電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)估方法

張樂(lè)平，許燕灝，胡紅，張子昊

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州市 510080;2.廣東電網(wǎng)公司，廣州市 510080;3.廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué)，廣州市 510735)

0 引言

規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)的電力需求將為電網(wǎng)帶來(lái)壓力和挑戰(zhàn)。關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響已有多篇文獻(xiàn)在不同計(jì)算條件下進(jìn)行了評(píng)估，由于考查案例和計(jì)算方法的不同，關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響出現(xiàn)了不同的結(jié)論。

關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的擔(dān)憂(yōu)，最為突出的是其充電負(fù)荷可能引發(fā)的電網(wǎng)升級(jí)改造需求。關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)對(duì)發(fā)電和輸電影響的研究集中在電動(dòng)汽車(chē)電量和電力需求。文獻(xiàn)［1］指出，若利用低谷時(shí)段充電，美國(guó)現(xiàn)有發(fā)電和輸電能力可滿(mǎn)足73%輕型車(chē)輛的需求。文獻(xiàn)［2］考慮電動(dòng)汽車(chē)傍晚充電和夜間充電2種情景，指出:在傍晚充電情境下，電動(dòng)汽車(chē)將使電網(wǎng)峰值負(fù)荷產(chǎn)生較大增長(zhǎng)，到2030年美國(guó)13個(gè)供電區(qū)域中將有10個(gè)區(qū)域需要新增裝機(jī)以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)電能需求。文獻(xiàn)［3］以澳大利亞珀斯地區(qū)為案例，參照傳統(tǒng)車(chē)輛行駛統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行計(jì)算，指出若該地區(qū)所有乘用車(chē)替換為電動(dòng)汽車(chē)，現(xiàn)有輸電線路和變電站可滿(mǎn)足100%車(chē)輛的需求，但如果不增加該地區(qū)的裝機(jī)容量，需要在負(fù)荷高峰日對(duì)93%的車(chē)輛進(jìn)行管理。關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)對(duì)配電網(wǎng)的影響研究集中在線路和變壓器負(fù)載率、設(shè)備壽命、線損、壓降、可靠性、不平衡和諧波等問(wèn)題的評(píng)估。文獻(xiàn)［4］對(duì)帶有不同數(shù)量電動(dòng)汽車(chē)的變壓器熱點(diǎn)溫度進(jìn)行了計(jì)算，得出嚴(yán)重情況下電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷將使變壓器壽命降低12%。文獻(xiàn)［5］對(duì)某城市生活區(qū)的89條10 kV線路進(jìn)行考查，結(jié)果表明當(dāng)該區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)滲透率達(dá)到20%以上時(shí)，線路末端壓降將出現(xiàn)越限。文獻(xiàn)［6］指出電動(dòng)汽車(chē)充電引起的線損和壓降在進(jìn)行優(yōu)化充電管理后仍不可忽視。

眾多研究表明，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響評(píng)估應(yīng)結(jié)合所考查電網(wǎng)運(yùn)行情況。在發(fā)電和輸電層面，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響與電動(dòng)汽車(chē)的總體數(shù)量以及用戶(hù)行駛和充電的統(tǒng)計(jì)特性有關(guān);而在配電層面，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響還與充電設(shè)施位置分布以及各特定區(qū)域和場(chǎng)所下的用戶(hù)特性有關(guān)。

本文基于電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)，提出規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的指標(biāo)體系。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的隨機(jī)性，建立2個(gè)層次的評(píng)估方法。

1 電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的評(píng)估指標(biāo)和方法

電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)可劃分為安全性、可靠性、優(yōu)質(zhì)性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性、高效性等指標(biāo)［7］，電網(wǎng)運(yùn)行特性取決于電網(wǎng)自身的結(jié)構(gòu)、設(shè)備容量與所帶負(fù)荷特性之間的匹配關(guān)系。規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷將引起現(xiàn)有負(fù)荷特性的改變，進(jìn)而使電網(wǎng)與負(fù)荷的匹配關(guān)系發(fā)生變化，如果電網(wǎng)不對(duì)這種改變進(jìn)行適應(yīng)性的變化，電動(dòng)汽車(chē)將對(duì)電網(wǎng)的各個(gè)指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的影響。

為了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響進(jìn)行分析，本文從發(fā)電、輸電和配電層面對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行了選取，在電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)基礎(chǔ)上，提出電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖1所示。電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)于安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和高效性，另外，電能質(zhì)量也是評(píng)估的重要內(nèi)容之一。

