1、电动汽车充电站电能质量监测及有序充电分析研究 科技项目申请书及可行性研究报告公司科技项目申请书及可行性研究报告填 写 说 明一、请严格按照要求填写各项。二、专业类别根据项目所属专业种类中选择。三、项目摘要应简要说明项目研究内容和预期成果，字数要求500字以内。四、项目申请单位指提出项目建议与申请的单位或部门，如总部各部门、直属机构、各分子公司及其所属基层单位等。五、项目分工应主要描述项目申请单位与协作单位的任务划分，项目计划进度安排应按时间段列出研究推进计划，并明确各阶段交付物及标志性里程。六、科技经费预算支出科目具体解释见附件2。七、科技成果的成熟度水平评判标准见附件3。项 目 简 表项目名
2、称电动汽车充电站电能质量监测及有序充电分析研究项 目负责人姓名工作单位广西电网有限责任公司柳州供电局性别年龄职称工程师项目分类 基础性研究 前瞻性研究应用性研究 发电技术 输电技术 变电技术配电技术 用电技术 电网运行技术 信息技术 通信技术 物资管理技术 电网建设 继保自动化 其它项目起止时间2017年01月2018年12月申请经费总额130 万元是否重点项目否项目摘要(500字以内)：一、该研究领域的现状和存在问题 近年来环境问题日益突出的情况下，电动汽车和配套的充电站得到了广泛推广。然而电动汽车蓄电池充电对于电网来说属于非线性负载，会向电网注入大量的谐波，会极大的危害电力系统的安全稳定。
3、因此，电动汽车充电站电能质量的检测与治理是发展电动汽车进程中必须解决的问题。二、研究的必要性 电动汽车规模化应用及无序充电对电网规划运行带来一系列负面影响，包括配电网电能质量、经济性和安全稳定运行等。为了提高电网对大规模充电负荷的容纳能力，同时减小无序充电带来的影响，需采取措施对随机充电行为加以调控、引导。三、主要内容、技术路线和研究方式主要研究内容：（1）电动汽车充电负荷的建模与仿真分析研究（2）电动汽车接入对配电网的影响分析研究（3）电动汽车有序充电优化控制策略研究（4）电动汽车充电站电能质量监测系统构架、平台设计及仿真验证方法研究技术路线：（1）建立电动汽车充电负荷模型。（2）研究电动汽
4、车接入对配电网的作用及影响。（3）提出电动汽车智能有序充电控制方法。（4）搭建电动汽车有序充电控制方法仿真及功能验证平台。（5）建立分层构架的电动汽车充电站电能质量监测系统，设计功能检测标准及验证平台。四、创新点、预期成果创新点：优化多场景、多模式下电动汽车充电负荷建模与仿真技术；研究完善的电动汽车综合有序控制策略；研发一套完备的电能质量监测系统；提出、制定相应检测标准。预期成果：（1）电动汽车充电站电能质量监测装置1套；（2）Matlab/Simulink仿真模型1套；（3）申请发明专利1项；（4）录用论文3篇；（5）规模化电动汽车接入引起的电能质量污染评估研究报告1份。预期成果成熟度水平6
5、 级（1-9级）项目负责人意见：目前，电动汽车以其噪音小，成本低，环保等优势成为了近年来汽车研发领域的研究热点。电动汽车产业及其配套设施由于国家政策的大力支持，在短时间内迅速推广开来，2016年，柳州供电局在全市范围内将建设58个充电站，共计403个充电桩。但电动汽车蓄电池充电对于电网来说属于非线性负载，会向电网注入大量的谐波，不仅造成线路或者变压器的损耗加剧，甚至会导致电网中的电感与电容发生谐振，危害电力系统的安全稳定。在此情况下，面对电动汽车的广泛应用前景，电动汽车充电站电能质量检测与治理的相关技术越来越具有现实意义。（签字） 年 月 日申请单位意见：（公章） 年 月 日总部部门、直属机构
