高海拔地区充电桩接入电网均衡补偿方法研究

陈建林

（国网西藏电力有限公司那曲供电公司，西藏 那曲 852000）

高海拔地区的地理和气候条件比较恶劣，气温较低，空气稀薄，因此充电桩需要具有更高的能源储存和转化效率。为了确保高海拔地区充电桩接入电网的稳定性和可靠性，可以采用集中式接入、分布式接入和混合式接入等方式[1]。综上所述，高海拔地区充电桩接入电网的方式需要考虑当地的地理环境和气候条件、用电负荷情况等多种因素。本文旨在探索适合高海拔地区充电桩接入电网的均衡补偿方法，以提高充电效率，降低能源损耗并减少对电网的负面影响。首先，需要深入分析高海拔地区的地理、气候和电网基础设施情况，为充电桩的规划和设计提供基础数据。其次，针对充电桩的性能和运行特点，结合电网负荷情况，制定充电策略，进行电网负荷的均衡分配。为了实现高海拔地区充电桩接入电网的均衡补偿，通过调整仿真参数，评估充电桩对电网的影响，并制定补偿策略。此外还需考虑充电桩建设和维护的经济成本等因素。因此，本文对优化高海拔地区充电基础设施的建设有重要的指导作用。

1 高海拔地区充电桩接入电网均衡补偿方法设计

1.1 建立充电桩接入电网控制结构

本文根据电网的分层控制、精细化管理以及电压、频率控制的特点，在不同时间尺度上建立控制层[2]，合理划分各层，实现控制功能，建立充电桩接入电网控制结构，其结构如图1所示。

图1 充电桩接入电网控制结构

图1 中，DG 为分布式发电单元。在该充电点接入的控制系统内，根据功能需求将电网划分为一个本地控制层级和一个二级主控层级。本地控制器主要起控制作用，能够以最快速度对其设定值进行跟踪，二次控制器调节电网功率、电网电压以及电压频率偏差等。在整个充电桩接入的控制结构中，整个电网设备实行分层管理模式，本地控制器与二次控制器集成在各DG 中，同时各DG 单元独立控制，使所有二次控制器可以相互连接，以进行整个电网的“即插即用”和精细化管理[3]。在电网的网络化分层管理系统中，每个节点仅需与相邻节点进行通信，就可以得到全局的平均值，至此充电桩接入电网控制结构建立完成。

1.2 调节电网电流频率

要使充电桩接入电网后对电网电流频率进行快速调节，需要对电网的电流频率进行实时检测。设Us表示电力系统的母线电压，IL表示负载上的电流，us（wt）表示电力系统的电压，iL（wt）表示总负载电流[4]，IPL表示负载电流中有功电流的频率，IqL表示负载电流中无功电流的频率。以上述参数为基础，假设电力系统的电压us（wt）如公式（1）所示，电力系统的负载电流iL（wt）如公式（2）所示。

式中：θ1、θ2为负载电流与电网之间的相位差。

从而得到负载电流中无功电流的分量频率IqL，如公式（3）所示。

式中：φ为负载电流中无功功率的相位角。

由公式（3）可得公式（4）。

由公式（4）可得负载电流和电流频率之间的变化频率。根据图2 的相量关系可得知，电流频率滞后于电网电压，因此负荷表现为阻感性。在数学的三角函数中，有公式（5）。

图2 电网瞬时电流频率的检测框图

由公式（5）可以得知，在具有相容性负载的情况下，电流仅在符号上有所不同，但其频率始终保持恒定。因此，无论负载是容性还是感性，公式（4）的计算结果取绝对值均能准确反映电流频率。

利用上述推理步骤，便可得出对电网中瞬时电流频率的检测框图，如图2所示，由于此法主要采用了三角函数关系[5]，因此与常规的测量原理相比，构造比较简便。

通过简化方法，可以显著降低电网电压变化对电流频率的干扰，既减少了实际问题中的计算量，也有效消除了电网电压突变对电流频率测量产生的影响，能够实时调节电流频率。

1.3 建立充电桩接入电网补偿模型

充电桩接入电网后，补偿模型与电源、负载元件形成一个复杂的统一体，其动态工作特性与电网的整体运行状况、特性紧密相连。因此，需要对该补偿模型进行深入分析，并建立准确的模型，以使其与电网的运行性能相匹配，这有助于简化电网的研究。为了简化补偿模型的接线，本文采用如图3所示的原理图。建立充电桩接入电网的补偿模型时，对其进行了理想化处理，具体步骤如下：1）将补偿装置中的损耗等效为电阻R，将电网元件和线路的损耗等效为电感L。2）经过电网元件的滤波处理后，该装置的输出电压仅包括基波分量。

