龐成宇，盧 軍，屈夢(mèng)然

（1.三峽大學(xué) 科技學(xué)院，湖北 宜昌443000；2.宜昌三峽送變電工程有限責(zé)任公司，湖北 宜昌443000；3.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443000）

0 引 言

能源問題、氣候問題、經(jīng)濟(jì)問題引發(fā)了各國政府和汽車制造商探索電動(dòng)汽車技術(shù)的熱潮，以此來削減普通汽車尾氣排放問題，減弱對(duì)化石燃料的依賴。據(jù)加拿大環(huán)境能源部調(diào)查，溫室氣體每年總排放量中有近12%來自于汽車［1］。那么，插電式電動(dòng)汽車（PEVs）的興起將會(huì)顛覆整個(gè)能源結(jié)構(gòu)，不僅會(huì)減少溫室氣體的排放，更重要的是由于化石燃料不足所引發(fā)的全球能源問題也會(huì)有所緩解。所以，電動(dòng)汽車作為新型能源發(fā)展方向之一，是我國新能源發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注和投資的關(guān)鍵組成部分，也是汽車工業(yè)的發(fā)展方向。

規(guī)?；妱?dòng)汽車接入電網(wǎng)充電勢(shì)必會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生不可估量的影響。充電負(fù)荷反映了電動(dòng)汽車對(duì)電力系統(tǒng)的影響，電動(dòng)汽車對(duì)電力系統(tǒng)的影響又是通過集中式負(fù)荷來體現(xiàn)；同時(shí)，這種影響的后果高度依賴于充電負(fù)荷的充電特性。文獻(xiàn)［2］提出基于電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)充電數(shù)量的隨機(jī)因素的不同類型電動(dòng)汽車充電負(fù)荷需求的概率模型；文獻(xiàn)［3］建立了計(jì)及電動(dòng)汽車充電的隨機(jī)性和分散性模型，引入充電暫態(tài)性的研究；文獻(xiàn)［4］提出從節(jié)點(diǎn)電壓偏移和網(wǎng)絡(luò)功率損耗兩方面引入三相概率潮流模型，建立配電網(wǎng)承載能力評(píng)估體系。

本文考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷影響因素，提出了基于數(shù)學(xué)概率模型的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算方法，統(tǒng)計(jì)得到電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線。最后，定性分析了電動(dòng)汽車規(guī)?；\(yùn)用對(duì)原始負(fù)荷曲線的影響。

1 私家車的用電行為及充電方式分析

1.1 電動(dòng)汽車用電行為的特點(diǎn)

目前來說，電動(dòng)汽車的類型、電池技術(shù)的發(fā)展、充電方式的應(yīng)用、充電設(shè)施的規(guī)劃、電價(jià)政策的制定以及商業(yè)模式的運(yùn)作等多種因素都會(huì)影響電動(dòng)汽車的用電行為［5］。因此，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)階段的電動(dòng)汽車主要用電行為一般分為無序用電、政策引導(dǎo)用電和智能用電三種類型［5］。（1）無序用電：通過無規(guī)劃的“即插即用”、按照車輛自然的行駛特性將電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)，通常在每天的最后一次出行結(jié)束后或者車輛沒電時(shí)立即充電，屬于隨機(jī)負(fù)荷。（2）政策引導(dǎo)用電：根據(jù)制定相關(guān)政策法規(guī)，采用分時(shí)電價(jià)方案，積極引導(dǎo)用戶在谷段電價(jià)時(shí)段實(shí)施充電，從而轉(zhuǎn)移負(fù)荷高峰，起到“削峰填谷”作用。（3）智能用電：以總負(fù)荷波動(dòng)最小化為約束條件，通過控制電動(dòng)汽車充電時(shí)間將充電負(fù)荷從高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段。

由于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)在我國進(jìn)一步發(fā)展，逐步完善了充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、相關(guān)監(jiān)管制度以及商業(yè)模式。在短中期階段（2015～2020年），電動(dòng)汽車用電行為主要以無序用電和政策引導(dǎo)用電為主，從長期階段（2020～2030年）來看，電動(dòng)汽車用電行為主要是政策引導(dǎo)用電和智能用電［7］。