6、、分子公司意见： （公章） 年 月 日项目分工与计划进度安排1、项目相关单位及具体分工单 位具 体 分 工项目申请单位 广西电网有限责任公司柳州供电局：负责提出项目要实现的功能及目标，负责项目过程管理工作，制定技术应用原则，参与技术研发，组织进行现场测试，验证成果运行功效；负责制定技术经济比较方案，负责论文的编写及投稿工作，组织协调各单位工作，负责项目后评价，完成专利申请。协作单位1负责仿真模型及系统构架搭建，数据采集、录入与分析；负责制作 “充电站电能监测设备”样机1台，并配合项目单位进行现场测试，验证其运行功能；负责论文材料的准备和整理工作，并配合项目后评价工作。2、 计划进度安排任务名称
7、开始时间完成时间主要内容及交付项整体方案和工作计划制订2017.012017.03内容：（1）项目的整体方案制订；（2）调研收资，合作方确定；交付项：开题报告。电动汽车充电负荷建模2017.042017.06主要内容：建立完整的电动汽车充电负荷模型及多种场景下的通用仿真系统。交付项：研究报告，仿真平台。电动汽车接入对配电网的影响分析2017.072017.11主要内容：电动汽车接入对配电网的影响包含了配电网电能质量、可靠性、经济运行等方面。（1）电压下降、谐波污染和三相不平衡等问题。（2）用电负荷的快速增长导致的配电网运行优化控制难度增加方面。（3）电网供电紧缺、电网电压降低、配电网的线路损耗
8、和变压器损耗增加、变压器寿命减损等方面。交付项：研究报告。电动汽车有序充电优化控制策略研究2017.092018.01主要内容：研究多种电动汽车负荷充电模型以及不同用户需求下的电动汽车有序充电优化控制策略，包括电网级的和用户级的，以确保安全性和经济性的平衡。交付项：研究报告。电能质量监测系统仿真验证方法2017.102018.01主要内容：采用优化过的快速傅立叶算法和IEC推荐算法进行电能质量指标测算，在保证精度的同时，提高算法的动态响应速度。交付项：研究报告。电动汽车充电站电能质量监测系统构架2017.112018.06主要内容：监测系统采用分层架构设计思路，分为基础平台层、服务层、应用评估
9、层，本阶段给出系统的整体构架。交付项：研究报告。电动汽车充电站电能质量监测平台设计2018.042018.09主要内容：给出各层软硬件实现方案，研发监测装置。交付项：应用报告，样机。项目验收2018.102018.12内容：（1）项目结题验收。交付项：研究报告、专利、论文编写要求：1. 列出分时间段计划研究内容；2. 分时间段提供成果的内容和形式，要求具有可检查性。项目组成人员情况序号姓 名年龄职称、职务工 作 单 位任 务 分 工1工程师广西电网有限责任公司柳州供电局设备部项目负责人2助理工程师广西电网有限责任公司设备部项目审核、专家成员3工程师广西电网有限责任公司电力科学研究院智能电网及需
10、求侧研究所项目审核、专家成员4工程师广西电网有限责任公司柳州供电局设备部项目审核、专家成员5工程师广西电网有限责任公司柳州供电局城中分局项目协调、指导6工程师广西电网有限责任公司柳州供电局营销部项目协调、指导7工程师广西电网有限责任公司柳州供电局城中分局项目协调、指导8助理工程师广西电网有限责任公司柳州供电局设备部技术负责、项目实施9助理工程师广西电网有限责任公司柳州供电局设备部技术负责、项目实施10助理工程师广西电网有限责任公司柳州供电局营销部技术负责、项目实施11助理工程师广西电网有限责任公司柳州供电局营销部技术负责、项目实施一、 目的和意义1. 发展现状发展方向 1.1电动汽车充电站电能
