《Journal of Energy Storage》：Electromagnetic transient simulation of EV fast charging on distribution networks: Comparative evaluation with PV integration
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电动汽车充电与光伏并网在真实馈线中的电磁暂态行为研究|电磁暂态建模|电动汽车充电系统|光伏并网影响|谐波传播特性|实际馈线分析|
阿卜杜勒·哈菲兹·阿卜杜勒·卡里姆 | 莫哈德·扎伊纳尔·阿比丁·阿布·卡迪尔 | 刘新志 | 诺尔哈菲兹·阿齐斯 | 诺尔·莫哈德·哈齐克·诺尔萨赫佩里 | 扎姆纳科·穆罕默德·库尔希德·阿卜达
马来西亚沙捞越大学电气与电子工程系，94300，沙捞越，马来西亚
摘要
电动汽车（EV）的快速普及及其快速充电基础设施的发展对配电网络的稳定性和电能质量带来了严峻挑战，尤其是在那些致力于低碳出行转型的地区。现有的研究主要集中在稳态负载影响上，而对大规模快速充电部署所引发的详细电磁暂态（EMT）行为及其与分布式光伏（PV）资源的相互作用关注较少。本文介绍了一种基于实际馈线的、经过谐波校准的、明确控制器的EMT建模方法，该方法应用于一个运行中的11 kV/400 V配电馈线，其中包括一个70 kW的直流（电池侧）快速充电系统、基于Shepherd模型的锂离子电池、并网式电压源转换器以及Suria 16浮动光伏阵列。研究了两种情景：仅电动汽车充电和电动汽车与光伏联合运行。在仅电动汽车充电的情况下，充电过程中会产生短暂的启动动态，并且由于逆变器PWM的作用会产生约16%的第三次谐波成分；由于该谐波为零序谐波，因此在线间电压中的影响可以忽略不计，因此PCC电压失真率保持在0.1%以下，而低阶电流谐波的峰值约为0.20–0.25%。在电动汽车与光伏联合运行的情况下，电池充电功率仍为70 kW，而电网侧接口的功率约为80.6 kW，两者之间的约10.6 kW差异归因于混合运行状态下的转换/接口损耗。本研究展示了控制器动态、转换器频谱叠加以及馈线阻抗如何影响实际网络中的暂态和谐波特性，为基于情景的规划和瞬态系统研究提供了一个可移植的EMT框架。
引言
电动汽车（EV）和光伏发电（PV）如今已成为配电系统中的重要组成部分，而不再是附属设施[1]、[2]。随着交通系统的电气化进程加速，电动汽车的采用率持续上升；同时，在脱碳和成本降低的压力下，光伏发电容量也在不断扩大，从大型公用事业规模的项目到校园和建筑级别的安装都有涉及[3]、[4]。在马来西亚，太阳能资源评估和选址研究表明，光伏发电在并网方面具有巨大的技术潜力，政府和大学的合作已经开始将这些潜力转化为城市校园中的实际应用[5]。这些趋势在低压馈线上尤为明显：电动汽车充电集群会在特定节点和时段集中产生新的电力需求，而光伏逆变器也会在同一电路上注入电力，有时甚至通过多个连接点[6]。对于运营商来说，关键问题不再是电动汽车和光伏是否会出现在配电网络中，而是它们同时存在时，以电力电子技术为主导的相互作用将如何改变网络的正常运行、资产负载情况以及电能质量指标的合规性。要回答这个问题，需要超越政策动机和能源核算的层面，深入探讨电网层面的行为，包括如何解决暂态现象、谐波问题、电压调节以及馈线依赖的聚合效应[7]、[8]。
从技术角度来看，这两种技术都依赖于快速开关转换器，其控制目标和阻抗决定了它们在电网中的特性。无论是车载还是外部安装的电动汽车充电器，通常都包含整流器、直流链路以及直流/直流或直流/交流转换阶段，并具有功率因数校正功能；在共同耦合点，它们的净效应表现为非正弦电流，具有特征性的低阶谐波、较高的总需求失真（TDD）/总谐波失真（THD），以及在充电特定阶段较低的输入功率因数[1]、[9]。在较大规模的应用中，单相Level 1/2充电集群会导致相位不平衡和局部电压偏差，而高功率直流快速充电则会对配电变压器和电缆产生剧烈的电流波动和热应力。