CN107122553B - 考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法 - Google Patents

考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，包括根据充电者的充电行为随机概率性来预测充电机投入情况，所述充电机投入情况包括每台充电具体的投入时刻和每段时间内投入充电的总数；根据充电机的充电参数，配置充电机相应参数，在仿真软件中构建出充电机模型；根据预测充电机投入情况来构建充电机投入时间控制电路模型；所述充电参数包括充电额定电压和充电额定电流；再根据充电机所在的实际充电站或预设充电站特性，修改充电机相应参数，最后运行充电机模型及充电机投入时间控制电路模型，仿真出充电机的谐波特性，进而得到充电机的各个谐波的概率密度函数分布曲线。

Description

考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法
技术领域
本发明属于充电机仿真领域，尤其涉及一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法。
背景技术
电动汽车充电离不开充电机，而充电机是由大量电力电子设备构成的非线性设备，其运行时势必会对电网产生谐波污染。随着电动汽车的普及应用，大规模电动汽车充电机或充电站工作时的谐波对用电设备、电能质量、变压器等产生的影响和危害不容忽视。
充电机是充电系统中的核心设备，主要功率转换单元和充电控制单元组成。随着高频电力电子技术的发展，各种新型充电机层出不穷，而由大量电力电子器件组成的充电机是典型的非线性设备，势必会对电网造成谐波污染。
其中，充电机的谐波电流幅值大小与充电机的类型、运行方式及负载变化有关。其中，运行方式包括充电机充电时间因素。目前，对于集中式、采用常规充电方式的大型充电设施，由多台充电机并联组成，当前缺少研究具有随机特性的大规模电动汽车充电的谐波特性分析，也未考虑充电机充电时间的随机性对充电机谐波特性的影响。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法。该方法考虑了充电机充电时间的随机性，适用于大规模电动汽车充电的谐波特性分析，得到充电机的相应谐波特性，有利于指导充电机的实际生产运行过程，能够有效抑制谐波电流。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，所述充电机设置于充电站内，该仿真方法具体包括：
步骤(1)：根据充电者的充电行为随机概率性来预测充电机投入情况，所述充电机投入情况包括每台充电具体的投入时刻和每段时间内投入充电的总数；
步骤(2)：根据充电机的充电参数，配置充电机相应参数，在仿真软件中构建出充电机模型；根据预测充电机投入情况来构建充电机投入时间控制电路模型；所述充电参数包括充电额定电压和充电额定电流；
步骤(3)：再根据充电机所在的实际充电站或预设充电站特性，修改充电机相应参数，最后运行充电机模型及充电机投入时间控制电路模型，仿真出充电机的谐波特性，进而得到充电机的各个谐波的概率密度函数分布曲线。
进一步的，在所述步骤(1)中，考虑分时电价以及充电者的充电行为，假设分时电价以及充电者的充电行为都是随机变量，那么分时电价以及充电者的充电行为都服从一定的分布规律。
进一步的，所述分布规律为泊松分布规律。其中，泊松过程是表示随机事件发生次数的累计的随机过程。
进一步的，在所述步骤(1)中，将充电机投入情况作为随机事件，假设在(s,s+t)时间段内，出现充电机投入情况的次数为k次的概率为：
Figure BDA0001284387830000021
其中，Ns+t和Ns分别为在s+t和s时刻出现的充电机投入情况的次数；t表示时间；λ为单位时间内充电机工作的频率。
本发明将充电机投入情况作为随机事件，根据充电者的充电行为服从泊松分布规律，进而得到电动汽车充电机工作的随机分布特性。
进一步的，在所述步骤(2)中，利用PSCAD中的自定义元件建立充电机模型。
PSCAD采用时域分析求解完整的电力系统及微分方程(包括电磁和机电两个系统)，结果不仅非常精确。更值得一提的是它允许用户在一个完备的图形环境下灵活地建立电路模型，进行仿真分析，用户在仿真的同时，可以改变控制参数，从而直观地看到各种测量结果和参数曲线，极大地方便用户提高仿真的乐趣和效率。PSCAD里面提供丰富的元件库，从简单的无源元件到复杂的控制模块，以致电机、FACTS装置、电缆线路等模型都有涵盖。