11、质量监测研究现状与发展随着石油等不可再生资源在全球范围内的大量使用，空气质量及温室效应等环境问题不断加剧。而电动汽车以其噪音小，成本低，环保等优势成为了近年来汽车研发领域的研究热点。电动汽车产业以及电动汽车充电站等配套设施由于国家政策的大力支持，在短时间内迅速推广开来。在我国，由于国家的大力扶持以及巨大的市场空间，全国各地都掀起了新建充电站的热潮。地方政府均颁布了鼓励电动汽车的相关政策，如深圳市在深圳市新能源发展工作方案中明确对集中式充电设备投资给予30%的财政补贴，大力促进电动汽车及相关充电装置的推广和发展。国家颁布的新能源汽车产业规划草案中提到，到2020年，我国的电动汽车保有量将达到50
12、0万辆，市场销售规模超过4000亿元。截止2015年底，全国已有超过35个省市和地区宣布进入电动汽车充电站的建设。与此同时，2015年底，全国包括计划在内建设充电站数量达到了1549个，充电桩24万个，相比于14年，有了近10倍的增长。如图1所示的是我国2011年至2015年新能源汽车的产量及增长率情况，从图中可以看出，电动汽车行业最近几年正在飞速发展，2015年较2014年年产量增加了约350%，由此可以看出我国电动汽车市场潜力巨大，并且正处于飞速发展的阶段。图1-1 2011-2015年新能源汽车年度产量及增长率然而电动汽车的发展也受制于许多因素，其中不可忽视的一点就是电动汽车充电对供电电
13、网产生的影响。电动汽车蓄电池充电对于电网来说属于非线性负载，会向电网注入大量的谐波，不仅造成线路或者变压器的损耗加剧，甚至会导致电网中的电感与电容发生谐振，危害电力系统的安全稳定。不仅如此，当充电站对电动汽车进行快速充电时，形成较大的电流，可能会导致电力系统不稳定。因此，由于电动汽车的广泛应用前景，电动汽车充电站电能质量检测与治理的相关技术越来越受到各国学者的重视。目前，专家学者提出了数种充电站电能质量的监测方法，其中一些已经得到了实际应用并且取得了良好的效果。（1）采用实际测量方法目前汽车充电站在许多城市和地区都已经实现了广泛的应用，通过对这些已经投入市场的充电装置进行监测，分析总结出这些设
14、备对电网电能质量的影响。例如，为了实现绿色办奥运的宗旨，在北京奥运期间，大量电动公交车投入使用。针对奥运会中配套电动公交车的充电机，分别选取单台、单机组、多机组为对象研究充电站对于供电系统的影响。从监测过程中发现了充电站会向电网注入奇次谐波，且谐波成分随着次数的增加而减少。（2）采用理论分析方法这一方法一般是利用充电站的各项参数以及应用场合对谐波电流进行计算，再通过概率统计中的大数定律及中心极限定律，建立谐波的数学模型，对充电站向电网注入的谐波电流进行预测。还有学者在此基础上，针对不同充电模式以及充电时长提出了充电站运行中的谐波污染以及相应的治理意见，并且建立了充电装置的市场准入机制，减少充电
15、设备对于电网的危害。（3）采用建模分析方法建模监测法是基于充电装置实际参数的基础上，建立相应的仿真模型对谐波电流进行仿真分析。在此基础上，通过合理的假设，改变仿真模型中的参数，得到谐波变化的规律，对充电站的建设及合理利用提供理论依据。不仅如此，通过对仿真结果数据以及实际应用场合特点的分析，可以对新的电能质量数据分析方法和计算方法进行模拟。建模分析方法对于新算法投入到实际的电能质量监测具有明确的指导意义。 1.2 电动汽车充电站有序充电控制策略的发展现状和发展方向电动汽车规模化应用及无序充电对电网规划运行带来一系列负面影响，包括配电网电能质量、经济性和安全稳定运行等。为了提高电网对大规模充电负荷
16、的容纳能力，同时减小无序充电带来的影响，需采取措施对随机充电行为加以调控、引导。目前国内外研究有序充电主要集中在以下几个方面：（1）利用国家激励政策和分段电价，引导大量用户利用晚间低谷进行夜间充电或延迟充电，避开高峰时段，这一方法在近期可有效实现大量充电负荷的转移，但存在一定局限性。（2）利用时段充电控制，依据对时段分时电价的划分原则或者浮动电价调控，并考虑电动汽车的行驶规律，提出针对该地区充电行为的时段控制策略，如将一天小时分为红、蓝、绿时段，对充电行为分别进行限制或鼓励，从而实现削峰填谷的目的。同夜间充电一样，利用激励政策引导用户避峰充电在短期内将会是一种易行、有效的调控措施，但同样具有机