1.2 電動(dòng)汽車充電方式及特點(diǎn)分析

目前，我國電動(dòng)汽車是以換電、慢充和快充3種充電方式為主。其中，換電方式主要運(yùn)用于電池集中充電站內(nèi)，經(jīng)過配置電池集中箱充電機(jī)為批量動(dòng)力電池進(jìn)行充電，相應(yīng)的，給用戶更換充電電池則是通過換電機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)，平均充電換電時(shí)間為5～10 min。慢充方式主要應(yīng)用于居民區(qū)停車場(chǎng)、公交車停車場(chǎng)等固定場(chǎng)所。慢充方式所服務(wù)的對(duì)象不具有較強(qiáng)的流通性，通常由220 V交流電源直接供電，充電時(shí)間為6～10 h?？斐浞绞酵ǔＳ?80 V交流電源直接供電，為了滿足1 h內(nèi)達(dá)到80%的電能補(bǔ)給的要求，這種充電方式呈現(xiàn)出充電電流大、充電功率高的特點(diǎn)，一般運(yùn)用于緊急充電場(chǎng)景。

2 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算方法

2.1 分析電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的影響因素

車輛數(shù)、電池特性、行駛規(guī)律和充電模式等因素都會(huì)影響電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷。

針對(duì)動(dòng)力電池特性，本文對(duì)私家電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的計(jì)算作以下假設(shè)：

（1）私 家 電 動(dòng) 汽 車 單 位 耗 電 量 為15 kWh／100 km；

（2）充電功率視為恒定值，并且每次充電直至充滿為止；

（3）假設(shè)所有電動(dòng)汽車均不采用有序充電調(diào)控措施，即在一天內(nèi)最后一次出行返回后開始充電；

（4）電動(dòng)汽車日行駛里程及充電開始時(shí)間等參數(shù)之間相互獨(dú)立。

恒功率充電參數(shù)見表1。其中，充電容量是按照電動(dòng)汽車當(dāng)日行駛里程，換算成電動(dòng)汽車每100 km耗電量計(jì)算得到所需充電量，計(jì)算公式為

式中，L 為當(dāng)日行駛里程，km；Q100為每100 km耗電量。

表1 2類車型充電功率與每100 km耗電量參數(shù)

行駛規(guī)律主要包括2部分，第一是每日行駛結(jié)束時(shí)間即到家時(shí)刻，也是開始充電時(shí)間；第二是日行駛里程，根據(jù)車輛的日行駛里程數(shù)，通過公式（1）可得出所需的充電電量。依照大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可得，每天的行駛結(jié)束時(shí)刻近似滿足正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為［8］：

式中，μs取17.6，σs取3.4。

同樣根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得出日行駛里程L近似滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其對(duì)應(yīng)的概率密度函數(shù)為［9］：

式中，μD取3.2，σD取0.88。

根據(jù)車輛的日行駛路程和電池的參數(shù)情況可以算出車輛返回充電時(shí)的初始荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）：

式中，E100、B分別表示電動(dòng)汽車的百公里耗電量和電池容量；Sq為電動(dòng)汽車當(dāng)日第一次出門時(shí)的電量，也是用戶每次充電結(jié)束時(shí)的期望電池荷電狀態(tài)。

根據(jù)電動(dòng)汽車的起始SOC和用戶期望的充電結(jié)束時(shí)的電池電量，計(jì)算得出電動(dòng)汽車所需的充電時(shí)長t：

式中，P表示電動(dòng)汽車電池的充電功率。

2.2 基于蒙特卡洛的充電負(fù)荷計(jì)算方法

電動(dòng)汽車充電負(fù)荷測(cè)算模型是以—天為時(shí)間尺度，將一天按照每一分鐘分為1 440個(gè)點(diǎn)。那么每一分鐘的充電負(fù)荷可表示為［10］：

式中，Li為第i分鐘電動(dòng)汽車總充電功率；N為電動(dòng)汽車規(guī)模數(shù)量；Pn，i為第n輛電動(dòng)汽車在第i分鐘的充電功率。

