.3.1电动汽车充电机的聚集特性193.3.2谐波电流概率分布213.4谐波电流抑制措施233.4.

20、1谐波抑制措施253.4.2电动汽车充电站谐波治理计算263.5本章小结28第4章 电动汽车有序充放电调度策略294.1 V2G概念294.2电动汽车有序充放电调度模型304.2.1目标函数304.2.2约束条件314.3遗传优化算法324.3.1 遗传优化算法基本原理334.3.2遗传优化算法基本操作334.3.3电动汽车有序充放电调度策略的遗传算法实现344.4算例分析354.4.1数据参数354.4.2优化结果分析374.5本章小结42第5章 总结与展望43参考文献45第1章 绪论1.1研究背景及意义目前普遍使用的传统汽车通常采用石油作为其动力的主要来源，随着石油储量的不断减少，石油缺乏

21、渐渐成为全球共同面临的一个问题。另外，传统汽车产生很多的温室气体，这是引发全球温室效应的重要因素之一。近十年来，世界CO2的排放量增加了14%，其中来自汽车的CO2排放量增长达24%，估计至21世纪60年代，世界汽车CO2排放量较之前增长至30%50%。若不对汽车CO2的排量进行控制，这将对环境产生很大的危害。对于当前全球存在的能源以及环境方面的问题，交通工具采用的能源必须进行转型，降低对环境的污染。所以，当前电动汽车已经成为世界各国政府以及汽车行业非常关注热点。电动汽车指的是以车载电源为动力，通过电机来驱动的电动车辆，可以分为纯电动汽车、燃料电池汽车以及混合动力汽车等。中国政府同样把发展电动

22、汽车行业作为一项非常重要产业来扶持。自2000年以来，中国创立了重大项目研究电动汽车，经过十几年的不断前进，中国电动汽车行业技术不断的发展，同时创立了完整的电动汽车行业，至2010年底，中国已有25个城市加入了新能源汽车示范项目，电动汽车的数量已达1万辆，行驶里程数高达2亿公里，现在电动汽车技术已达国际先进水平。大量的电动汽车接入电网将对电力系统的经济可靠运行迎来了新的挑战。随着大量电气汽车接入电网进行充电，会增加电力负荷，如果原来的用电负荷的高峰期和电动汽车充电的电力负荷的高峰期相互叠加，这必将导致用电短缺，可能导致电网用电负荷的峰谷差增加。电动汽车用户使用的行为毫无规律，车主的行为难以进行

23、预测，所以需要增加对电网的管理控制能力，这将对整个电网系统安全可靠性产生影响，此外电动汽车进行充电可能降低电网的电能质量。电动汽车进行充电时可能会将一些谐波引入电网，使得电网的电压降低，对电网中的电缆与继电保护设备的正常运行产生一定的影响。对于电网的经济运行方面，重点对电动汽车进行充电对于电网的损耗以及电网的基础设备寿命的影响。所以，对于大规模的电动汽车接入电网对电网的不利影响的研究很有必要，还需要选取合适的措施对电动汽车的充电进行有序的控制，来适应以后大规模电动汽车的不断发展。1.2电动汽车行业现状电动汽车的动力源一般是电池，通过电机来驱动汽车。根据动力源进行分类，将电动汽车分成纯电动汽车、

24、燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车。纯电动汽车指的是动力源全部来自于车用电池，其特点能够使得用户侧实现污染气体的零排放，本文中对电动汽车的研究指的是并入电网进行充电的的纯电动汽车。燃料电池电动汽车的动力源为燃料电池，燃料电池为在催化剂的作用下将氢气与氧气进行化学反应来提供电能的装置。氢气和氧气的电化学反应产物为水，随意汽车排放的尾气不会对环境造成污染。不过当前，燃料电池还处在研发阶段，很多关键性技术还需要进行研究。混合电动汽车的动力源由电动机与内燃机组成。混合电动汽车可作为传统汽车过渡到电动汽车的一类过渡性汽车，混合电动汽车不仅考虑了对环境的保护而且考虑到了当前电动汽车的很多性能不如传统汽车的

