電動汽車充放電對電網的影響分析

張海燕，李建偉

（1.廣東電網韶關供電局，廣東韶關 512000；2.池州供電公司，安徽池州 247000）

1 前言

隨著能源日益緊張，低碳時代的到來，電動汽車（electric vehicles，EV）應運而生。在 2012年兩會開幕之際，《科技日報》授權發布了《電動汽車科技發展“十二五”專項規劃（摘要）》，明晰了我國電動汽車的發展方向。“純電驅動”將成為我國電動汽車技術的發展方向，會更加注重以充換電站為核心的能源供給基礎設施建設，力求早日實現我國電動汽車產業的商業化運營。電動汽車使用電力來代替傳統的用石油對汽車進行驅動，可以緩解能源緊張的趨勢，減少溫室氣體的排放。預計到2020年和2030年我國汽車中乘用車保有量將會達到1.5億輛和2.5億輛的規模，這些車輛全部使用電力驅動的情況下，所使用電量分別為電網總發電量的6%和7%。隨著智能電網建設的快速推進，未來電動汽車的車載電池將會承載智能電網移動儲能單元的功能。在電網峰荷時段向電網輸送電能，電網低谷期間由電網向電動汽車的車載電池充電，能夠降低電網的峰谷差，對電網起到“填谷”作用，提高發電設備的綜合利用率，起到節能減排的效果［1-3］。在無經濟利益和政策引導的情況下，大規模電動汽車無約束的充電勢必會對配電網的運行、規劃等方面產生巨大的影響。因此，了解電動汽車充放電技術，分析研究電動汽車充電對電網的影響對智能電網的建設具有重要的現實意義。

2 電動汽車充放電模式

電動汽車充放電技術主要有單向無序電能供給模式，單向有序電能供給模式與雙向有序電能轉換模式3種。

2.1 單向無序電能供給模式

單向無序電能供給模式（vehicles plug-in without Logic／control，VOG） 是指電動汽車接入電網即充電的模式。VOG是目前電動汽車充電常見的方式，將電動汽車（如電動公交車、機場擺渡車等）的車載電池作為普通用電設備接入電網進行充電，這種模式的充電設備主要采用單向變流技術，目前VOG充電技術裝備已經成熟且市場化。

VOG無需與電網能量管理系統通信，充電與否由車主掌控，如果大量的電動汽車無序充電勢必會增加電網的調峰難度。

2.2 單向有序電能供給模式

（1）TC模式

TC（timed charging）模式是指電動汽車充電在給定的時間進行，這種模式通過控制開始充電的時間來實現錯峰充電，避免了電動汽車在電網負荷高峰時段充電對電網的影響，還能讓用戶享受低谷電價帶來的經濟效益。但是其控制方式簡單，不能根據實時電價或電網的峰谷狀態自動的掌控充電過程。TC模式的充電設備也是單向變流技術，不需要與電網進行實時通信。

（2）V1G模式

V1G（vehicles plug-in with Logic／control regulated charge）模式是指電動汽車充電受電網控制，電動汽車與電網間實時通信，可在電網允許的時段進行充電。這種模式能夠最優化安排電動汽車充電，提高了電網的利用效率，減少了電動汽車充電對電網的影響。但是在V1G模式下，電動汽車不能向電網輸送電能。

2.3 雙向有序電能轉換模式

雙向有序電能供給模式（vehicles plug-in with Logic／control regulated charge／discharge，V2G）是指電動汽車能夠與電網的能量管理系統進行通信，并受其控制，進而電動汽車的車載電池可以與電網之間實現能量轉換（充電或者放電）。在V2G模式下，電動汽車的車載電池將會承載電網移動儲能設備、備用電源的功能［4］。目前，國外發達國家正在進行V2G的相關研究及示范工作。V2G模式需要先進的電網通信、調度、控制與保護技術的支撐。

3 電動汽車充放電設備與管理系統

電動汽車充放電是智能電網與用戶雙向互動的，其互動的內容主要包括電網電價、電網運行狀態、車輛能量狀態以及計費信息等。電動汽車通過充放電設備與電網相連，實現電能的雙向流動，但隨著電動汽車使用數量的不斷增加，及其分布分散的特點，僅由智能電網雙向互動服務系統與電動汽車通信并控制其充放電操作難以實現，因此需在智能電網雙向互動服務系統與電動汽車之間增加電動汽車充放電管理系統來實現電動汽車與電網之間的信息互動，并根據雙方需求進行優化控制電動汽車的充放電操作［5］。電動汽車充放電過程電能與信息互動如圖1所示。

3.1 電動汽車充放電設備

圖1 電動汽車充放電過程電能與信息互動

電動汽車充放電設備主要包括：①為帶有車載充放電機的小型電動乘用車服務的交流充放電樁；②為公交、環衛、郵政等公共服務車輛服務的直流充放電機。主要完成對電動汽車的充放電操作。