其中，在所述步骤(2)中，充电机投入时间控制电路模型为断路器控制电路，包括逻辑与非器件，所述逻辑与非器件的输入端与充电电流判断模块和充电机投入时刻判断模块分别相连；
所述充电电流判断模块包括第一比较器，所述第一比较器的第一输入端和第二输入端分别与充电电流信号采集电路和电流阈值输入电路相连，第一比较电路将接收到信号进行比较并输出高电平信号或低电平信号至逻辑与非器件；
所述充电机投入时刻判断模块包括第二比较器，所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别与充电机投入时刻脉冲信号输入电路和投入时刻阈值脉冲信号输入电路相连，第二比较电路将接收到信号进行比较并输出高电平信号或低电平信号至逻辑与非器件；所述逻辑与非器件对接收的信号进行逻辑处理，输出触发信号来控制断路器的开闭。
本发明采用逻辑控制电路结构简单可靠且硬件配置灵活，硬件结构可扩展性强，可有效实现对充电机主要参数的采集和控制，并通过断路器的通断控制充电机投运。
进一步的，在所述步骤(3)中，充电机的谐波特性表现为：谐波电流幅值随着谐波次数的增加而减小。
进一步的，在所述步骤(3)中，充电机的谐波特性还表现为：电网公共连接点的谐波特性与谐波次数相关，次数越大，方差越小，并且在均值附近的该次谐波电流的概率密度愈大。
进一步的，在所述步骤(3)中，充电机的谐波特性还表现为：随着同一时间段内接入电网的充电机台数逐渐增多，谐波电流增加幅度也逐渐加大。
进一步的，在所述步骤(3)中，当充电站中包括多个充电机时，那么充电机之间相互独立。
进一步的，在相同的充电技术条件下工作，每个充电机的各个谐波电流也是相互独立的。
本发明的有益效果为：
(1)该方法考虑了充电机充电时间的随机性，适用于大规模电动汽车充电的谐波特性分析，得到充电机的相应谐波特性，有利于指导充电机的实际生产运行过程，可调整充电机的投入时间，扩大投入时间间隔，降低同时在线充电机台数，可有效抑制谐波电流。
(2)本发明将充电机投入情况作为随机事件，根据充电者的充电行为服从泊松分布规律，进而得到电动汽车充电机工作的随机分布特性。
(3)根据充电机所在的实际充电站或预设充电站特性，修改充电机相应参数，最后运行充电机模型，仿真出充电机的谐波特性，进而得到充电机的各个谐波的概率密度函数分布曲线，能够更加直观地观察到充电机的谐波特性，其表现为：谐波电流幅值随着谐波次数的增加而减小；电网公共连接点的谐波特性与谐波次数相关，次数越大，方差越小，并且在均值附近的该次谐波电流的概率密度愈大；随着同一时间段内接入电网的充电机台数逐渐增多，谐波电流增加幅度也逐渐加大。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法的流程图；
图2是各次谐波的概率密度函数分布曲线；
图3是各时段充电机投入的台数和电池的初始容量；
图4是考虑随机特性的60台充电机谐波特性分布图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法的流程图。
如图1所示，本发明的考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，所述充电机设置于充电站内，该仿真方法具体包括：
步骤(1)：根据充电者的充电行为随机概率性来预测充电机投入情况，所述充电机投入情况包括每台充电具体的投入时刻和每段时间内投入充电的总数。
在所述步骤(1)中，考虑分时电价以及充电者的充电行为，假设分时电价以及充电者的充电行为都是随机变量，那么分时电价以及充电者的充电行为都服从一定的分布规律。
其中，分布规律为泊松分布规律。其中，泊松过程是表示随机事件发生次数的累计的随机过程。
在所述步骤(1)中，将充电机投入情况作为随机事件，假设在(s,s+t)时间段内，出现充电机投入情况的次数为k次的概率为：
Figure BDA0001284387830000041
其中，Ns+t和Ns分别为在s+t和s时刻出现的充电机投入情况的次数；t表示时间；λ为单位时间内充电机工作的频率。
本发明将充电机投入情况作为随机事件，根据充电者的充电行为服从泊松分布规律，进而得到电动汽车充电机工作的随机分布特性。
步骤(2)：根据充电机的充电参数，配置充电机相应参数，在仿真软件中构建出充电机模型；根据预测充电机投入情况来构建充电机投入时间控制电路模型；所述充电参数包括充电额定电压和充电额定电流。