25、问题。最近几年来，全球各国政府不断制定相应的政策对电动汽车行业进行扶持。2011年，德国总理默克尔预计至2020年电动汽车的保有量有望超过一百万辆，这将大大改善德国的城市空气质量，降低德国对于石油的依懒性。默克尔期望德国发展成为全球电动汽车的主要生产国，预计2030年德国电动汽车的保有量将超过600万辆。日本最近发表关于环保汽车以及环保燃料推广的报告，日本政府以及学者进行合作推动电动汽车技术的不断发展，争取至2030年使电动汽车得到普遍应用。日本政府要实现至2030年，日本电动汽车的价格由当前的1000万日元/辆降到300万日元/辆，电动汽车每次充电能够行驶的路程由当前的100公里增至500公

26、里的目标，使电动汽车得到普遍的应用。1960年左右中国的电动汽车产业还处在探索的初期，从“九五” 时期，中国才真正的对电动汽车进行系统的开发，相比其他的国家至少落后20年。尽管中国对于电动汽车开发的起步较晚，不过随着国家对于对电动汽车的相关研究政策的大力扶持下，中国的电动汽车行业得到了迅速的发展，不断的克服技术困难，当前中国已能自主研发整个电动汽车还能实现小量的生产同时推入市场，在某些方面可能已经超过了美国等发达国家电动汽车的发展。中国已经颁布一些扶持电动汽车规模化以及产业化发展的扶持性政策，包含电动汽车行业的相关标准、机动车辆排放的标准、新能源汽车产品的准入标准以及电动汽车工程建设以及相应补

27、贴等政策。在“十二五”期间，中国将多电动汽车行业的发展提高到了一个新的高度，同时制定了相应的规范以及扶持及鼓励消费的政策，为实现电动汽车的推广提供了一个优良的环境，我国电动汽车的保有量在逐年的增长。中国政府以及相应扶持政策的大力支持下，中国的电动汽车行业的发展将取得突飞猛进进步。1.3 电动汽车充电对电网的影响对电力负荷的影响，大规模的对电动汽车进行充电将使得电力负荷迅速增加，如果大规模电动汽车在用电高峰期进行充电，会使电网负荷的峰谷差更大，增加电网的负担。估计至2030年，中国电动汽车保有量增至六千万辆。假设一辆电动汽车的充电功率是五千瓦，那么在最坏的状况下，这些电动汽车一起进充电则功率可达

28、三亿千瓦。大量的电动汽车无序入网充电时，可能会导致电网的负荷“峰上加峰”，使得电网调峰的难度更大，常规机组投资成本加大，加重了输配电网的压力，大大降低了电网的安全性以及可靠性。随着电动汽车数量不断增加，电动汽车充电对电网的不良影响更为严重，对电动汽车充电进行合理控制与协调利于提升电网运行效益，增加电网的安全可靠性。对电能质量的影响。大量的电动汽车接入电网中，将产生谐波污染、电压偏移、三相不平衡等电能质量问题。电动汽车充电可能导致电网电压偏移过大，电能质量下降，线路损耗升高，电网的变压器的寿命缩短，谐波含量增加等问题。对某城市的一个电动汽车充电站进行测试，对84辆电动汽车进行充电时，电压谐波分量

29、超过6%，电流谐波分量超过30%，无法满足国家制定的相关标准，投入有源滤波装置，便能够对谐波分量进行抑制，保证电能质量。对电网经济性的影响。电动汽车充电对电网经济性的影响表现为接入电网进行充电后线路的损耗发生改变、变压器的耗损改变，同时接入电网后可能导致“峰上加峰”的现象出现进而增加电网的运营成本。国外学者以2个城市电网系统作为算例，研究了电动汽车充电对15千伏安和25千伏安的电网变压器的影响，实验数据说明，大量的电动汽车接入电网进行充电将使得变压器加快老化程度，降低使用寿命。4）对电网负荷供给与平衡的影响。对于当前电动汽车接入电网充电所导致的负荷增加，当前的电网系统是否保证电力供应，国内外对