光伏逆变器则增加了另一种转换器发射源。在负载较轻或中等负载的馈线上，它们可能会加剧电压波动，并注入与调制和开关过程相关的经典谐波和超谐波（2–150 kHz）[7]。因此，现代电网规范要求提供电压/频率支持、低电压和高压下的系统稳定性、无功电流控制，以及对谐波失真和不平衡的限制。当电动汽车充电和光伏反向供电同时存在于同一低压网络中时，它们的频谱、动态特性和控制方式会通过馈线阻抗相互叠加，这种叠加效果并非简单的加法关系，可能会在各个节点之间产生谐波热点，并根据运行状态和网络拓扑结构加剧或缓解电压和电流失真[10]。这些现实情况促使人们需要在真实的馈线上进行电磁暂态建模，以量化电动汽车充电器、光伏逆变器及中间网络的启动和稳态行为，从而确定光伏存在对电能质量影响的改变，并为校园式城市配电系统的规划和运行提供可行的措施[11]。
多项研究在不同建模框架下探讨了电动汽车充电和光伏集成对配电网络的综合影响。Rodríguez-Pajarón等人提出了一个关于电动汽车和非线性住宅负载对低压馈线影响的概率评估，结果显示光伏发电对谐波和电压不平衡有显著影响，但他们的方法仅限于准稳态谐波负载流分析，没有考虑EMT波形[12]。Mishra等人提出了一种基于sigma修改的自适应控制方法，适用于由双向电动汽车充电架构支持的光伏-电池系统，在电网失真条件下实现了稳定的电能质量（PQ）性能和G2V/V2G操作，不过验证仅限于3.3 kW的实验室原型，未涉及馈线级别的系统交互[13]。Verma等人开发了一种多功能的光伏阵列型电动汽车充电器，能够实现G2V/V2G/V2H功能、主动滤波以及无缝的电网-岛屿转换，同时保持电网电流THD低于5%，但其验证仍停留在单相实验室规模，未考虑馈线级别的EMT交互或大规模光伏-电动汽车共存情况[14]。Lou等人基于蒙特卡洛方法开发了一个电动汽车充电模型，并在PG&E 69节点系统中进行了时序驱动调度和连续功率流（CPF）分析，以确定最大电动汽车容纳量和静态电压稳定性限制，但他们的框架仍然是准静态的，未涉及谐波、EMT暂态或转换器引起的PQ失真[15]。Bostr?m等人提出了一个关于西班牙全国范围内纯光伏-电动汽车能源系统的概念性研究，表明34.5亿平方米的光伏发电加上全面的电动汽车电气化以及V2G技术理论上可以实现100%的自给自足，但该框架基于简化假设，忽略了馈线级别的PQ、EMT暂态和转换器频谱效应[16]。Secchi等人提出了一种基于集中控制的智能电动汽车充电策略，通过二次规划问题来最小化电动汽车和光伏渗透率增加时的净负载方差，实现了高达60%的方差减少和显著的电压稳定性提升，但忽略了电动汽车电池寿命问题以及高频PQ影响[17]。Basta和Morsi利用现场测量数据和蒙特卡洛模拟研究了加拿大的快速充电站，发现不同制造商的充电器产生的低阶和高阶谐波排放量不同，达到了约18%，并引入了基于IEEE-1459标准的新的功率量度指标来区分超谐波；虽然这些研究在量化谐波谱方面具有启发性，但它们仅针对特定地点，未全面考虑馈线级别的共振传播或缓解策略[18]。尽管这些研究为电动汽车和光伏集成提供了重要见解，但大多数研究仍受到合成馈线、概念性控制框架或设备级测试的限制，缺乏在实际配电网络上的验证。这凸显了需要开发一种新的方法论，该方法论能够结合实际的馈线模型和校准后的电动汽车/光伏模型，准确捕捉现实电网环境中的瞬态和稳态电能质量影响。
本研究详细开发了马来西亚普特拉大学（UPM）校园配电馈线的EMT仿真框架，涵盖了11 kV/400 V网络，包括辐射-环形拓扑结构、变压器配置和馈线阻抗。这种基于真实数据的方法比以往研究中常用的合成或简化阶数的馈线更能准确评估电动汽车快速充电的影响。该研究采用了70 kW的直流快速充电器模型，该模型使用了Shepherd模型中的锂离子电池，并结合了并网式电压源转换器（VSC）和LC滤波器，且控制环路层面的细节也得到了明确表示。这种设计能够以谐波校准的方式捕捉稳态谐波注入和瞬态控制器-电网交互。研究还引入了电动汽车与光伏的混合集成场景，将快速充电器与根据校园数据缩放的Suria 16浮动光伏阵列相结合。通过比较在相同馈线条件下的仅电动汽车充电和电动汽车与光伏联合运行的情况，本研究量化了分布式光伏如何改变快速充电的瞬态特性、谐波传播和馈线级别的功率流动，从而扩展了现有文献，提供了基于实际馈线、明确控制器的EMT评估方法，包括定量分析LV-MV传播特性以及时域瞬态和谐波特性，这些在准静态或合成馈线研究中并未得到完全解决。
