電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)配電系統(tǒng)影響與優(yōu)化策略分析

摘要：現(xiàn)階段，生態(tài)環(huán)境污染情況嚴(yán)重，與此同時(shí)，全球氣候也出現(xiàn)了較大的變化。在此背景下，因電動(dòng)汽車本身的污染不嚴(yán)重且具備低碳排放的相關(guān)特點(diǎn)，所以被更多消費(fèi)者所認(rèn)可。文章對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)配電系統(tǒng)的影響與優(yōu)化策略進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電負(fù)荷；配電系統(tǒng)；優(yōu)化策略；生態(tài)環(huán)境 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM743 文章編號(hào)：1009-2374（2017）04-0023-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.012

于電動(dòng)汽車而言，其全部亦或是部分都依靠電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)與道路交通安全法規(guī)相吻合，所以被廣泛使用。另外，電動(dòng)汽車本身的環(huán)保低碳性能明顯、噪音不大，因而成為替代內(nèi)燃機(jī)汽車幾率最大的一種新能源汽車。電動(dòng)汽車在最近幾年中的發(fā)展速度極快，然而其實(shí)際發(fā)展的時(shí)間很長(zhǎng)。1881年，法國(guó)巴黎出現(xiàn)第一輛電動(dòng)汽車，隨后，電動(dòng)汽車被應(yīng)用在日常生活當(dāng)中。而在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的作用下，燃油使用成本下降，能夠行駛更長(zhǎng)里程，且在燃料補(bǔ)充方面十分便利，將電動(dòng)汽車取代。自能源危機(jī)爆發(fā)以來(lái)，人們更關(guān)注能源供需的平衡性以及安全性，同樣，對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題也更加關(guān)注。在這一背景下，電動(dòng)汽車的應(yīng)用再次被提上日程。

1 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)于配電網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)影響

1.1 充電負(fù)荷對(duì)網(wǎng)損影響

當(dāng)電動(dòng)汽車接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)中以后，系統(tǒng)負(fù)荷水平會(huì)隨之提升，所以從一定程度上影響了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的損耗，其中網(wǎng)損率就是一天當(dāng)中系統(tǒng)線路損耗電能與網(wǎng)絡(luò)輸送總電能的比值。

在實(shí)踐檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不管是冬季亦或是夏季，在滲透率提高的背景下，也就是當(dāng)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電動(dòng)汽車數(shù)量增加的情況下，實(shí)際的網(wǎng)損率也會(huì)隨之提高，但是增加幅度是有限的。究其原因，即便接入到配電系統(tǒng)中的電動(dòng)汽車數(shù)量大量增加，但電動(dòng)汽車的充電時(shí)間不集中，所以會(huì)降低充電負(fù)荷對(duì)于網(wǎng)損產(chǎn)生的影響。另外，數(shù)量相同的電動(dòng)汽車，如果接入配電系統(tǒng)的季節(jié)不同，那么對(duì)于電網(wǎng)網(wǎng)損率產(chǎn)生的影響也同樣存在差異。若電動(dòng)汽車的滲透率是20%，那么冬季充電的網(wǎng)損率就要高于夏季網(wǎng)損率的0.33%，而對(duì)于其他滲透率，冬季的網(wǎng)損幾率要同樣不低于夏季的網(wǎng)損率。究其原因，由于冬季期間系統(tǒng)基本負(fù)荷要高于夏季，所以，當(dāng)充電負(fù)荷接入以后，使得系統(tǒng)的網(wǎng)速率隨之提高。

由此可見，對(duì)于配電網(wǎng)網(wǎng)損率產(chǎn)生影響的主要因素就是電動(dòng)汽車數(shù)量以及系統(tǒng)的基本負(fù)荷曲線。與此同時(shí)，隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增加，系統(tǒng)實(shí)際網(wǎng)損率也會(huì)更高，當(dāng)接入電動(dòng)汽車以后，基本負(fù)荷水平與網(wǎng)損率之間呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。