30、这方面做了大量的研究。研究表明进行无序充电会使得电网的负荷峰值增大，提升电网峰谷差，所以需在电力发电及输电能力上增加成本。选取传统的发电方式，即使在有序充电方式下进行充电，也会对电网产生不良的影响。若发电方式选用新能源发电方式，有序的充电方式便可以在一定程度上对新能源发电存在的间歇性进行补充，具有积极的意义。1.4本文主要工作本文基于大量电动汽车接入电网的研究，建立了电动汽车充电负荷模型，对充电系统谐波进行了分析研究，提出了一种有序充放电调度策略，采用遗传算法验证了该调度策略的可行性。本文的主要工作如下：1）在电动汽车大量接入电网的情况下，对电动汽车充电负荷进行建模，并对单辆及多辆电动汽车充电

31、负荷进行仿真。2）在分析谐波理论的基础上，对充电机的工作原理进行介绍，进而对单台充电机及多台充电机的谐波特性进行分析，并对几种常见的谐波抑制措施进行介绍，以某充电站为例对谐波抑制进行了计算。3）提出了电动汽车有序充放电调度策略，以电网损耗最低、用户成本最低、电网负荷波动最小为目标函数建立优化调度模型，通过遗传算法来得出模型的最优解。通过33节点配电网对优化模型进行了验证，可以有效改善电动汽车充放电对电网产生的影响。第2章 电动汽车充电负荷模型建立电动汽车具有节能环保的优点得到全球各国的关注，由于其充电负荷作为一种新型电力负荷，在充电时间与控制上式不确定的，所以大量的电动汽车无序的进行充电会影响

32、电网的安全可靠性。本文在对电动汽车用户充电行为以及行驶特性进行数据统计的基础上，在一定假定对条件下，根据蒙特卡洛法对电动汽车充电功率模型进行建立，并分析得出充电功率期望和方差。2.1影响电力汽车负荷因素对电动汽车负荷的影响因素主要包括：电动汽车种类、能量供给模式、汽车保有量、电动汽车充电模式、充电时间、电池特性等。2.1.1电动汽车种类按照电动汽车的的不同种类可把其分成电动出租车、电动私家车、电动公交车以及电动公务车这4种。由于电动汽车的种类的不同使得不同种类的电动汽车的行驶特性和电池的特性存在很多差异，这将导致对电动汽车充电负荷的需求方面存在差异。（1）电动公交车电动公交车每天行驶路线为固定

33、的，其行驶时间以及行驶的里程为相对固定的。当前电动公交车的每天行驶的里程通常为二百公里，由于受电池容量等问题的限制，每天需要多次对电池进行充电，一般至少要在白天客流量较小的时候对电池进行一次充电，晚上再到规定的充电站进行充电来保持第二天公交车的正常行驶。因为每天电动公交车的里程的确定性以及时间的可预测性，使得这种电动汽车的在试运行阶段起到了示范与推广的作用。（2）电动私家车电动私家车一般用于平常工作出行和休息日的日常娱乐出行上，通常在公司、居民小区或商场超市的停车场进行充电。因为电动私家车的出行以及行驶里程具有随或工作单位停车的时间较长，所以电动私家车通常选在上午到达工作单位或下午回到家中进行

34、冲动感。因为电动私家车在商场超市等停车地点的停车时间较短，所以这些地点的停车场仅适合作为临时充电补给站。（3）电动出租车电动出租车与电动私家车、电动公交车的运行特性差异比较大。由于一辆电动出租车一般由多名司机轮流的驾驶，所以通常在轮换休息的时间对电动出租车进行充电。按照电动出租车运行随机性使得其充电时间及充电地点具有随机性。（4）电动公务车电动公务车的充电时间通常选择在不执行公务的时间，电动公务车夜间通常停靠在固定的停车场，因此电动公务车的充电时间通常选在车辆停在停车场的时间。2.1.2能量供给模式当前，电动汽车包括三种能量供给模式，常规能量供给模式、快速供给模式和换电池模式。（1）常规能量供