17、械性的缺陷。（3）随着高级计量体系（和智能电网通信技术的软硬件的发展，协调充电或智能充电，是解决协调以上一系列问题的有效措施之一。如果调度机构直接对接入的每台电动汽车统一调度，进行有序控制，将存在规模庞大，变量维数激增，收敛困难的问题。图1-2 电动汽车有序充电的实施架构（4）改善电网运行经济性和电能质量。需要针对最优潮流、用户充电费用最小、配网网损最小、节点电压越限最小等单一控制目标，提出多目标协调优化的有序充电策略。在最大限度地降低车主充电成本的同时，尽可能提高电网运行经济性和电能质量。图1-3 有序充电粒子群算法流程图（5）电动汽车既能够作为负荷从电网中获取电能，又能作为电能存储设备在适
18、当的时候将电能馈送回电网，可以提供调节系统功率曲线的调峰服务，改善负荷特性。采取有序充电策略不仅能平滑电网负荷波动，而且起到了消纳夜间过剩电能的作用。（6）提供大量旋转备用，与常规火电机组协同调度，参与电网调频。通过对电动汽车有序充电策略的研究，优化火电机组发电计划，降低发电成本和碳排放。同时，制定合理的有序充电策略，使电动汽车充分参与到电网的一次调频和二次调频中去。（7）对充电负荷实时调控，通过更新当前电动汽车的充电数据，对接下来的调度时段制定充电安排，通过粒子群寻优算法，对每个时段内的预测计划进行调整，以实现有序充电的动态管理。该方法所制定的有序充电策略精确度比较高，能够随时针对配电网发生
19、的情况或汽车行驶状况的变动，制定下一时刻的充电计划，但是在实际中，需要大量监控设备和信息采集系统对配电网和汽车运行数据进行实施监督和反馈，实施起来有很大的难度，投资和调控技术也是很大的问题，现阶段还难以应用到实际电动汽车充电站。总体来说，现阶段对电动汽车有序充电的研究主要停留在概念阶段，国内外文献中给出的有序充电控制，多数是宏观上对充电时段进行划分，即避开高峰负荷充电。后续对针对有序充电的深入研究，可逐步给出具体充电规划，将充电计划分配到具体充电站及将充电功率分配至各充电站调控时段。2. 阐述项目成果对该现状和技术发展的作用此项目的研究将产生以下积极的作用：（1）电动汽车充电负荷建模与仿真是对
20、电动汽车充电站电能质量和电动汽车有序充电控制策略研究的基础。本项目对电动汽车动力电池特性、电动汽车运行规律、电动汽车电能补给方式和电动汽车发展规模的分析研究能够建立起更加精确的模型，对后续电动汽车充电站电能质量的监测分析以及电动汽车有序控制策略的研究均有积极意义。（2）电动汽车的接入对电能质量的主要影响包括电压下降、谐波污染和三相不平衡。本项目设计的电动汽车充电站电能质量监测系统构架和平台能够对电能质量进行实时、精确的监控。一方面给电能质量治理提供了更准确的数据，提高电能质量治理效果，减小谐波对变压器寿命、电缆以及继电保护装置的影响。另一方面，可以给电动汽车有序充电控制策略的制定提供一定的依据
21、。（3）电动汽车无序充电将进一步加大电网峰谷差，额外的充电负荷会使节点电压跌落增加，电压跌落又导致功率损耗的增加，电网运行效率下降等。本项目从电网级和用户级两个层面出发，研究电动汽车有序充电控制策略。在用户级层面上以充电费用最低为目标建立用户侧优化模型，提高用户满意程度。在电网级层面上，通过对电动汽车进行有序充电建设，实现电动汽车与电网双向互动，利用用电信息采集系统和能量管理系统根据当前电网的负荷、电能质量等参数实时对相关区域内的充电机和充电桩输出功率进行动态调整，实时对充电机、交流充电桩输出功率进行动态调整，可以降低电动汽车无序充电对电网的影响，提高电能质量，并在充分利用现有的配电网资源的基
