國網(wǎng)江蘇電力有限公司南京供電分公司 袁 蓓 陸柳敏 徐正安

近年來，電動汽車在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，銷量逐年上升。據(jù)統(tǒng)計，僅南京市目前便有充電站點1746個，充電樁22898個。電動汽車的充電模式通常可分為快充和慢充兩種模式，一般情況下，快充是在充電站進行，用于滿足用戶迅速補充電能，但充電功率較大對電動汽車的電池有一定損害。因此，一版電動私家車多以慢充的模式進行充電。而當(dāng)電動汽車進行慢充時，通常是通過分散式充電樁直接接入低壓配電網(wǎng)。

配電變壓器是低壓配電網(wǎng)中最重要的配電設(shè)備，隨著電動汽車規(guī)?；尤肱潆娋W(wǎng)，充電負荷需求也會隨之增大，將會對配電變壓器的安全經(jīng)濟運行帶來挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)電動汽車規(guī)模發(fā)展到一定程度，有必要在規(guī)劃配電變壓器的新建和擴容改造時考慮充電負荷的需求及其負荷特性。因此，了解電動汽車充電負荷特性，可以發(fā)揮其在配電網(wǎng)系統(tǒng)中削峰填谷、消納可再生能源等積極關(guān)鍵的作用；分析充電對配電網(wǎng)的影響，利于及時制定相關(guān)的策略或措施來應(yīng)對，防患于未然，保證客戶可靠用電。

1 充電負荷特性研究

充電負荷特性諸多影響因素有關(guān)，各因素直接具有隨機性和關(guān)聯(lián)性，在此按出行功能可分為私家車、公交車、出租車和公務(wù)車等類型。隨著電動汽車正在快速發(fā)展，預(yù)計2030年的各類電動汽車數(shù)量是2020年的5-6倍，其中私家車數(shù)量最多，達到4744.41-5835.3萬輛，這樣大規(guī)模的接入電網(wǎng)充電，將會對配電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的沖擊[1]，因此研究充電負荷特性對于未來的電力規(guī)劃和建設(shè)具有重大意義，同時，也為入網(wǎng)充電制定相關(guān)的策略，實現(xiàn)供用電雙方利益的最大化。

在影響電動汽車負荷特性因素中，可分為起始充電時間、充電功率以及日行駛里程等三個方面。針對起始充電時間，充電集中時間段由決定起始充電時間，借鑒某市對電動汽車進行了實地調(diào)研的過程中，繪制的當(dāng)?shù)爻潆姇r間分布，如圖1所示[1]。從圖中可以看出：充電負荷會因為始充電時間的不同集中在不同時間段；同一類型的電動汽車充電負荷因出行目的不同在工作日和節(jié)假日也存在著差異。

圖1 各類電動汽車充電時間段分布圖

針對不同出行需求，車主的充電時間長短不同，例如白天運營的公交車和出租車只允許短時間的停留，所以需要在短時間內(nèi)將電池充滿，而私家車一般夜間不會使用，有充足的時間進行小功率充電。國家標(biāo)準(zhǔn)中對交流和直流電壓電流規(guī)定如下[2-3]。

交流充電接口的額定值為，額定電壓250V，額定電流10/16/32A；額定電壓440V，額定電流6/32/63A；額定電壓750/1000V，額定電流80、125、200、250A。

針對日行駛里程，在每公里平均消耗電能一定的情況下，行程決定了用電量。目前，電動汽車日行程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)尚不完善，電動汽車行駛規(guī)律與燃油車相似[4]，所以可以將燃油車日行駛里程數(shù)運用到電動汽車上。

2 充電負荷建模及無序充電對低壓配電網(wǎng)影響

2.1 基于出行鏈的充電負荷建模及無序充電對配電網(wǎng)的影響

2.1.1 電動汽車充電負荷的時空分布模型

在分析充電負荷特性及研究充電負荷對配電網(wǎng)影響過程中，必須首先建立電動汽車充電負荷的時空分布模型。其中，電動汽車的充電需求與其出行規(guī)律緊密相關(guān)，需要準(zhǔn)確描述電動汽車的日常出行特征。目前，研究電動汽車出行時空分布特性的方法主要有交通起止點、停車生成率法、出行鏈理論和分析法等。鑒于出行鏈的概念可以相對準(zhǔn)確地描述汽車的日常出行規(guī)律，結(jié)合從NHTS2017[5]數(shù)據(jù)庫中獲取得到的汽車出行統(tǒng)計信息，因此本文將基于出行鏈的概念對電動汽車出行的時空分布特性進行統(tǒng)計分析。