35、给模式常规能量供给模式指的是电动汽车慢速充电模式以及常规的充电模式。通常常规能量供给主要充电设备为较小的交流充电桩，选用小电流恒压或恒流的充电方式充电，通常充电功率为410千瓦，充电时间为5至8小时。常规能量供给模式的优点：充电时间很长，充电电流及充电功率较低，不对电池寿命产生影响，对电网的影响小。同时也存在充电时间长，长期占用一个停车位来对汽车进行充电，若发生紧急情况使得充电功率无法满足要求。常规能量供给模式一般用于出行比较规律，或在停车场停车时间较长的电动汽车。由于电动商务车与电动私家车具有其特有的特性，所以通常采取常规能量供给模式进行充电。（2）快速供给模式快速供给模式称之为快速充电或者

36、应急充电，通常选用140-400A充电电流的直流充电机对电动汽车进行充电，一般需要20分钟至2小时便可充满电。快速供给模式可以在短时间内将电动汽车的电池充满电，满足用户的要求。快速充电优势可以快速的给电动汽车充满电，可以应付突发状况以及行驶的要求。同时也存在一定不足，因为充电电流比较大，该充电方式会减少电池使用寿命，因为流过电流比较大，因此会产生谐波对电网的电能质量造成一定的影响，这便对充电设备的技术以及安全性提出了更好的要求。快速供给模式通常应用于停靠时间很短以及应急出行的电动汽车。电动汽车能够在较短的时间内迅速充满电，满足用户要求。因为电动公交车以及出租车的特性，白天停靠的时间较短，所以白

37、天通常选用快速充电的方式。（3）更换电池模式更换电池模式，也就是在电动汽车的电池电量消耗完时，将电池换上满容量的电池，使得电动汽车能够继续的行驶。更换电池的时间通常为5至10分钟，可以在特定的地方进行更换，该模式可以节省大量的充电时间。更换电池模式优势：用户无需购买蓄电池，可以进行租用，使得购买电动汽车的成本降低。与常规充电机快速充电模式相比，这种模式电能补给较快，耗时较短，有效的解决了电动汽车充电时间长行驶距离短的问题。同时这种模式也存在一些不足，需对电池进行标准化，电池更换需要更加简单化、专业化，车辆设计需紧凑化运营模式、利益分配，将会产生运营成本较高的难题。更换电池的模式比较适用于公交车

38、及出租车等电动汽车。2.1.3电动汽车保有量电动汽车保有量为电动汽车充电负荷特性主要的影响因素之一，随着电动汽车数量的改变，充电负荷的大小将发生改变，对电网的影响也相应发生改变。一辆电动汽车对电网的影响很小，可以不考虑，不过当将大量的电动汽车接入电网中，其充电负荷便为一个必须要考虑的负荷，会对电网产生很大的影响。电动汽车技术发展为其保有量的一个重要影响因素，当前电动汽车技术不是很成熟，电动汽车保有量很低，但是随着电动汽车技术发展，电动汽车占汽车比重将会不断增加。此外，我国也颁布了很多对电动汽车行业的扶持政策，也对汽车保有量有一定的影响。当前，中国大力鼓励支持电动汽车行业的发展，未来我国电动汽车

39、的数量将不断增加，所以，电动汽车保有量为电动汽车负荷特性一个重要因素。2.1.4电动汽车充电模式电动汽车充电模式大体可分成四种，无序充电模式、单向有序充电模式、双向有序充电模式、时间控制充电模式。无序充电模式也就是即接入电网即充电的模式。电动汽车接入电网之后便进行充电，无需对其进行控制。单向有序充电模式，电动汽车进行充电仅受电网的控制，经过和电网之间的通讯，便可再电网允许的时间内对电动汽车进行充电，仅能从电网吸收电能，不能向电网输送电能。双向有序充电模式，通过与电网相互间的通讯，电动汽车和电网之间能够进行双向的能量互动，不仅能从电网吸收能量对电池进行充电，还可以将电能传送到电网，这种充电模式在