22、础上，对电网进行削峰填谷。利用有序充电技术节约充换电站人工管理成本，减少充换电站上级电源变压器增容投资，降低大规模电动汽车充电负荷接入电网后导致峰上加峰的风险，促进了中心城市电动汽车的有序发展和电网安全稳定经济运行。3. 分析成果应用和推广的途径及效益（1）建立电动汽车充电模型电动汽车是具有随机性特点的新型负荷，为了研究未来电动汽车的大规模接入将对电力系统规划和运行造成的影响，本项目将基于中国电动汽车发展现状建立一套完整的电动汽车充电负荷模型及其多种不同场景下的通用仿真系统，分析电动汽车对电网经济运行、电能质量、配电设备等方面的影响。通过理论分析，提高原有电网输变电设备利用率、提高承受能力、最
23、大限度降低充电负荷的随机性对电网的负面影响。为研究电动汽车对电网的影响、充放电调控及电能质量检测平台的建立奠定基础，同时也为未来配电网及电动汽车充电站布局规划提供理论支持。（2）有序充电的智能优化控制策略本项目将建立一套有序充电的智能优化控制策略，探讨有序充电与可再生能源的协同调度,优化控制及充/换电站优化运行和电网接入问题。限制充电负荷对电力系统负面影响的同时，发挥充电控制特定的效益，能够实现负荷削峰填谷，有效平抑负荷波动，促进可再生能源吸纳，发挥负荷调度的作用。该有序充电控制策略将在不同场景得到充分应用，并随着电动汽车规模化发展在不同市场渗透率下得到应用，降低电动汽车的短期成本，扩大有序充
24、电的长期效益，提高电网经济运行水平，减少碳排放量，加快能源结构变化，促进能源的可持续发展。（3）建立电动汽车充电站电能质量检测软硬件平台监测评估系统：本项目将设计和开发一套对电动汽车充电站进行监测、分析和评估的软硬件平台，能实时监测电动汽车充电站电能质量各项指标，并为充电站的运行与规划提供大量可靠的实际运行评估数据，为有序充电控制策略提供大量数据样本支持。本项目提出的电动汽车充电站在线监测平台的软硬件方案和技术，能够完成充电站、各台充电机和配电变压器的运行特性、电动汽车状态及其充电特征数据的在线监测和分析。利用装置投运后的记录数据，不仅能够直观地监测充电站及各充电设施的运行状态，还为分析充电站
25、对电气设备、电网产生的影响提供可靠数据和充分依据。随着电动汽车规模化发展，电动汽车充电站电能质量监测平台可得到充分推广应用，为充电站的运行与规划提供大量可靠的实际运行评估数据，降低电动汽车充电站对配电网电能质量的影响，提高电网经济运行水平。 4. 项目目标在当前智能电网建设背景下, 互联电力系统的规模巨大, 系统对电能质量的实时监测性的可靠性提出较高的要求。不同充电站在建设、运营以及服务车型方面有所差异主要指：三相与单相充电方式，快充与慢充电方式、含APF车载与不含APF充电机的充电方式，对充电站产生的电能质量也不同。第一，本项目将根据实际调研现广西省电动车充电站建设与电动车发展规划设计一套界
26、面友好的电能质量监测平台，能够有效分析电动车充电站电网侧各相谐波畸变率、各次谐波含有率分析以及暂态的时域和幅值数据，监测平台对稳态下各相电压偏差，频率偏差以及三相不平衡度都能有良好的监测效果，为实际电动车充电站的有序充电的改进提供了有用的信息。优化监测装置的布点, 即用最少的监测装置实现对全网电能质量的监测分析, 这对于减少设备投资、提高电力系统经济效益而言具有重要意义。电压暂降进行监测和分析,重点主要集中于监测装置的软硬件以及对监测单元的布点进行相关研究。第二，通过研究电动汽车充电负荷特性，分析含有储能装置的电动汽车充电站系统,在此基础上利用Matlab/Simulink搭建相应的电动汽车充