在NHTS2017數(shù)據(jù)庫中，電動汽車的出行目的分為回家、工作、購物/辦事、社交/娛樂和其他等5類。電動汽車的出行習(xí)慣決定了其行駛1及停駐情況，進一步影響汽車耗電量、可能充電地點和允許充電時段。同時，電動汽車的充電行為習(xí)慣則直接決定了充電負荷需求的時空特性。在“一日一充”的模式下，電動汽車用戶每天對電動汽車充電，且每次都將電池充滿以保證第二天出行需求。而“一日多充”模式下，電動汽車用戶一般在行程中在充電點暫時停留進行充電，一般是公共停車場或集中充電站。圖2統(tǒng)計了電動汽車起始充電時的荷電狀態(tài)，可以看出電動汽車用戶對于“低SOC”的判斷是相對保守的，并大致服從正態(tài)分布[6]。

圖2 充電起始荷電狀態(tài)統(tǒng)計

根據(jù)上文對于電動汽車充電行為的分析，文本主要考慮居民區(qū)為主的充電場景。在此情況下，充電頻次為“一日一充”和“多日一充”，即車主每天在行程結(jié)束后，根據(jù)電動汽車荷電狀態(tài)來判斷是否需要對電動汽車充電。

2.2 電動汽車充電對低壓臺區(qū)的影響

需要指出的是，本文中所述低壓配電網(wǎng)定義為380/220V 的低壓臺區(qū)，區(qū)域中主要以居民負荷為主。電動汽車充電對于低壓臺區(qū)的影響主要分為電壓偏差、諧波電流損耗與網(wǎng)絡(luò)損耗以及配電變壓器容量規(guī)劃等方面。

2.2.1 諧波危害

由于充電樁是一種非線性負荷，其接入會給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重諧波污染。主要表現(xiàn)在增加電氣設(shè)備的額外損耗、供電設(shè)施線路的損壞率增加以及低壓臺區(qū)線損率升高等等。

2.2.2 電壓偏差

由于現(xiàn)階段大部分零散式充電樁屬于居民申請安裝在小區(qū)公共停車區(qū)域，使用電價為開通分時的為民居電價，因此，大量充電負荷將轉(zhuǎn)移至用電低谷時段，與原本的基礎(chǔ)用電曲線疊加下，會對原本配網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，造成電壓偏差。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)損耗

一般情況下，充電負荷的波動越大，網(wǎng)損率越高，即當(dāng)一天的充電電量相同的情況下，充電的負荷波動越大，網(wǎng)絡(luò)損耗越多。意味著在相同充電量的情況下，需要保持充電需求曲線的平穩(wěn)，盡量避免充電負荷曲線出現(xiàn)大幅波動，以減小此類負荷帶來的網(wǎng)絡(luò)損耗[7]。

2.2.4 配電變壓器容量規(guī)劃

在考慮充電負荷對配電變壓器負載率和負荷率的影響時，因為配電變壓器是低壓臺區(qū)中最重要的配電設(shè)施之一，其負載率和負荷率直接影響配變運行的安全性和經(jīng)濟性。配變負載率可以衡量配電變壓器剩余容量裕度狀態(tài)，判斷變壓器是否過載。

配變負載率表達式如式（1）所示。

3 計及電動汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法

下面，假設(shè)以某市某個普通居民區(qū)作為低壓臺區(qū)的代表，研究電動汽車充電負荷對配變負載率和配變負荷率的影響。該低壓臺區(qū)由一臺配電變壓器供電，配變的容量為500kVA，功率因數(shù)為0.9。臺區(qū)內(nèi)共有150戶居民用戶，當(dāng)電動汽車數(shù)量分別為50輛、100輛、150輛時，計算其對應(yīng)的充電負荷并疊加到居民負荷上，最后得到的配變?nèi)肇摵汕€如圖3所示。