40、电网用电高峰期时可以将电能传送到电网，该模式下电动汽车可看成一种电源。时间控制充电模式，是按照电网以及用户指定的规划，电动汽车在规定的时间内进行充电。2.1.5电动汽车充电时间因为不同种类电动汽车每天行驶特性差别很大，所以不同类型的电动汽车的充电时间差别也很大。按照某城市的电动公交车运行调查，电动汽车的运行时间为上午6点至晚上10点，一天行驶的里程为200公里左右。由于受电池容量限制，所以仅充电一次无法满足一天行驶。电动公交车通常在白天避开高峰期对电池进行充电，以及晚上到特定的停车场进行充电。有些能够更换电池电动公交车，可采用更换电池的方式来补给电能，换下的电池可由充电站集中进行充电。电动私家

41、车一般使用的时间较短，通常用于用户上下班以及假期出行，电动私家车大部分时间都停靠自停车场。电动私家车的充电地点主要集中在工作单位或居住的小区的停车场，充电时间主要包括上午到达公司和下午回到家中进行充电，电动私家车一般选取常规充电模式进行充电。电动公务车可以在不执行公务的时间进行充电，由于执行公务的时间不长，所以电动公务车大部分时间都停靠在停车场，一般选用常规充电模式进行充电。电动出租车每天行驶的里程是400至500公里，一般由2位司机轮换驾驶。白天可在中午12点至2点对电池进行快速充电，而晚上2点至5点对其进行常规充电。2.1.6电池特性 电池特性为电动汽车充电负荷的一个重要影响因素，包含充电

42、与方面两个方面电池特性。电池放电特性决定了电动汽车行驶里程，电池的充电特性决定了电池充电时间长短。当前，电动汽车的电池基本可分成铅酸电池、锂电池这两种类型。（1）铅酸电池铅酸电池为把铅和其氧化物作为电极，而硫酸溶液作为电解液的一种蓄电池。铅酸蓄电池的技术相对比较成熟，能够进行大量生产。铅酸电池以其开路电压较高、价格较低、可靠性较高、良好的放电性能、原材料丰富和铅的回收率较高等优点在电动汽车上得到了普遍使用。（2）锂电池锂电池具有高循环寿命的优点，这是其它充电电池无法比拟的优点。锂电池还具有体积小、安全性能高、功率密度等特点，是未来电池发展的方向。2.2 基于蒙特卡洛法的充电负荷汁算2.2.1基

43、本假设条件 电动汽车充电功率的需求与电动汽车的种类、电动汽车每天的行驶里程、用户进行充电的时间等因素有关，本文针对当前电动汽车在使用现状以及相关学者研究，做出以下假设：1） 电动汽车的电池容量是24kW.h，2） 电动汽车每百公里的电耗为15kW.h，3） 电动汽车每次进行充电时都会把电池充满，4） 用户每天仅对电动汽车充电一次，5） 最后一次出行回来就给电动汽车进行充电，6） 电动汽车充电的开始时刻、充电效率、日行驶路程都具有随机性。2.2.2电动汽车用户行驶特性当前交通工具中电动汽车所占比重较低，电动汽车行驶方面的数据很少。按照美国交通部对美国家用车辆行驶的统计数据：每天车辆的使用量达85

44、%左右，每天行驶里程在33公里之内的达44%，行驶里程在95公里内的车辆打84%。对这些数据进行处理，通过极大似然估计算法可得电动汽车每天的行驶里程符合对数正态分布，最后一次出行回来的时刻符合正态分布。电动汽车每天的行驶里程符合正态分布，其拟合结果如下图所示，其概率密度函数如下： （2-1）其中，=3.2，=0.88。图2-1 电动汽车日行驶里程根据假设条件，用户在最后一次出行返回时马上给电动汽车进行充电，其概率密度函数为： （2-2）其中，=17.6，=3.4。2.2.3电动汽车电池充电特性电池作为电动汽车的重要构成部分，电池种类不同其对应充电曲线也不尽相同。但是随着近几年研究，不同类型电动

45、汽车的充电曲线基本一致，电池在充电过程中通常经过恒流充电与恒压恒压这两个充电阶段。进行恒流充电时，保持充电电流不变，其对应充电电压维持不变，充电功率也维持不变。进行恒压充电时，充电电压维持不变，其充电电流快速降低，充电功率快速降低。由于在对电池进行充电时，恒压充电及恒流充电这两个阶段的时间较短，可忽略，所以本文选用恒功率充电模式来对电池的充电特性进行描述。假定电动汽车使慢充充电模式，其充电电压是交流220伏，充电电流是1620安培，那么充电功率在3.54.5千瓦的范围内满足均匀分布，概率密度函数如下所示: （2-2）设电动汽车充电持续时间为，按照假设条件，可估计为 （2-3）其中为电动汽车日行