27、电的负荷特性建立充电站的仿真模型仿真模型。通过分析电动汽车不同的充电模式及不同的充电设施仿真结果,具体说明电动汽车大规模充电给电力系统带来的影响。从实际角度出发,调研充电站设施布局规划和不同类别充电汽车的行为，并针对每种充电模式和充电设施特点，结合基于“峰谷电价”的慢速充电有序控制策略、“充电站、电网、用户三方联动”的快速充电有序控制策略，提出在满足客户充电需求基础上具体的有序控制策略方案，并仿真验证移峰填谷的有效性,负荷率的提高,电网负荷波动的抑制。二、 项目研究的背景1. 国内外研究水平的现状和发展趋势电动汽车是汽车工业发展的必然趋势，而电动汽车的推广需要建设大量电动汽车充电站，图2-1反
28、映了我国2010-2015年充电站数量及同比增长率。图2-1 2010-2015年充电站数量及同比增长由于电动汽车充电机具有非线性的负荷特性，大规模电动汽车随机、无序的接入电网充电，可能会影响电力系统的安全与可靠运行。例如，大量电动汽车的无序充电会造成充电设备不足，显著增大配电网系统网损，并恶化电能质量，可能会造成电网过负荷。如果对电动汽车进行有序充电控制，能充分发挥电动汽车的V2G功能。电动汽车大量无序、随机充电负荷与原有峰值叠加，将形成新的负荷，对配电网带来巨大影响，主要体现在三方面：电能质量（谐波电流、电压偏移、电压不平衡），电网经济性（网络和变压器功率损耗、线路及变压器负载），安全稳定
29、运行（电压波形、峰值负荷、电器设施寿命）。图2-2 充电机工作时的谐波电流波形国内外科研人员针对电动汽车接入对配电网影响进行了深入分析。美国电科院搭建的开放式配电系统仿真分析平台，可用于建立配电网模型，分别结合时空随机因素和确定因素，从两方面分析了电动汽车对配电网负荷平衡、电压和三相平衡的影响。一般在设定情景（不同渗透水平、预测规模、充电模式、电池容量/车型）下，通过潮流计算、研究充电对配电网的影响，进而分析电网损耗和电压畸变率。同时考虑负荷接入位置、SOC实时状态、充电行为随机性等多种因素，建立负荷模型，研究电动汽车在配网中随机接入位置不同对电网节点电压产生的影响。大量研究表明，大规模无序负
30、荷接入，将使配网各节点电压波形严重畸变，峰值负荷显著上升，经济运行指标下降，此外，在电能质量三大影响中，谐波影响尤为重要。针对电动汽车无序充电行为可能导致的系统安全性降低、网络阻塞加剧、电能质量恶化、网损增加等一系列问题，目前国内外学者都在积极研究有序充电技术来减轻这些负面影响。所谓有序充电，就是在满足电动汽车用户充电基本需求的前提下，通过有效的经济手段和技术手段，直接或间接的方式控制电动汽车充电时间和充电效率，来减少电网峰谷差，减少电网损耗和负荷冲击，保证电动汽车和电网的协调发展。对电动汽车的有序充电控制策略按照控制方式分类，一般分为直接（集中）控制和间接（电力市场）控制两种。1）国外研究现
31、状国外研究多采用间接（电力市场）方法实现电动汽车有序充电调度。间接（电力市场）调度方法指的是通过电力市场价格机制（如实时电价和峰谷电价）等引导电动汽车用户（或充电站运营商）主动调节自己的充放电行为从而实现利益最大化。从用户角度，有研究人员在现有商业用电峰谷电价模型下，探讨了基于随机效用理论的多项式logit模型的电动汽车充放电行为，并初步评估电动汽车车主的自身效益及其对电网效益的影响，提出了对于电动汽车的充放电时段划分及电价制定的方式，从而更好地发展智能电网。此外，还有学者以实时电价为背景，提出了基于需求侧响应思想的PHEV集中充电机制，计及供电侧填谷效果与用户成本，建立数学模型，并根据模型特点提出了一种新颖的基于动态估计插值思想的算法，有效地降低峰谷差，节约用户充电成本，达到供电侧和用户侧的双赢结果。