1.2 充電負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)峰谷差影響

通過(guò)多種不同場(chǎng)景之下的千次仿真，將配電系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差的平均值總結(jié)成表1。當(dāng)電動(dòng)汽車接入到配電系統(tǒng)中以后，系統(tǒng)本身負(fù)荷峰谷出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而實(shí)際增長(zhǎng)幅度與季節(jié)、車輛的滲透率之間存在一定的聯(lián)系。具體表現(xiàn)在，滲透率的增加會(huì)使得峰谷差隨之增加，而冬季期間峰谷差要大于夏季。當(dāng)冬夏兩季系統(tǒng)基本負(fù)荷曲線將充電負(fù)荷疊加以后，使得系統(tǒng)最大負(fù)荷出現(xiàn)明顯的增加。通常情況下，系統(tǒng)基本負(fù)荷的最小值會(huì)在凌晨3點(diǎn)出現(xiàn)，而充電負(fù)荷會(huì)小于系統(tǒng)負(fù)荷最大情況下的充電負(fù)荷。為此，在電動(dòng)汽車接入到系統(tǒng)中以后，其峰谷差要比之前增加。如果車輛的滲透率增加，那么系統(tǒng)在最大與最小負(fù)荷的狀態(tài)下，充電負(fù)荷的差會(huì)變得更大，導(dǎo)致系統(tǒng)峰谷差更大。而在冬季階段，系統(tǒng)基本負(fù)荷峰谷差要高于夏季，當(dāng)電動(dòng)汽車接入到配電系統(tǒng)中以后，系統(tǒng)在冬季期間的最大負(fù)荷狀態(tài)下的充電負(fù)荷要高于夏季期間最大負(fù)荷狀態(tài)下的充電負(fù)荷。但是，季節(jié)不同，配電系統(tǒng)最小負(fù)荷狀態(tài)下的充電負(fù)荷也存在明顯的差異，而在滲透率相同的情況下，冬季峰谷要高于夏季。

表1 不同場(chǎng)景系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷差

2 全面優(yōu)化電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)配電系統(tǒng)產(chǎn)生影響的策略

分時(shí)電價(jià)把一天之內(nèi)各時(shí)間段進(jìn)行了劃分，主要包括峰時(shí)段與谷時(shí)段，而時(shí)段不同，其電能銷售的價(jià)格也不同。其中，為用戶傳遞了負(fù)荷水平不同的發(fā)電側(cè)供電成本，與此同時(shí)，還能夠有效地轉(zhuǎn)移高電價(jià)峰時(shí)段的電能消耗，有效地實(shí)現(xiàn)削峰填谷的目的，進(jìn)而縮小負(fù)荷的峰谷差值。但是，電動(dòng)汽車的用戶對(duì)于完成充電時(shí)的電池電量，卻忽視了開始充電的時(shí)間，所以同樣可以靈活應(yīng)用分時(shí)電價(jià)來(lái)對(duì)充電負(fù)荷分布時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，有效地規(guī)避充電負(fù)荷和基本負(fù)荷疊加以后所出現(xiàn)的峰上加峰的情況。與其他優(yōu)化方式相比，分時(shí)電價(jià)對(duì)于電動(dòng)汽車充電的方式更簡(jiǎn)單，具有一定的可行性，且操作性明顯。

2.1 以系統(tǒng)峰谷差最小為基礎(chǔ)的分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分

通過(guò)上述研究與分析發(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)汽車接入到配電網(wǎng)中以后，系統(tǒng)本身峰谷差會(huì)增加，所以如果峰谷差較大，會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)不利的影響。為此，要想確保負(fù)荷高峰電力需求，關(guān)鍵是要提高發(fā)電容量。特別是在谷荷時(shí)段，很容易引發(fā)發(fā)電設(shè)備的停運(yùn)問(wèn)題，嚴(yán)重影響了設(shè)備的利用率。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)。當(dāng)電動(dòng)汽車接入到配電系統(tǒng)以后，將目標(biāo)函數(shù)確定成系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差最小。

2.1.2 尋優(yōu)算法的具體程序。將一個(gè)小時(shí)當(dāng)作最小時(shí)間間隔，所以可以劃分的時(shí)段種類很少，因此，對(duì)窮舉法進(jìn)行應(yīng)用來(lái)計(jì)算，進(jìn)而找出有可能的分時(shí)電價(jià)時(shí)段系統(tǒng)峰谷差，隨后在其中選擇最小峰谷差時(shí)段來(lái)劃分方案。

第一，啟動(dòng)T1完成初始化，同時(shí)使T1=1，并將其作為谷時(shí)段開始的時(shí)間。

第二，啟動(dòng)T2完成初始化，同時(shí)使T2=1，并將其作為谷時(shí)段結(jié)束的時(shí)間。

第三，對(duì)T1、T2時(shí)間段的充電負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

第四，疊加充電負(fù)荷和系統(tǒng)的基本負(fù)荷，獲取此時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷。