圖3 不同電動汽車數(shù)量下的配變?nèi)肇摵汕€

對不同電動汽車數(shù)量下的配變負載率和配變負荷率進行計算，結(jié)果如下。

不同電動汽車數(shù)量下的配變負載率和負荷率：電動汽車數(shù)量0輛，配變負載率80.0%，配變負荷率60.1%；電動汽車數(shù)量50輛，配變負載率89.2%，配變負荷率58.1%；電動汽車數(shù)量100輛，配變負載率98.4%，配變負荷率56.5%；電動汽車數(shù)量150輛，配變負載率107.6%，配變負荷率55.2%。

根據(jù)結(jié)果可知，隨著低壓臺區(qū)內(nèi)電動汽車數(shù)量增加，臺區(qū)內(nèi)配變負載率顯著升高；同時，配變負荷率下降。當(dāng)?shù)蛪号_區(qū)內(nèi)的電動汽車的數(shù)量達到150輛時，配變負載率將從接入充電負荷前的80%上升到107.6%，出現(xiàn)過載[8]。因此，電動汽車無序充電會造成低壓臺區(qū)配變負載率升高及配變負荷率下降，從而造成配電變壓器的安全性和經(jīng)濟性下降。

由于配電變壓器所服務(wù)的低壓臺區(qū)主要由居民負荷組成，在預(yù)測負荷需求過程中，一般采用需要系數(shù)法進行計算。

使用需要系數(shù)法進行居民負荷預(yù)測的計算公式如式（2）所示。

式中，Ppre表示預(yù)測的臺區(qū)最大負荷需求，Kx表示需要系數(shù)，Ptoc為臺區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的總?cè)萘?。確定配變參數(shù)時，包括選取配變?nèi)萘亢团渥償?shù)目。在民用建筑中，配變?nèi)萘看笮】梢杂檬剑?）所示：

式中，ST為配電容量，β 為配變負載率，cosφ為補償后的平均功率因數(shù)。

在常規(guī)的配電變壓器容量規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，本文針對居民區(qū)為主的低壓臺區(qū)，提出了計及電動汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法。

首先估計低壓臺區(qū)內(nèi)的電動汽車數(shù)量。由百戶汽車保有量和電動汽車滲透率，計算出低壓臺區(qū)內(nèi)的電動汽車保有量水平。再由電動汽車滲透率，計算得到電動私家車保有量。

低壓臺區(qū)的電動汽車保有量可以由式（4）得到：

接下來，對低壓臺區(qū)內(nèi)電動汽車的充電負荷特性進行描述。同時，根據(jù)低壓臺區(qū)內(nèi)居民用戶的組成情況，用需要系數(shù)法對臺區(qū)內(nèi)的居民負荷進行估算。

4 計算驗證

低壓臺區(qū)以居民負荷為主，因此本文以居民區(qū)為研究對象，對本文所提出的計及電動汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法進行計算分析。

在算例中，參考文獻[9]對各類居民區(qū)的配變負載率進行選取，得到了不同檔次居民區(qū)在不同的電動汽車發(fā)展情況下，配電變壓器的容量規(guī)劃結(jié)果，具體如表1所示。

表1 各類居民區(qū)配變?nèi)萘恳?guī)劃結(jié)果[7]

5 結(jié)語

本文針對分散式充電樁大規(guī)模接入對低壓配電網(wǎng)造成的影響進行了分析，提出了一種考慮分散式充電樁接入的配電變壓器容量規(guī)劃方法。在研究充電負荷特性的基礎(chǔ)上，對充電負荷進行了建模。同時，分析了無序充電情況下充電負荷對低壓配電網(wǎng)的影響。以居民區(qū)為研究對象，對本文所提出的計及電動汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法進行計算分析。結(jié)果表明，電動汽車的發(fā)展規(guī)模和充電行為將會對配電變壓器的規(guī)劃結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。隨著電動汽車滲透率的擴大，配變?nèi)萘啃枨笠搽S之增大；接入對不同檔次居民區(qū)的配變?nèi)萘恳?guī)劃結(jié)果影響也有區(qū)別，對高檔居民區(qū)的影響相對而言更大；電動汽車的有序充電有利于減小配變?nèi)萘啃枨蟆?/p>