在所述步骤(2)中，利用PSCAD中的自定义元件建立充电机模型。
PSCAD采用时域分析求解完整的电力系统及微分方程(包括电磁和机电两个系统)，结果不仅非常精确。更值得一提的是它允许用户在一个完备的图形环境下灵活地建立电路模型，进行仿真分析，用户在仿真的同时，可以改变控制参数，从而直观地看到各种测量结果和参数曲线，极大地方便用户提高仿真的乐趣和效率。PSCAD里面提供丰富的元件库，从简单的无源元件到复杂的控制模块，以致电机、FACTS装置、电缆线路等模型都有涵盖。
其中，在所述步骤(2)中，充电机投入时间控制电路模型为断路器控制电路，包括逻辑与非器件，所述逻辑与非器件的输入端与充电电流判断模块和充电机投入时刻判断模块分别相连；
所述充电电流判断模块包括第一比较器，所述第一比较器的第一输入端和第二输入端分别与充电电流信号采集电路和电流阈值输入电路相连，第一比较电路将接收到信号进行比较并输出高电平信号或低电平信号至逻辑与非器件；
所述充电机投入时刻判断模块包括第二比较器，所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别与充电机投入时刻脉冲信号输入电路和投入时刻阈值脉冲信号输入电路相连，第二比较电路将接收到信号进行比较并输出高电平信号或低电平信号至逻辑与非器件；所述逻辑与非器件对接收的信号进行逻辑处理，输出触发信号来控制断路器的开闭。
本发明采用逻辑控制电路结构简单可靠且硬件配置灵活，硬件结构可扩展性强，可有效实现对充电机主要参数的采集和控制，并通过断路器的通断控制充电机投运。
步骤(3)：再根据充电机所在的实际充电站或预设充电站特性，修改充电机相应参数，最后运行充电机模型及充电机投入时间控制电路模型，仿真出充电机的谐波特性，进而得到充电机的各个谐波的概率密度函数分布曲线。
一次侧电流
Figure BDA0001284387830000051
其谐波电流可以用向量形式表达，随着功率变化谐波电流的向量也发生变化，得出谐波向量随功率变化的曲线，使用多项式曲线拟合方进行拟合，得到总谐波电流的向量表达形式。
假设定义xh和yh为一个充电机工作时h次谐波电流向量表达式中的实部和虚部，分别是以功率p作为自变量。设有N个随机变量以Ik表示，其中k＝1，2，3，…，N，则
Ik＝xh,k+jyh,k (k＝1，2，3，…，N)
在日常生活中，电动汽车到达充电站的时间基本是随机的，充电时间也是随机的。该分布规律与分时电价以及居民充电的日常行为方式有关。由于电动汽车行驶里程基本满足正态分布，充电时间也基本符合正态分布。一定规模集聚的电动汽车集中充电时产生的谐波时，可以采用概率统计的方法进行分析。
假设充电站有N个充电机，它们相互独立，在相同的充电技术条件下工作，谐波电流Ik(k＝1，2，3，…，N)是相互独立的。当电动汽车集中充电的规模很大时，根据概率统计学大数定律和中心极限定理，xh和yh的分布服从正态分布。
Figure BDA0001284387830000061
式中：
Figure BDA0001284387830000062
Xh和Yh的联合分布密度函数为：
Figure BDA0001284387830000063
其中，
Figure BDA0001284387830000064
Cov(Xh,Yh)为Xh和Yh的协方差，对于独立随机变量的和的协方差等于相对应的独立随机变量的协方差的和。所以得出：
Figure BDA0001284387830000065
随机变量总的幅值为：
Figure BDA0001284387830000066
假设谐波相位角为θ，则
Figure BDA0001284387830000069
Yh＝Zhsinθ，则随机变量的概率密度分布函数为：
Figure BDA0001284387830000067
则h次谐波电流幅值的期望值和方差分别为：
Figure BDA0001284387830000068
以20台充电机为例：其产生的谐波电流的概率密度分布函数，得到其变化曲线，如图2所示。由图2可见，谐波电流幅值随着谐波次数的增加而减小，如5次谐波电流的幅值大于13次谐波电流。电网公共连接点的谐波特性与谐波次数相关，次数越大，方差越小，并且在均值附近的该次谐波电流的概率密度愈大。
此外，充电机的谐波特性表现为：谐波电流幅值随着谐波次数的增加而减小。
充电机的谐波特性还表现为：随着同一时间段内接入电网的充电机台数逐渐增多，谐波电流增加幅度也逐渐加大。