上述對(duì)電網(wǎng)的影響指標(biāo)，考察的是考慮電動(dòng)汽車(chē)前后這些指標(biāo)的變化量，如電壓降的變化幅度。在這些指標(biāo)的評(píng)估中，需要根據(jù)指標(biāo)內(nèi)容的不同設(shè)定不同的考察區(qū)域，如對(duì)發(fā)電和輸電的影響，應(yīng)對(duì)一定區(qū)域的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行整體考察。對(duì)于配電，可以對(duì)一個(gè)城市乃至某一個(gè)供電區(qū)域內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行考察。

根據(jù)評(píng)估范圍、層面和指標(biāo)內(nèi)容的不同，需要建立適當(dāng)?shù)某潆娯?fù)荷計(jì)算模型以及影響評(píng)估方法。對(duì)于發(fā)電和輸電層面，需要衡量電動(dòng)汽車(chē)整體電力需求，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)容量進(jìn)行評(píng)估。此時(shí)，應(yīng)用基于特定充電情形的方法，可以簡(jiǎn)便地對(duì)不同情形下電網(wǎng)的承受能力進(jìn)行評(píng)估［8］，該方法適用于不掌握電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特性的情況，可作為電網(wǎng)影響評(píng)估的前期工作。在一定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的隨機(jī)性［9-10］，本文給出一種總充電負(fù)荷的計(jì)算方法，如圖2所示。在給定條件和隨機(jī)特性下，應(yīng)用蒙特卡羅仿真［11-12］求出1輛電動(dòng)汽車(chē)在1日各時(shí)刻充電負(fù)荷的期望和方差，進(jìn)而得到一定規(guī)模數(shù)量電動(dòng)汽車(chē)在各時(shí)間點(diǎn)總負(fù)荷的期望和方差，疊加電網(wǎng)負(fù)荷曲線后得到負(fù)荷曲線的變化。電網(wǎng)背景負(fù)荷應(yīng)與電動(dòng)汽車(chē)的充電特性在同一時(shí)間和空間尺度劃定，考慮電網(wǎng)負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)特性并得到疊加后負(fù)荷曲線的概率分布。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的指標(biāo)體系Fig.1 Indices of EVs impact on power grid

圖2 規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)總體充電負(fù)荷計(jì)算及系統(tǒng)容量評(píng)估方法Fig.2 Large-scale EVs charging load calculation and system capacity evaluation method

對(duì)于配電網(wǎng)負(fù)載率、線損、壓降等運(yùn)行指標(biāo)，由于電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷在一定區(qū)域內(nèi)具有空間分布特征，對(duì)上述指標(biāo)的評(píng)估需要考慮充電負(fù)荷在配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布，以得到電動(dòng)汽車(chē)對(duì)不同地區(qū)的影響［13］。在特定充電情形下，通過(guò)傳統(tǒng)的確定性潮流計(jì)算可得到各指標(biāo)的結(jié)果。若考慮電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的隨機(jī)特性，需要通過(guò)概率潮流計(jì)算進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)估［10］。本文基于隨機(jī)潮流計(jì)算提出電動(dòng)汽車(chē)對(duì)配電網(wǎng)影響的評(píng)估計(jì)算方法，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)汽車(chē)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行影響的評(píng)估方法Fig.3 Evaluation method of EVs impact on distribution system's operation

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電引起的其他問(wèn)題，包括可靠性、設(shè)備壽命、電能質(zhì)量等，需要在電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷計(jì)算基礎(chǔ)上，建立其他模型和評(píng)估方法，在這些問(wèn)題的評(píng)估中，考慮電動(dòng)汽車(chē)充電的隨機(jī)性有助于得到更加客觀的結(jié)果，如評(píng)估由單相充電機(jī)引起的不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題時(shí)，同時(shí)充電的同時(shí)率將對(duì)三相不對(duì)稱(chēng)度計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。電動(dòng)汽車(chē)充電特性的隨機(jī)性，取決于電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量、充電地點(diǎn)、充電功率、用戶(hù)行為等。