假設(shè)電動(dòng)汽車結(jié)束日行駛里程后立即接入電網(wǎng)開始充電。將電動(dòng)汽車的保有量、性能參數(shù)、充電行為的發(fā)生概率分布、起始SOC分布等電動(dòng)汽車信息輸入到程序中。運(yùn)用蒙特卡洛法模擬計(jì)算充電負(fù)荷，得到一天內(nèi)的充電負(fù)荷曲線。圖1所示為充電負(fù)荷計(jì)算流程圖。

基于上述電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模擬法，假設(shè)此時(shí)電動(dòng)汽車充電功率為3 kW，運(yùn)用圖1所示的計(jì)算流程得到了大規(guī)模電動(dòng)汽車充電時(shí)，一天內(nèi)每輛車的平均充電負(fù)荷曲線，如圖2所示。

3 搭建居民小區(qū)配電網(wǎng)

本文選用M市一普通小區(qū)A作為仿真對(duì)象，該小區(qū)是一個(gè)城中央江景高檔次綜合體項(xiàng)目。該小區(qū)共有住宅637套，變壓器配置系數(shù)不小于0.5，變壓器總配置容量2 690 kVA。

現(xiàn)利用Matlab中Simulink搭建該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該配電網(wǎng)有2個(gè)電壓等級(jí)，分別為10 kV和0.4 kV。電源側(cè)為一個(gè)10 kV主供電源及一個(gè)10 kV備供電源供電，采用環(huán)路、多端供電模式，保證可靠、不間斷供電，分別用Source1、Source2表示。

該小區(qū)共有5個(gè)單元，每個(gè)單元住宅類型及相應(yīng)套數(shù)、變壓器容量配置如表2所示。

圖1 計(jì)算充電負(fù)荷的流程圖

圖2 單臺(tái)電動(dòng)汽車的平均充電負(fù)荷曲線

表2 每個(gè)單元住宅類型及相應(yīng)套數(shù)、變壓器容量配置

表3 變壓器容量規(guī)格

圖3 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

4 無序充電對(duì)配電網(wǎng)影響的仿真

對(duì)于規(guī)模化無序充電負(fù)荷，首先采用基于蒙特卡洛模擬的充電負(fù)荷計(jì)算方法考慮電動(dòng)汽車滲透率分別為5%、10%和15%時(shí)的充電負(fù)荷曲線圖，然后將其分別疊加至背景負(fù)荷中，現(xiàn)假設(shè)每戶擁有1輛汽車。對(duì)隨機(jī)的1個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，將考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷后的負(fù)荷曲線按每30 min為步長進(jìn)行取值記錄，則對(duì)于每一種滲透率情況把1天分成48個(gè)時(shí)間點(diǎn)來記錄。得到電動(dòng)汽車規(guī)?；瘧?yīng)用對(duì)負(fù)荷曲線的影響如圖4所示。

圖4 不同電動(dòng)汽車滲透率下的該小區(qū)總負(fù)荷曲線

由圖4可以看出，電動(dòng)汽車接入后將整體抬升小區(qū)配電網(wǎng)用電負(fù)荷，且17：00～23：00用電負(fù)荷增加明顯，這是由用戶的使用習(xí)慣造成的，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候正好是下班高峰期。這樣一來，不僅對(duì)原始負(fù)荷沒有辦法削峰填谷，反而大大增加了負(fù)荷的波動(dòng)。因此，考慮配電網(wǎng)規(guī)劃問題時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷同時(shí)率的研究至關(guān)重要。

5 結(jié) 論

本文通過調(diào)查私家車的用車習(xí)慣、模擬用車規(guī)律，擬合出日行駛里程概率分布圖及日行駛結(jié)束時(shí)刻概率分布圖，得到單臺(tái)電動(dòng)汽車的平均充電負(fù)荷曲線，再基于蒙特卡洛模擬法得到多臺(tái)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線。通過搭建實(shí)際配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，考慮不同滲透率下的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷仿真。仿真結(jié)果表明，在無序充電模式下，電動(dòng)汽車的滲透率越高，會(huì)加大電網(wǎng)負(fù)荷曲線的峰谷差，因此會(huì)對(duì)小區(qū)臺(tái)變及配網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性帶來不利影響，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)產(chǎn)生負(fù)面干擾。因此，在考慮電動(dòng)汽車發(fā)展的城網(wǎng)負(fù)荷特性分析時(shí)，對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷同時(shí)率的研究至關(guān)重要。