本文的其余部分结构如下：第2节介绍了配电网络的建模、电动汽车快速充电器和光伏阵列的详细表示，以及EMT框架中采用的控制架构。第3节分析了仅电动汽车运行的情况，重点关注逆变器动态、谐波谱以及局部与上游影响。第4节评估了电动汽车与光伏的混合集成效果，包括瞬态性能、谐波传播和节点级别的电能质量指标。第5节总结了研究的主要发现及其对日益增长的电动汽车快速充电和光伏渗透率背景下的配电网络运行和基础设施规划的启示。
部分内容摘录
研究中的配电网络
本研究采用的测试系统是一个运行电压为11 kV的中压配电网络，通过11/0.4 kV的配电变压器降压后为低压（LV）网络供电[19]。网络拓扑采用辐射-环形混合结构，常见于城市校园和公用事业供电系统，由多个相互连接的节点组成，这些节点均进行了编号以便参考。图1展示了一个简化的单线图。
电动汽车快速充电的电磁暂态和电能质量分析
除非另有说明，否则Bus 10表示MSB 13B处的低压共同耦合点（PCC），其电压为400 V VLL,RMS；Bus 14表示PE 24处的上游中压监测节点，电压为11 kV VLL,RMS。波形图显示了瞬时相线对中性线电压vLN（vaN、vbN、vcN）和相线电流；所提到的400 V/11 kV节点电压指的是相应节点的标称线间RMS电压。
混合运行下的逆变器和光伏系统动态
图8(a)展示了电动汽车与光伏混合运行情况下光伏分支的辐照度驱动工作点。西马地区的1小时辐照度记录被缩放到10秒的EMT时间窗口（第2.4节），辐照度值在大约600 W m?2到900 W m?2之间变化。光伏阵列响应表现为阵列电压VPV逐渐升高至约0.9–1.0 kV，阵列电流IPV从约40–50 A增加到约80–100 A，相应地，阵列功率PPV也增加到约90–110 kW范围内。
结论
本研究在一个真实的低压馈线上开发了一个系统级别的EMT框架，用于量化电动汽车快速充电的影响以及光伏注入的增量效应。该方法采用基于实际馈线的、经过谐波校准的、明确控制器的EMT方法，能够对仅电动汽车运行和电动汽车与光伏联合运行的情况进行同类比较，并量化了LV-MV范围内的瞬态和低阶谐波的传播情况。在仅电动汽车运行的情况下，逆变器相电压中出现了明显的第三次谐波（约16%），这种谐波来源于零序分量。
CRediT作者贡献声明
阿卜杜勒·哈菲兹·阿卜杜勒·卡里姆：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿创作、可视化、软件开发、项目管理工作、方法论设计、数据分析、概念化。莫哈德·扎伊纳尔·阿比丁·阿布·卡迪尔：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督工作、资源协调、项目管理工作、方法论设计、资金获取、概念化。刘新志：撰写 – 审稿与编辑、验证工作、软件开发、方法论设计、数据分析、形式化分析
作者批准和责任
所有作者都对这项工作做出了实质性贡献，审阅了最终版本的手稿，同意将其提交给期刊，并对工作的所有方面负责，包括内容的准确性和完整性。
伦理声明
本研究不涉及人类参与者、动物或可识别的个人数据，因此不需要伦理批准或知情同意。
原创性和提交状态
我们确认该手稿是原创的，之前未曾以任何形式发表过，也未在其他地方被考虑发表。
资助
本研究得到了马来西亚高等教育部（MOHE）的支持，资助编号为FRGS/1/2024/TK08/UPM/01/1
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果或解释的已知财务利益或个人关系。
