電動(dòng)汽車負(fù)荷建模的影響因素和充電控制研究

張曉天，商文穎，李 華，朱赫炎，王優(yōu)胤

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015)

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電動(dòng)汽車負(fù)荷建模的影響因素和充電控制研究

張曉天，商文穎，李 華，朱赫炎，王優(yōu)胤

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015)

目前電動(dòng)汽車的發(fā)展應(yīng)用已成為一種必然趨勢，但規(guī)模化的電動(dòng)汽車接網(wǎng)充電將會在一定程度上影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過詳細(xì)論述電動(dòng)汽車充電負(fù)荷建模的影響因素，從輸配電網(wǎng)兩個(gè)層級分析電動(dòng)汽車接網(wǎng)充電給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的影響，總結(jié)電動(dòng)汽車規(guī)模化充電控制策略的研究思路，為電動(dòng)汽車充電控制研究領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)。

電動(dòng)汽車；充電負(fù)荷；影響因素；充電控制策略

能源和環(huán)境是制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)鍵因素，也是當(dāng)今全球各領(lǐng)域尤為關(guān)注的熱點(diǎn)問題。世界各地能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，傳統(tǒng)化石能源過度開采，水污染、空氣污染以及溫室效應(yīng)等問題層出不窮。汽車作為現(xiàn)代社會化大工業(yè)的產(chǎn)物給人們?nèi)粘＝煌ǔ鲂袔硎孢m和便捷的同時(shí)，也使能源和環(huán)境面臨危機(jī)。汽車生產(chǎn)企業(yè)廣泛認(rèn)識到節(jié)能環(huán)保是汽車技術(shù)未來發(fā)展的主流方向，以電力驅(qū)動(dòng)、無尾氣排放的電動(dòng)汽車日漸受到世界各國的廣泛關(guān)注[1]。

世界各國出臺相應(yīng)的政策措施支持電動(dòng)汽車的研究和推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車迎來了自身發(fā)展的重大契機(jī)。美國國家能源部通過實(shí)施了EV project計(jì)劃來推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展；中國國家科技部牽頭實(shí)施的“十城千輛”計(jì)劃，其目的也是推動(dòng)電動(dòng)汽車在社會公共服務(wù)領(lǐng)域的示范運(yùn)行和發(fā)展[2]。雖然我國對電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)的研究相比于發(fā)達(dá)國家起步晚，但通過國家項(xiàng)目持續(xù)、大力的研發(fā)支持，電動(dòng)汽車發(fā)展迅猛，其產(chǎn)業(yè)體系日趨成熟。

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)量與日俱增的電動(dòng)汽車作為一種“新型負(fù)荷”接入電網(wǎng)，將對電網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，給電力系統(tǒng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)。

1 充電負(fù)荷建模的影響因素分析

為了系統(tǒng)性分析電動(dòng)汽車充電給電網(wǎng)造成的影響，進(jìn)而對充電控制策略進(jìn)行研究，應(yīng)該先建立能夠體現(xiàn)充電負(fù)荷特性的數(shù)學(xué)模型。影響負(fù)荷建模的因素主要有充電模式、電池特性以及用戶行為習(xí)慣等[3]。

1.1 充電模式

a.分布式充電。一般指常規(guī)充電方式，即集中于居民樓和停車場的低電壓充電點(diǎn)。采用該模式充電，充電行為可自由支配，無需考慮電源供給側(cè)的運(yùn)行狀況。分布式充電的電流一般在10～15 A，車載電源充滿需要5～8 h[3]。分布式充電雖然給汽車用戶提供了很大便利，但是充電時(shí)間長，充電行為因個(gè)體差異具有很大隨機(jī)性，因而很難做到規(guī)模性充電負(fù)荷的精確預(yù)測。

b.集中式充電。能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間快速充電，一般分為快速充電和電池交換2種方式。一種是快速充電，指充電電流大于常規(guī)充電電流的情況(一般為150～400 A)，可以在20～120 min內(nèi)將電池快速充電達(dá)到80%以上，為電動(dòng)汽車的繼續(xù)行駛提供快速高效的充電服務(wù)[4]。由于快速充電方式的充電電流大，因而對設(shè)備的要求更高，一般將充電站建設(shè)在能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間停車的公共場所。另一種是電池更換，是以更換車載電源的方式實(shí)現(xiàn)快速充電，并對更換下來的空電池進(jìn)行集中充電的方式。這種充電方式可以實(shí)現(xiàn)對電池電量和充電時(shí)間的高效調(diào)控，對電網(wǎng)的影響在可評估預(yù)期內(nèi)。

c.智能充電。一般指智能雙向有序充放電模式(vehicle to grid,V2G),即車載電源作為分布式儲能與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，在用電非高峰期可以入網(wǎng)充電，在負(fù)荷高峰時(shí)段可向電網(wǎng)送電以實(shí)現(xiàn)削峰填谷或者轉(zhuǎn)移負(fù)荷峰值，進(jìn)而保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 電池特性