在所述步骤(3)中，当充电站中包括多个充电机时，那么充电机之间相互独立。
在相同的充电技术条件下工作，每个充电机的各个谐波电流也是相互独立的。
具体仿真案例：
根据人们的日常生活习惯，一般早上开车去上班，在办公地点的停车之类的可以进行补充充电，绝大部分人选择晚上下班回家后进行充电，即19:00～22:00。假设90％用户在19:00～22:00，其余10％用户选择随机充电。假如有60台充电机在各个时段充电的比例按照表1分布。
表1充电机起始充电时间分布
Figure BDA0001284387830000071
充电电池的初始容量可在20％～40％之间随机选取。根据以上假设得到18:00～22:00之间各时段充电机投入的台数和电池的初始容量如图3所示。
图4是考虑随机特性的60台充电机谐波特性分布图。可以看出，5次谐波电流幅值最大，7次次之，11次最小。同时可以看出随着同一时间段内接入电网的充电台数逐渐增多，谐波电流增加幅度也逐渐加大。在21:30左右同时工作的充电机数量达到最大，谐波电流也达到最大。然后逐渐有电池充满，充电机退出运行，谐波电流开始下降。所以在实际生产运行过程中，可调整充电机的投入时间，扩大投入时间间隔，降低同时在线充电机台数，可降低充电站峰值功率，从而抑制谐波电流。
大量的谐波电流将使电流波形畸变，降低功率因数。当充换电站的站用变压器采用△/Y接线形式时，谐波电流将在变压器绕组中产生环流，增大铁心损耗，降低变压器效率，有时可能导致变压器局部严重过热；谐波电流还会使输变电线路的阻抗变大，线路过热，绝缘老化，影响线路的运行安全；谐波可能引起电网中局部并联或者串联谐振，放大谐波电流，可能会出现谐振过电压或过电流，甚至引起电网事故；谐波还会导致继电保护或自动化装置设备出现误动作，电力计量仪器仪表计量误差扩大，结果不准确；谐波还可能会对周围通信系统、通信设备产生电磁干扰，影响通信质量。
国家标准《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-1993)中，明确界定了公共连接点的各次谐波电流注入允许值，如表2所示。
表2注入公共连接点的谐波电流允许值
Figure BDA0001284387830000081
(1)当电网公共连接点的最小短路容量与表2-10基准短路容量不同时，应按下列公式修正表2中的谐波电流允许值：
Figure BDA0001284387830000082
式中：Sk1为公共连接点的最下短路容量，单位为MVA；
Sk2为基准短路容量，单位为MVA；
Ih为表2-10中的第h次谐波电流允许值，单位为A；
Ihp为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，单位为A。
(2)当公共电网连接点有多个用户时，各用户的谐波电流允许值应按协议容量与公共连接点的供电容量之比进行分配。计算公式如下：
Ihi＝Ih(Si/St)1/α
式中：Ih为第h次谐波电流允许值，单位为A；Si为第i个用户的用电协议容量，单位为MVA；St为公共连接点的供电设备容量，单位为MVA；α为相位迭加系数，按表3取值。
表3谐波相位叠加系数
Figure BDA0001284387830000083
(3)单个交流充电桩注入公共电网连接点谐波限值应满足表4的规定。
表4单个交流充电桩注入公共电网连接点谐波限值
Figure BDA0001284387830000084
本发明的该方法考虑了充电机充电时间的随机性，适用于大规模电动汽车充电的谐波特性分析，得到充电机的相应谐波特性，有利于指导充电机的实际生产运行过程，可调整充电机的投入时间，扩大投入时间间隔，降低同时在线充电机台数，可有效抑制谐波电流。
本发明根据充电机所在的实际充电站或预设充电站特性，修改充电机相应参数，最后运行充电机模型，仿真出充电机的谐波特性，进而得到充电机的各个谐波的概率密度函数分布曲线，能够更加直观地观察到充电机的谐波特性，其表现为：谐波电流幅值随着谐波次数的增加而减小；电网公共连接点的谐波特性与谐波次数相关，次数越大，方差越小，并且在均值附近的该次谐波电流的概率密度愈大；随着同一时间段内接入电网的充电机台数逐渐增多，谐波电流增加幅度也逐渐加大。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，所述充电机设置于充电站内，其特征在于，该仿真方法具体包括：
步骤(1)：根据充电者的充电行为随机概率性来预测充电机投入情况，所述充电机投入情况包括每台充电机进行充电具体的投入时刻和每段时间内投入充电的充电机总数；