图3 充电桩接入电网补偿模型简化图

图3 中，udc为补偿模型输出电压；L为电网元件及线路损耗的等效电感；R为补偿装置中各种损耗的等效电阻；idc为补偿模型负载电流。

对该补偿模型简化原理图分析可得其输出电压udc，如公式（6）所示。

式中：K表示比例系数；δ表示该补偿模型输出电压与电网电压的相位差。

该补偿模型电压动态方程如公式（7）所示。

式中：t表示该补偿模型运行时间。

将公式（6）和公式（7）合并即为充电桩接入电网补偿模型表达式，如公式（8）所示。

至此完成了充电桩接入电网补偿模型建立。

1.4 设置最优均衡补偿电压

最优均衡补偿电压的设置需要考虑多方面因素，包括电网变压器容量、负荷需求、系统稳定性和运行效率等。在电网中，变压器是关键元件，其工作稳定性会直接影响整个电网的稳定运行。变压器容量过小会导致系统过载，容量过大则会造成浪费。变压器运行效率与容量有密切关系。容量过大会导致空载损耗增加，从而降低运行效率。因此，要选合适的变压器容量，以提高运行效率。负荷需求是变压器容量规划的重要因素。对电力系统来说，负荷需求决定电网的供电量。对地区用电需求进行预测和分析可以确定未来一段时间内的负荷需求，从而为变压器容量的选择提供依据。同时还需要考虑可能出现的负荷增长，以适应未来的用电需求。

变压器是供电系统中最关键的供电设备，其负载值能够反映供电变压器剩余容量的丰富程度，即评估变压器容量，确定变压器是否超负荷[6]。

电网变压器负载率表达式如公式（1）所示。

式中：Pmax表示电网变压器最大容量；S表示电网变压器运行速度；T表示电网变压器运行时间。

由此可得电网变压器容量P，如公式（10）所示。

综上所述，合理的变压器容量可以确保电网有效运营，充电桩接入电网的电流频率和不均匀程度必须通过电流和电压的正序及负序分量分离控制来获得。由于等效的正序分量ud可以在正常的旋转坐标系（d，q）中按λ顺时针方向旋转并得到ud'，而负序分量uq也可以按λ顺时针方向旋转并得到uq'，因此可以推断，负序旋转坐标系可以等值转动，正序旋转坐标系可以按2λ进行相反方向的旋转，从而在旋转坐标系中得到电压的正序和负序分量。

最优均衡补偿电压U如公式（11）所示。

由最优均衡补偿电压分序进行充电桩接入电网的均衡补偿，其触发原理如图4所示。

图4 充电桩接入电网的均衡补偿触发原理

通过叠加正序和负序分量生成最优均衡补偿电压，并转换坐标以触发充电桩接入电网装置的补偿功能。触发充电桩接入电网控制逆变电路，使其输出补偿电流，补偿电网负载电流中的正序和负序分量[7]。至此高海拔地区充电桩接入电网均衡补偿完成。

2 试验

2.1 试验准备

在仿真验证的基础上，本文选用西藏海拔3000m 以上某地区充电桩接入电网模型。将电网电压的有效值设为110V，设置阻感性负载，将电池侧电压设为60V，直流母线电压设为200V，同时参考充电桩部分参数，见表1。接入电压变换器，设变换器的开关频率为10kHz。

表1 充电桩部分参数

2.2 试验说明

单个充电桩接入电网时，电网的损耗功率会流向充电桩，使电流和电压检测出的波形出现明显的相位偏移。根据表1 设置的充电桩的试验参数，充电桩接入电网但没有进行均衡补偿前的电压电流波形如图5所示。由图5 可知，电压电流出现相位差，即无功电流是由电网流向充电桩的。充电桩接入电网实现均衡补偿后的电压和电流波形如图6所示。

图5 接入电网前电压电流波形

图6 接入电网后电压电流波形

为进一步证明本文设计的高海拔地区充电桩接入电网均衡补偿方法的优越性，采用文献[1]基于小波变换的微电网谐波电流动态补偿方法（方法1）、文献[3]双线圈并联ICPT 系统的分布式补偿电流均衡方法（方法2）作为本文方法的对比方法。接入电网均衡补偿后3 种方法电压电流波形如图7所示。

2.3 试验结果分析

比较上述试验结果可知，使用本文研究的高海拔地区充电桩接入电网均衡补偿方法后，电网电压电流波形几乎一致，说明补偿了充电桩接入电网的功率，并且响应时间短，证明本文设计的方法更好，更具有研究价值。

3 结语

综上所述，高海拔地区充电桩接入电网的均衡补偿方法研究具有重要意义。通过综合分析地理、气候、电网基础设施以及充电桩性能等多方面因素，探索适合高海拔地区的充电桩接入电网的均衡补偿方法。未来的研究将进一步完善充电桩性能评估和仿真分析方法，寻求更优化的充电策略和经济、有效的均衡补偿方案，以期推动电动汽车在高海拔地区的广泛应用和可持续发展。