2 案例分析

2.1 規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)整體充電負(fù)荷及其影響

以Nissan Leaf(電池容量為 24 kW·h，每100 km耗電量20 kW·h)為參考車(chē)型。分別考慮電動(dòng)汽車(chē)充電功率為3.5 kW(單相220 V，16 A)、7 kW(單相 220 V，32 A)和 20 kW(三相 380 V，32 A)，充電過(guò)程簡(jiǎn)化為恒功率過(guò)程。假設(shè)用戶(hù)每日進(jìn)行1次充電，關(guān)于用戶(hù)的充電開(kāi)始時(shí)間分布，本文參考了美國(guó)家用車(chē)輛調(diào)查機(jī)構(gòu)對(duì)車(chē)輛最后一次行程結(jié)束時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［14］，以及美國(guó)Idaho國(guó)家實(shí)驗(yàn)室2009年對(duì)67輛家用PHEV(經(jīng)改裝的Toyota Prius)的路測(cè)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果［15］。本文假設(shè)用戶(hù)每次充電都至滿(mǎn)電量，每次充電的電量與用戶(hù)當(dāng)日的行駛里程相關(guān)，同樣分別采用了NHTS及Idaho的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。考慮用戶(hù)行為和充電功率的組合，本文設(shè)定了6種充電情形，如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車(chē)充電情形Tab.1 EVs charging case

依據(jù)圖2所示的方法，按照上述6種充電情形，建立k輛電動(dòng)汽車(chē)的充電負(fù)荷模型，圖4給出了k=100000輛時(shí)，各情形下的整點(diǎn)充電負(fù)荷及誤差區(qū)間。

表2給出最大和最小充電負(fù)荷及其發(fā)生時(shí)刻。

在上述計(jì)算基礎(chǔ)上，以我國(guó)某城市為考察對(duì)象，假設(shè)該城市私人電力汽車(chē)保有量達(dá)到當(dāng)前私人汽車(chē)保有量的25%，在該城市日負(fù)荷曲線基礎(chǔ)上疊加充電負(fù)荷后，電網(wǎng)峰值負(fù)荷的增長(zhǎng)情況如表3所示。

從表3可看出，應(yīng)用不同情形下充電負(fù)荷模型時(shí)，城市電網(wǎng)負(fù)荷增長(zhǎng)為3.01% ～5.24%。電動(dòng)汽車(chē)峰值充電負(fù)荷與原有峰值負(fù)荷在時(shí)間上的相關(guān)性決定了疊加后負(fù)荷的增長(zhǎng)。對(duì)于所考察城市，充電情形III下電動(dòng)汽車(chē)充電引起的負(fù)荷增長(zhǎng)較顯著。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)對(duì)配電網(wǎng)的影響

本文以某住宅區(qū)域的配電網(wǎng)為例，考察充電負(fù)荷引起線路和變壓器負(fù)載率的變化。該地區(qū)主要由1條10 kV饋線供電，帶有6個(gè)居民小區(qū)(約3000戶(hù)居民)以及2個(gè)企事業(yè)單位的部分負(fù)荷，如圖5所示。

圖5 某住宅區(qū)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Distribution network in a residential area

該線路供應(yīng)區(qū)域的私人汽車(chē)保有量約為1200輛。考慮25%的電動(dòng)汽車(chē)保有量，按照表2中充電情形II對(duì)應(yīng)的充電特性，根據(jù)圖3所提供的方法對(duì)該簡(jiǎn)單配電網(wǎng)進(jìn)行了隨機(jī)潮流計(jì)算。線路負(fù)載率的分布如圖6所示，居民小區(qū)2配電變壓器負(fù)載率的分布如圖7所示。

根據(jù)原負(fù)荷曲線樣本，10 kV線路負(fù)載率為33% ～42%，居民小區(qū)2配電變壓器(630 kVA)負(fù)載率為13% ～44%。

計(jì)算結(jié)果表明，增加充電負(fù)荷后，10 kV線路負(fù)載率提高至36% ～46%，居民小區(qū)配變負(fù)載率提高至31% ～60%。

3 結(jié)論

在一定考察范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響可通過(guò)各種電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)得到反映。本文在電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)電、輸電和配電層面提出了電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的評(píng)價(jià)指標(biāo)。基于電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的隨機(jī)特性，提出了電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)影響的評(píng)估方法。按照所提出的規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)整體負(fù)荷計(jì)算方法，計(jì)算了6種充電情形下電動(dòng)汽車(chē)的充電負(fù)荷，并考察了對(duì)某城市電網(wǎng)峰值負(fù)荷的影響。按照所提出的配電網(wǎng)影響評(píng)估方法，以某城市居民區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)為例，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，相比于系統(tǒng)整體負(fù)荷增長(zhǎng)，充電負(fù)荷引起的“本地問(wèn)題”更為顯著。考察區(qū)域越大，得益于充電負(fù)荷的分布特征，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)該項(xiàng)指標(biāo)的影響越不顯著。除電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的隨機(jī)性外，與原有負(fù)荷在時(shí)間和空間上的關(guān)聯(lián)程度也是重要的影響因素。

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