（1）交流充放電樁

交流充放電樁主要為帶有車載充放電機的小型電動乘用車服務，分散地安裝在低壓配電網中，將電動乘用車與智能電網連接后，交流充放電樁具有智能充放電控制功能，能夠與充放電管理系統及電動汽車通信，實時掌握電網的運行狀態以及電動汽車的儲能情況，智能的控制電動汽車車載充放電機適時的進行充放電操作，在電網低谷時段或電動汽車有剛性充電需求時，對電動汽車的車載動力電池進行充電；在電網高峰時段并且電動汽車的車載動力電池電能有富余時，由車載充放電機通過交流充電樁為電網供電。

交流充放電樁的主要功能包括：①與充放電管理系統通信；②具備手動設置定電量、定時間、自動充放電等功能；③具備遠程接受充放電管理系統控制，自動進行充放電，雙向計量計費的功能；④具備完善的安全防護功能，包括具備急停開關、輸出側的剩余電流保護與過流保護、孤島保護等功能；⑤人機交互功能。

（2）直流充放電機

公交、郵政、救護、環衛等社會公共用車具有行駛區域和行駛里程相對穩定、停車場地固定，適宜在停車場所建設集中充放電站。由于社會公共服務用車車載電池容量很大，充電功率也很大，因此適宜采用地面直流充放電機對其進行充放電操作。由于充放電站的集中性，可在站內配置充放電管理系統，統籌安排站內電動汽車的充放電操作。

直流充放電機主要功能包括：①與動力電池管理系統通信，用于判斷電池類型，獲得動力電池系統參數以及充電前和充電過程中動力電池的狀態參數；②與充放電管理系統通信，上傳充電機和動力電池的工作狀態、參數、故障報警燈信息，接受控制命令；③依據動力電池管理系統提供的數據，動態調整充電參數，安全智能的完成充電過程；④具有人機交互功能，能夠顯示包括電池類型、充放電模式、充放電電壓和電流等信息；⑤具有手動設定權限內的參數以及出現故障時有提示相應信息的功能；⑥雙向計量計費的功能；⑦具備完善的安全防護功能，包括具備急停開關、輸出側的剩余電流保護與過流保護、孤島保護功能等；

3.2 電動汽車充放電管理系統

電動汽車充放電管理系統，不僅通過充放電設備與電動汽車通信，還與智能電網相關的系統通信，綜合采集電動汽車與電網的實時狀態參數，根據雙方的需求合理控制電動汽車的充放電操作。電動汽車充放電管理系統既可以統一調度管理同一停車區域的交流充放電樁，也可以統一調度管理某一個集中充放電站內的直流充放電機。

電動汽車充放電管理系統的主要功能包括：①與相關系統及設備通信功能。與充放電設備通信，準確地向充放電設備發送控制命令，統籌調度充放電操作；與動力電池管理系統通信，了解電動汽車（電池）的當前狀態，適宜充電還是放電以及可以接受的充電或放電的功率；與智能電網通信，獲取電網當前運行狀態，為調度電動汽車充放電操作提供依據。②人工及自動充放電管理功能。通過人機界面控制充放電設備，進行充放電操作。綜合電動汽車及電網狀態信息，動態執行充放電策略，實現合理優化的雙向電能流動。③對充放電設備、車載動力電池相關電壓、電流、電池荷狀態等數據進行實時采集。④充放電故障報警記錄功能。單體電池內阻超限報警，電壓超高、超低報警失電和故障報警并自動記錄各種故障與報警的內容與時間。

4 電動汽車充放電對配電網的影響

隨著電動汽車的推廣普及，將會大量建設由多臺直流充放電機構成的集中充放電站以及廣泛分布在各類停車場所的交流充放電樁，逐步形成完善的電動汽車充放電設施。充放電設施規模的不斷擴大，它們對配電網的影響主要表現在以下幾個方面。

4.1 隨機性的快速充電對電網負荷的沖擊

隨著電動汽車技術的不斷成熟，電動汽車將會大規模的進入人民生活。如果采用100A以上的快速充電為電動汽車進行隨機的電能補充，單車的快速充電功率將達到數百千瓦以上。假若在某一時刻多個快速充電行為同時進行，將會對當地的配電網產生極大的功率沖擊，引起該地區配電網的局部過負荷問題，對電網造成不利影響［6］。所以在電動汽車普及過程中應對電動汽車使用者進行正確引導，合理安排充電時間。隨著儲能技術的發展，可以考慮將儲能充電站在低谷時段存儲的電能為電動汽車提供臨時性的電能快速補充，既能滿足電動汽車的充電需求，又可避免快速充電對電網帶來的負荷沖擊。

4.2 對電能質量的影響

由于電動汽車采用電力電子型設備進行雙向變流充放電操作，易產生諧波，造成諧波污染，給電網帶來電能質量問題，需要對電動汽車充放電設備的諧波等技術指標進行嚴格控制［7］。針對充電設備帶來的諧波污染等問題，可以總結出以下對策［8］：① 貫徹執行與諧波相關的國家標準，從總體上控制供電系統諧波水平。②增加換流裝置的相數，換流裝置是主要的諧波源之一，當脈動數由6增加到12時，可以大大降低諧波電流有效值。③增裝無功補償裝置，提高系統承受諧波的能力。④加裝濾波裝置。對諧波污染可采用就地治理的辦法，在充電站就地完成諧波治理工作，未來的充電站建設可能越來越多地應用綠色充電機（充電過程中能夠有效抑制諧波且功率因數較高的充電機）治理諧波。