電動(dòng)汽車車載電池的充電模式一般采用“恒流—恒壓”充電模式，其充電特性如圖1所示。目前，已成熟應(yīng)用市場的車載電池主要是容量小、續(xù)航短的小型汽車電池和容量大、續(xù)航長的公交車電池。考慮到電池性能和生產(chǎn)成本的約束關(guān)系，鋰電池作為目前較為理想的動(dòng)力電池得到廣泛使用。

圖1 電動(dòng)汽車電池的充電特性

1.3 用戶行為習(xí)慣

電動(dòng)汽車充電的無序性主要是受用戶行為習(xí)慣的影響，影響要素包括充電起始時(shí)刻和充電持續(xù)時(shí)段2個(gè)方面。一般假設(shè)出行結(jié)束時(shí)刻即為充電起始時(shí)刻，充電持續(xù)時(shí)段越密集，電網(wǎng)承載的電動(dòng)汽車負(fù)荷越大，若是正值負(fù)荷高峰期，容易造成新的負(fù)荷峰值。

2 充電負(fù)荷給電網(wǎng)帶來的影響

電動(dòng)汽車發(fā)展形成規(guī)模，大量充電負(fù)荷接網(wǎng)勢必會對電網(wǎng)負(fù)荷平衡造成沖擊。電動(dòng)汽車接入充電對電網(wǎng)造成的影響主要涉及負(fù)荷增長、電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控管理難度增加、電能質(zhì)量下降、電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面。

2.1 對輸電網(wǎng)的影響

規(guī)模化電動(dòng)汽車充電，主要是在配網(wǎng)層面增加負(fù)荷，并且輸電網(wǎng)具有足夠消納這種規(guī)模充電負(fù)荷的容量和能力，因而對輸電網(wǎng)只產(chǎn)生間接影響，這里暫不重點(diǎn)考慮。

2.2 對配電網(wǎng)的影響

電動(dòng)汽車充電對電網(wǎng)影響主要體現(xiàn)在配電網(wǎng)，大量無序、隨機(jī)的充電負(fù)荷直接接入配電網(wǎng)會帶來很多不可預(yù)知的影響，因而配電網(wǎng)的影響研究備受關(guān)注[5-6]。對配電網(wǎng)的影響主要涉及3個(gè)方面，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車充電對配電網(wǎng)影響

a.對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。由于充電機(jī)的特性，電動(dòng)汽車在接網(wǎng)充電時(shí)會產(chǎn)生一定程度的諧波，進(jìn)而影響電網(wǎng)供電質(zhì)量[7]。

b.對配電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響。規(guī)模化電動(dòng)汽車同時(shí)接入配電網(wǎng)充電，會造成配電網(wǎng)設(shè)備損耗的增加，進(jìn)而減少了線路、變壓器等設(shè)備的使用年限，相當(dāng)于額外增加設(shè)備投資，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降。

c.對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響。電動(dòng)汽車接網(wǎng)充電時(shí)間受隨機(jī)性較大的用戶行為影響，因而這部分接入配電網(wǎng)的負(fù)荷很難準(zhǔn)確預(yù)測，進(jìn)而給供需兩側(cè)平衡分析工作增加了難度。因此在規(guī)劃過程中在保證配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行前提下，應(yīng)注意提高供電裕度。

3 電動(dòng)汽車規(guī)模化充電控制策略研究

電動(dòng)汽車無序充電會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷有序可控能有效避免對電網(wǎng)沖擊甚至有益于電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電動(dòng)汽車充電控制策略一般是以電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性或穩(wěn)定可靠性為目標(biāo)，協(xié)調(diào)有效的充電控制策略會增強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。基本的充電控制策略是電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷，這也是電動(dòng)汽車規(guī)模性接入電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行較為有效的手段。

3.1 電動(dòng)汽車充電控制策略

基于分時(shí)分段電價(jià)的電動(dòng)汽車充電控制策略是基于分段電價(jià)策略以及國家出臺的激勵(lì)政策，引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶在非用電高峰時(shí)段進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰充電。該控制策略理論上可在短期內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)大量充電負(fù)荷的轉(zhuǎn)移，從而降低對電網(wǎng)影響，是一種簡單易行的調(diào)控措施，但缺少對電動(dòng)汽車用戶的應(yīng)用分類，沒有充分衡量電動(dòng)汽車充電需求側(cè)面對價(jià)格政策的敏感度，難免有機(jī)械性的缺陷，存在一定局限性。這種充電控制策略的研究應(yīng)更多基于用戶需求側(cè)響應(yīng)，充分考慮不同電動(dòng)汽車用戶對于充電時(shí)間的傾向性和時(shí)段電價(jià)的敏感度，并根據(jù)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的滲透率以及充電在時(shí)間和空間分布的特性制定充電控制策略。