46、驶里程，为电动汽车车每百公里电耗。电动汽车每次充电持续时间概率密度函数如下： （2-4）2.2.4蒙特卡洛法蒙特卡洛法为模拟法中普遍使用的一种算法，其为基于概率统计理论的一种数值计算算法。该算法的理论依据为大数理论，通过对抽样进行模拟来反应出系统的行为，然后对系统的抽样样本的统计特征进行计算得到系统的参数。其一般的步骤为：（1） 基于需要分析的问题，建立一个恰当的概率模型，使得问题的解与概率模型中的随机特征变量相对应。概率模型的主要特性参数应和现实相符。 （2）根据概率模型通过计算机生成满足特征参数随机数组，模拟产生的随机数要尽量的多。（3）选取一种合适的抽样的方法，按照随机变量的分布规律来对

47、随机变量进行抽样操作。（4）不断的重复（1）-（3），进行不断的模拟，便可得到问题的随机解。通过多次仿真的结果的分析便能得出问题的概率解。2.2.5单辆电动汽车充电功率需求分布为更好的对电动汽车一天中在时刻的充电状态进行描述，引入随机变量，若1，说明电动汽车正在进行充电，若=0，说明电动汽车已经充电完成或还没开始进行充电。充电状态概率分布为： （2-5） （2-6）式中，是充电开始时间与充电持续时间联合概率分布函数，是充电持续时间概率分布函数，是充电时间概率分布函数。按照假定条件，、都是随机变量，这两个变量之间为相互对立的，所以可得。在时刻电动汽车的充电功率是，电动汽车充电概率分布如下式： （

48、2-7） （2-8）本文根据蒙特卡洛模拟法得出一辆电动汽车在1天24小时期间对充电功率的需求以及标准差，通过MATLAB软件得出的仿真图如图2-2所示。图2-2 1辆电动汽车充电功率期望与标准差从上图可看出，24小时内一辆电动汽车充电功率需求期望值最低点处于6点到8点期间，而最高点处于晚上7点到8点期间。2.2.6多辆电动汽车充电功率需求分布如果每个地区有N辆电动汽车要进行充电，那么在时刻电动汽车的充电功率总需求是这N辆电动汽车充电功率需求之和，可得下式： （2-9）上式中，是这N辆电动汽车充电功率需求，按照中心极限定理，这N台电动汽车的充电功率需求符合正态分布，其期望是，方差是，表示在时刻一

49、辆电动汽车充电功需求期望值，表示在时刻一辆电动汽车充电功率需求方差。通过MATLAB软件进行仿真，N取值1万辆，则仿真结果如下图所示。图2-3 1万辆电动汽车充电功率需求的期望和标准差通过图2-3可见，这1万辆电动汽车的充电功率需求的期望值的最低点位于早上6点至8点，而最高点位于晚上7点到8点。然而电网日常用电高峰期位于晚上6点至9点，由于大量的电动汽车进行充电，舍得电动汽车充电功率需求的峰值与电网的用电高峰期相重叠，增加电力负荷的负担，对电网的安全可靠性造成一定不良影响，负荷峰谷之间差距极大，增加了电网投资成本，因此就要采取一定措施来对电动汽车的无序充电进行一定的控制，来降低充电对电网的影响

50、。2.3本章小结本章对电动汽车充电负荷影响因素进行了介绍，如电动汽车种类、电动汽车保有量、电动汽车充电时间等。在假定条件下，通过蒙特罗洛法建立单辆和多辆电动汽车充电负荷需求分布模型，且在MATLAB平台上进行仿真。从仿真结果可看出，在一天中，电动汽车充电需求的最高点在晚上7点到八点之间，与电网用电高峰期相重叠。通过对充电负荷模型的建立为进行有序充电控制的研究打下了坚实的基础。第3章 电动汽车充电系统的谐波分析研究电动汽车通过充电机进行充电，充电机中包括很多电力电子元件，是非线性装置，通过充电机进行充电必定会对电网造成谐波影响。当前，随着电动汽车技术不断发展，电动汽车保有量不断增加，大量的充电机