第五，對(duì)T1、T2時(shí)間段的系統(tǒng)峰谷差。

第六，對(duì)T2遍及全部時(shí)刻進(jìn)行判斷，若肯定則進(jìn)行下一步操作，若否定需要對(duì)T2進(jìn)行更新，并返回至第三步。

第七，對(duì)T1遍及全部時(shí)刻進(jìn)行判斷，若肯定則進(jìn)行下一步操作，若否定需要對(duì)T2進(jìn)行更新，并返回至第二步。

第八，在全部峰谷差的計(jì)算結(jié)果當(dāng)中選擇出最小峰谷差所對(duì)應(yīng)的時(shí)段。

2.1.3 對(duì)算例的詳細(xì)闡述

當(dāng)系統(tǒng)基本最大負(fù)荷數(shù)值是3715千瓦，且系統(tǒng)容量是4953千瓦，與此同時(shí)，電動(dòng)汽車的滲透率是30%。通過(guò)以上方法所獲得的系統(tǒng)最小峰谷差時(shí)段是T1=22，T2=6。

情景一：將分時(shí)電價(jià)谷時(shí)段的開始時(shí)間是22點(diǎn)，而結(jié)束的時(shí)間是6點(diǎn)，同時(shí)，電動(dòng)汽車的滲透率是30%。

情景二：電動(dòng)汽車的滲透率是30%，同時(shí)，不采用分時(shí)電價(jià)。

情景三：不存在電動(dòng)汽車接入配電系統(tǒng)的情況。

在應(yīng)用第一種情景的情況下，也就是應(yīng)用分時(shí)電價(jià)方案以后，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷對(duì)于系統(tǒng)的最大負(fù)荷影響幾乎不存在，而對(duì)于最小負(fù)荷在不采用分時(shí)電價(jià)調(diào)節(jié)的情況下，呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，一定程度上降低了系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷差。當(dāng)優(yōu)化以后，對(duì)充電負(fù)荷時(shí)間分布予以適當(dāng)調(diào)節(jié)，在電動(dòng)汽車接入到配網(wǎng)系統(tǒng)中以后，與接入之前對(duì)比，系統(tǒng)峰谷差有所下降，促進(jìn)了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定，因而，對(duì)時(shí)段劃分的合理運(yùn)用，能夠有效地減少充電負(fù)荷對(duì)于配電網(wǎng)的負(fù)面作用，而且可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的狀況予以全面完善。

2.2 以日負(fù)荷曲線波動(dòng)最小為基礎(chǔ)的分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)一天之間的系統(tǒng)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差當(dāng)作系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)狀態(tài)的衡量指標(biāo)，如果標(biāo)準(zhǔn)差降低，那么系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)也會(huì)隨之降低。

2.2.2 尋優(yōu)算法的具體程序。同樣運(yùn)用窮舉法，方式與以系統(tǒng)峰谷差最小為基礎(chǔ)的分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分相同，僅僅是將對(duì)象換成日負(fù)荷曲線。具體流程如圖3所示：

圖3 選優(yōu)算法流程圖

2.2.3 對(duì)算例的詳細(xì)闡述。電動(dòng)汽車與配電系統(tǒng)條件與上文相同，通過(guò)計(jì)算，將T1=22，T2=5，在這一時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)是最小的。

情景一：開始時(shí)間是22時(shí)，結(jié)束時(shí)間是5時(shí)，且電動(dòng)汽車滲透率是30%。

情景二：電動(dòng)汽車的滲透率是30%，采用到家即充電的方式。

情景三：不存在電動(dòng)汽車接入配電系統(tǒng)的情況。

通過(guò)檢驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)景一平均負(fù)荷相對(duì)較高，而其整體負(fù)荷水平高于第三個(gè)場(chǎng)景，與平均負(fù)荷最為接近，所以第一個(gè)場(chǎng)景負(fù)荷曲線的標(biāo)準(zhǔn)差小于第三個(gè)場(chǎng)景。由此可見，通過(guò)采用合理的時(shí)段劃分方案，也就是分時(shí)電價(jià)方案，能夠?qū)Τ潆娯?fù)荷的時(shí)間分布進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)，緩解系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)的狀況，規(guī)避了對(duì)于電網(wǎng)產(chǎn)生的負(fù)面影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段，各國(guó)政府與企業(yè)都開始致力于開發(fā)并應(yīng)用電動(dòng)汽車技術(shù)，并在該領(lǐng)域中投入大量資金。基于此，電力汽車技術(shù)與運(yùn)營(yíng)模式隨之成熟，并進(jìn)入到了規(guī)模化的應(yīng)用階段。針對(duì)電動(dòng)汽車接入配電系統(tǒng)中，其充電負(fù)荷帶來(lái)的負(fù)面影響，采取分時(shí)電價(jià)的方式予以優(yōu)化，效果顯著。

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作者簡(jiǎn)介：王立君（1979-），吉林蛟河人，北京汽車集團(tuán)有限公司越野車分公司工程師，研究方向：汽車工廠電力系統(tǒng)項(xiàng)目管理與研究。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）