3.2 電動(dòng)汽車智能充電控制策略

電動(dòng)汽車智能充電控制策略是將電動(dòng)汽車充電策略當(dāng)作優(yōu)化問題[8]，以需求側(cè)充電成本最小、網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷曲線波動(dòng)最小、電網(wǎng)峰值負(fù)荷最小或電網(wǎng)損耗最小等為控制目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)供需兩側(cè)的雙贏。這種控制方法是在電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)性和便利性充電與電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行之間尋求平衡，因而在制定策略時(shí)需要兼顧具體電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)以及電網(wǎng)覆蓋區(qū)域電動(dòng)汽車用戶的行為特性，側(cè)重考慮電動(dòng)汽車的滲透率，使得充電控制策略具有更好的靈活性。

3.3 電動(dòng)汽車充電與新能源接入相結(jié)合的充電控制策略

電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用是推廣清潔能源、減少節(jié)能減排、維護(hù)友好環(huán)境的有效措施，風(fēng)電、太陽能等可再生能源是實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型、推動(dòng)能源發(fā)展變革的根源支撐，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)充電與新能源接入相結(jié)合的控制策略利用兩者面臨問題的互補(bǔ)性，能夠有效解決兩種清潔能源接網(wǎng)利用的困難，不失為一種雙贏的控制策略，但是該控制策略的研究重點(diǎn)應(yīng)該還是放在對大規(guī)模電動(dòng)汽車有序充電需求側(cè)響應(yīng)控制和提高風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電預(yù)測監(jiān)測準(zhǔn)確性和即時(shí)性兩個(gè)方面，從用電端和供電端分別做好量化控制，有了這個(gè)前提基礎(chǔ)才能將兩者有效結(jié)合。另外，可以結(jié)合電動(dòng)汽車的V2G充放電模式，將接網(wǎng)充電的電動(dòng)汽車看作主動(dòng)分布式負(fù)荷，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和新能源消納需求適時(shí)充電或者向電網(wǎng)釋放富余的電能，從而優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行并提高新能源消納能力。

4 結(jié)束語

面對能源危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用推廣已經(jīng)成為一種必然趨勢。本文在介紹電動(dòng)汽車充電負(fù)荷建模影響因素的基礎(chǔ)上，分析了大規(guī)模電動(dòng)汽車充電負(fù)荷接入電網(wǎng)造成的影響，并對近年來電動(dòng)汽車充電控制策略的研究思路和重點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。電動(dòng)汽車規(guī)模化充電控制的有效實(shí)施不僅能夠限制大量新增充電負(fù)荷接網(wǎng)帶來的不利影響，還能在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)兼顧用戶側(cè)的利益，甚至可以作為調(diào)度消納新能源、維持系統(tǒng)平衡的輔助控制手段。今后需要在電動(dòng)汽車充電控制相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行更為深入的研究，不斷推進(jìn)電動(dòng)汽車的應(yīng)用普及。

[1] 李昊揚(yáng)．基于需求側(cè)響應(yīng)的電動(dòng)汽車有序充電研究[D]．天津：天津大學(xué)，2012．

[2] 胡澤春，宋永華，徐智威，等．電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的影響與利用[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(4)：1-10．

[3] 王 建．電動(dòng)汽車充電對電網(wǎng)的影響及有序充電研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2013．

[4] 徐立中，楊光亞，許 昭.電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對丹麥配電系統(tǒng)的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(14)：18-23．

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Research on Influence Factors of Load Modeling and Charging Control Strategies of Electric Vehicles

ZHANG Xiaotian，SHANG Wenying，LI Hua，ZHU Heyan,WANG Youyin

(State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang，Liaoning 110015, China)

As a vigorously promoted means of using clean energy, electric vehicles can achieve energy conservation and emission reduction.It effectively alleviate the increasingly serious energy crisis and environmental pollution. The development and application of electric vehicles have become an inevitable trend, but the charging of large-scale electric vehicles will have a far-reaching impact on power system operation. The influence factors of electric vehicle charging load model are discussed in detail, and the effects of electric vehicle charging on power grid operation are analyzed from the aspects of transmission and distribution network. Additionally, the research ideas and priorities of charging control strategies of electric vehicles are summarized, which would provide an effective theoretical guidance for the control strategy research of electric vehicles.

electric vehicle (EV); charging load; influence factor; charging control strategies

U469.72；TM910.6

A

1004-7913(2017)05-0040-03

張曉天(1987)，男，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、能源規(guī)劃工作。

2017-03-01)