51、进行充电时将对电网的电能质量、变压器等造成很大的影响。3.1谐波的基本概念供电系统中，交流电压波形可表示为： （3-1）其中，U是电压的有效值，是角频率， ，是频率，是周期，是初始相角。线性电路中，电路元件上的电压及电流波形的频率不改变，仍然为正弦波。然而非线性电路中，整流及逆变等非线性电路阻抗上电压波形是非正弦波，电流波形是非正弦波形。把周期是的非正弦电压进行傅里叶级数分解，可得 （3-2）其中： 其电流分量频率是f为基波，频率为f整数倍的电流分量是谐波，在电能质量公用电网谐波中说明了用谐波含有率和总谐波畸变率表示谐波含量用。N次谐波电流的含有率可表示为： （3-3）式中，表示基波电流的有效

52、值，表示第n次谐波电流有效值。总谐波电流含量可表示为： （3-4）谐波电流的总畸变率表示为： （3-5）在三相对称非线性电路中，电路谐波电流总畸变率和功率因数之间关系为： （3-6）由上式可看出，随着谐波电流的总谐波畸变率值的增大，其功率因数反而减少。3.2单台充电机运行谐波分析充电机作为充电系统的重要构成部分，其包括功率转换模块以及充电控制模块。当前伴随着高频电子技术的不断发展，不断出现了各类充电机，但是充电机中包含许多电力电子元件，为非线性装置，充电机大量使用将会对电网的谐波造成不良的影响。3.2.1充电机的工作原理充电机主要由整流模块、DC-DC变换模块、保护模块、显示模块组成。整流模块

53、通过不同的整流滤波方法，把交流转变成直流；DC-DC变换模块将上级传送的直流电压值转变成下级滤波环节所需的电压值；保护模块在充电机中起到保护充电机正常运行的作用，其包含过电压保护、过流保护、温度环境保护等保护电路；显示模块主要用于对各个模块的运行状态进行监测，其通过传输总线和监视器之间进行通讯，保证系统的正常运行，充电机结构图3-1所示。图3-1充电机结构图3.3.2三相桥式整流充电机谐波分析图3-2三相桥式整流充电机仿真模型假定变压器一次侧的电抗值是0，直流输出侧的电感，三相电源平衡，则得： （3-7）E是电网电压有效值，三相电流是相互之间差120的正弦波，电网侧电流有效值与直流侧电流有效值

54、关系如下： （3-8）对网侧电流进行傅里叶分解可得: （3-9）那么电网侧基波电流的有效值与直流侧电流有效值之间关系如下： （3-10）电网侧各次谐波有效值和直流侧电流有效值之间关系如下： （3-11）由上式可看出，三相桥式不可控整流电路，其电网侧谐波的特点：1）因为充电机的整流电路为半波对称电路，因此不出现偶次谐波，仅有奇次谐波，谐波次数为次。2）各次谐波电流有效值和谐波次数是反比例关系，随着谐波次数的增加，谐波幅值反而减少。3.3多台充电机运行谐波分析对于集中式选取常规充电方式进行充电的大型充电站由很多台充电机组成成，一般其组成结构图如图3-3所示。大型的电动汽车充电站通常采取10千伏电压供电等级，经过10KV/0.4KV变压器降压以后为充电机提供电源，采取Dynll接线方试的配电变压器。 当前，国内外学者对电动汽车充电对电网谐波污染的研究主要集中在单台充电机的建模以及谐波特性分析上。在对大量的电动汽车充电机谐波分析方面研究较少。图3-3多台充电机集中式充电结构构成电动汽车一般在一天出行结束时对其进行充电，这和用户开车习惯息息相关。因此N台充电机进行谐波分析时，不但需将很多个谐波源之间的耦合考虑在内，还需将N台充电机开始