4.3 對電網規劃的影響

電動汽車普及以后，在每天的負荷高峰時段，電動汽車車載電池存儲的能量將作為分布式電源按電網需求向配電網供電，由于電動汽車的數量巨大，且具有移動性和分散性的特點，因此電動汽車充放電設施將對電網規劃中的配電容量設置、配電線路選型等產生巨大影響。配電網規劃變得較為困難［9］，主要表現為：電動汽車隨機性地接入電網充電會影響系統的負荷預測，使原有的配電系統的規劃面臨更大的不確定性，難以確定后期的系統規劃。

未來，大量的電動汽車將會借助完善的電動汽車充放電設施與配電網緊密連接，通過智能充放電操作在配電網側顯著的平抑電網負荷、頻率波動，極大地降低電網調峰、調頻的需求，降低電網峰谷差，提高電網負荷率，降低電網備用發電容量需求，顯著改變電網運行方式。因此，需要在電網規劃中考慮相關影響［10］。

4.4 對配電網調度和繼電保護的影響

傳統配電網的受端是無源的輻射狀電網，其信息采集、配電調度等相對比較簡單，但未來電動汽車的車載電池將承載智能電網移動儲能單元的功能，不利于調度員的準確的負荷預測，配電的調度過程也會復雜化，增加了監控與調度的難度［11］。同時，由于電動汽車能夠實現能量在車載電池與電網之間的轉換，將使得傳統輻射狀供電模式的配電網發生根本性變化，潮流不再單向地從變電站母線流向用戶負荷，配電網各種保護定值與機理也將隨之發生變化。繼電保護的設計也將因此變得較為復雜，配合不好將會導致保護誤動，降低可靠性。

4.5 對配電設備的影響

電動汽車的大規模使用，充放電的隨機性將引起負荷的瞬變，給配電容量配置、配電線路選型、繼電保護配合等帶來了很大困難，直接影響配電設備使用的經濟性、安全性和壽命。為滿足充電高峰時短時間的充電功率需求，需要配置高等級的配電容量，而在充電需求低谷時，會因配電設備的利用效率不高，造成資源浪費。

4.6 對電網交易的影響

電動汽車不僅可以從電網獲得能量補給，還能向電網供電，起到提供調峰、調頻、負荷響應等輔助服務的功能，因此電網與電動汽車交易模式將由單向變成雙向，由簡單變復雜，需要更加先進、智能的電力市場交易技術來支撐。

5 結束語

綜上所述，隨著能源的日益緊缺，電動汽車必然會迅速發展，大量電動汽車的充電行為將給電網帶來較大影響，而電動汽車的儲能特性也將為電力系統的安全經濟運行提供了新的機遇。從負荷平衡的角度來看，電動汽車使用和充電的時間特性具有削峰填谷的作用，因此對電網的影響有其積極的一面。電動汽車充電的群聚效應對配網局部將產生較大的影響，仍有待進一步深入研究，以減少電動汽車普及給電網帶來的影響。為適應電動汽車的發展，我國對充電設施的建設非常迅猛，但缺乏成熟的理論和方法來規劃充電站的布點和容量。從電動汽車充電未來的發展趨勢來看，短期內主要考慮配電網規劃中電動汽車充電設施的布點和容量配置，而未來，隨著電動汽車走入普通家庭，大規模分布式的家庭充電將成為研究電動汽車充電對電網影響不可忽略的重要部分。

［1］孫逢春.電動汽車發展現狀及趨勢［J］.科學中國人，2006（8）：44-47.

［2］張文亮，武 斌，李武峰，等.我國純電動汽車的發展方向及能源供給模式的探討［J］.電網技術，2009，33（4）：1-5.

［3］楊孝綸.電動汽車技術發展趨勢及前景（上）［J］.汽車科技，2007（6）：10-13.

［4］田立亭，史雙龍，賈 卓.電動汽車充電功率需求的統計學建模方法［J］.電網技術，2010，34（11）：126-130.

［5］康繼光，衛振林，程丹明，等.電動汽車充電模式與充電站建設研究［J］.電力需求側管理，2009，11（5）：64-66.

［6］李俄收，吳文民.電動汽車蓄電池充電對電力系統的影響及對策［J］.華東電力，2010，38（1）：109-113.

［7］陳新琪，李 鵬，胡文堂，等.電動汽車充電站對電網諧波的影響分析［J］.中國電力，2008，41（9）：31-36.

［8］陳玉進.電動汽車充電設備特點及對電網影響探討［J］.湖北電力，2009，33（6）：48-50.

［9］王 敏，丁 明.含分布式電源的配電系統規劃［J］.電力系統自動化學報，2004，16（6）：5-9.

［10］徐 凡，俞國勤，顧臨峰，等.電動汽車充電站布局規劃淺析［J］.華東電力，2009，17（10）：1678-1682.

［11］韋 鋼，吳偉力，胡丹云，等.分布式電源及其并網時對電網的影響［J］.高電壓技術，2007，35（7）：36-40.