步骤(2)：根据充电机的充电参数，配置充电机相应参数，在仿真软件中构建出充电机模型；根据预测充电机投入情况来构建充电机投入时间控制电路模型；所述充电参数包括充电额定电压和充电额定电流；
步骤(3)：再根据充电机所在的实际充电站或预设充电站特性，修改充电机相应参数，最后运行充电机模型及充电机投入时间控制电路模型，仿真出充电机的谐波特性，进而得到充电机的各个谐波的概率密度函数分布曲线；
在所述步骤(1)中，考虑分时电价以及充电者的充电行为，假设分时电价以及充电者的充电行为都是随机变量，那么分时电价以及充电者的充电行为都服从一定的分布规律；所述分布规律为泊松分布规律；
所述步骤(3)包括：假设定义Xh和Yh为一个充电机工作时h次谐波电流向量表达式中的实部和虚部，分别是以功率p作为自变量；设充电站有N个充电机，它们相互独立，在相同的充电技术条件下工作，谐波电流Ik是相互独立的，其中k＝1，2，3，…，N；当电动汽车集中充电的规模很大时，根据概率统计学大数定律和中心极限定理，Xh和Yh的分布服从正态分布；获取Xh和Yh的联合分布密度函数；Cov(Xh,Yh)为Xh和Yh的协方差，对于独立随机变量的和的协方差等于相对应的独立随机变量的协方差的和，并求出随机变量总的幅值；假设谐波相位角为θ，根据求出随机变量总的幅值获取随机变量的概率密度分布函数和h次谐波电流幅值的期望值和方差；
所述随机变量总的幅值为：
Figure FDA0003239654100000011
假设谐波相位角为θ，则Xh＝zhcosθ，Yh＝zhsinθ，则随机变量的概率密度分布函数为：
Figure FDA0003239654100000012
2.如权利要求1所述的一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，将充电机投入情况作为随机事件，假设在(s,s+t)时间段内，出现充电机投入情况的次数为k次的概率为：
Figure FDA0003239654100000021
其中k＝0,1,2,3......；
其中，Ns+t和Ns分别为在s+t和s时刻出现的充电机投入情况的次数；t表示时间；λ为单位时间内充电机工作的频率。
3.如权利要求1所述的一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，利用PSCAD中的自定义元件建立充电机模型。
4.如权利要求1所述的一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，充电机投入时间控制电路模型包括逻辑与非器件，所述逻辑与非器件的输入端与充电电流判断模块和充电机投入时刻判断模块分别相连；
所述充电电流判断模块包括第一比较器，所述第一比较器的第一输入端和第二输入端分别与充电电流信号采集电路和电流阈值输入电路相连，第一比较电路将接收到信号进行比较并输出高电平信号或低电平信号至逻辑与非器件；
所述充电机投入时刻判断模块包括第二比较器，所述第二比较器的第一输入端和第二输入端分别与充电机投入时刻脉冲信号输入电路和投入时刻阈值脉冲信号输入电路相连，第二比较电路将接收到信号进行比较并输出高电平信号或低电平信号至逻辑与非器件；所述逻辑与非器件对接收的信号进行逻辑处理，输出触发信号来控制断路器的开闭。
5.如权利要求1所述的一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，充电机的谐波特性表现为：谐波电流幅值随着谐波次数的增加而减小；以及电网公共连接点的谐波特性与谐波次数相关，次数越大，方差越小，并且在均值附近的该次谐波电流的概率密度愈大。
6.如权利要求1所述的一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，充电机的谐波特性还表现为：随着同一时间段内接入电网的充电机台数逐渐增多，谐波电流增加幅度也逐渐加大。
7.如权利要求1所述的一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，当充电站中包括多个充电机时，那么充电机之间相互独立。
8.如权利要求7所述的一种考虑随机特性的充电机谐波特性分析仿真方法，其特征在于，在相同的充电技术条件下工作，每个充电机的各个谐波电流也是相互独立的。
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