電動汽車對居民小區(qū)配電網(wǎng)的影響及接納能力的評估

王海亮，駱子瀠，代 璐，向 穎，周曉霞

（國網(wǎng)湖北省電力公司宜昌供電公司，湖北 宜昌443000）

0 引 言

為解決全球變暖問題，各國政府和汽車制造商積極探索電動汽車技術(shù)，以達(dá)到降低汽車的溫室氣體（GHG）排放及減少對化石燃料依賴的目的。根據(jù)加拿大最新的溫室氣體來源評估分析，每年近12%的排放總量來自于工業(yè)汽車的使用［2］。目前，插電式混合動力電動汽車（PHEV）和電池電動汽車（BEV）由于能夠接入電網(wǎng)供電而受到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。

電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與各國政府出臺的相關(guān)政策密不可分。由美國能源部組織牽頭實(shí)行了EV Project［3］，其目的是通過免費(fèi)為電動汽車用戶建造家用充電樁來推動電動汽車的發(fā)展。相應(yīng)地，中國科技部也打算組織實(shí)行“十個城市1000輛車”方案［4］。該項(xiàng)目旨在將來的兩三年內(nèi)，我國局部地區(qū)的公交車、出租車等新能源汽車的社會服務(wù)體系能夠逐漸走向正軌。

電力網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃將會由于電動汽車的大量覆蓋產(chǎn)生一定的變化。在文獻(xiàn)［3］中，通過采用蒙特卡羅模擬方法，分析出電力網(wǎng)中變壓器過載情況將隨著變壓器磁導(dǎo)率的變化而變化。由仿真可得，EV的充電功率能夠改變配電變壓器的過載幾率，若EV覆蓋率高，那么變壓器的使用壽命也會相應(yīng)的降低。

1 小區(qū)配電網(wǎng)對電動汽車充電的承載能力評估

大量電動汽車的接入將直接影響配電網(wǎng)的運(yùn)作和布局。有針對性地研究電力系統(tǒng)可允許電動汽車最大充電負(fù)荷接入的極限情況，來降低其對電力系統(tǒng)的影響。

目前放射型的接線方式主要運(yùn)用于小區(qū)的低壓配電網(wǎng)中［5］。因此，本文將供電方案簡圖轉(zhuǎn)化為最基本的配電網(wǎng)模型為研究對象。

本文基于上述配電網(wǎng)模型，運(yùn)用電動汽車充電負(fù)荷和居民用電負(fù)荷的特點(diǎn)以及兩者彼此的關(guān)系，構(gòu)建小區(qū)配電網(wǎng)關(guān)于電動汽車充電負(fù)荷能夠容納最大充電數(shù)量的數(shù)學(xué)模型與評價措施。

1.1 承載能力評估數(shù)學(xué)模型

1．1．1 居民區(qū)內(nèi)住宅用電負(fù)荷

以A市為研究的樣本數(shù)據(jù)，通過對城市配電網(wǎng)規(guī)劃的深入研究得出，通常在小區(qū)規(guī)劃初期時，電力部門會根據(jù)小區(qū)的發(fā)展類型選出相應(yīng)的單戶用電負(fù)荷指標(biāo)及居民用電負(fù)荷同時率［1］。

居民用電負(fù)荷同時率與小區(qū)規(guī)模大小的關(guān)系如表1所示。

表1 用電負(fù)荷同時率與小區(qū)規(guī)模大小的關(guān)系［1］

綜合分析，在對小區(qū)用電負(fù)荷進(jìn)行討論時需要將上述各影響要素加以計算。根據(jù)《湖北省電力公司客戶供電方案編制標(biāo)準(zhǔn)》，居民用電負(fù)荷在單臺配電變壓器下的值為：

式中：p為單個小區(qū)用戶的計算負(fù)荷（kW）；n為該區(qū)域擁有的入住數(shù)；λ為用電需用系數(shù)；a為小區(qū)用電負(fù)荷同時率［1］。

按照該小區(qū)的住宅用戶數(shù)量、小區(qū)性能定位、居民住宅用電負(fù)荷以及功率因數(shù)和用電裕度等參數(shù)，能夠計算出小區(qū)配電變壓器的容量確定對比值：

式中：S1為變壓器容量對比值（kVA）；k’為用電負(fù)荷浮動值；cosφ為居民用電負(fù)荷功率因數(shù)。

按照式（2）可計算得到變壓器容量對比值，那么配電變壓器的實(shí)際容量和型號就可按照下式確定。

式中，S是所選配電網(wǎng)變壓器容量；SA為10 kV變壓器的額定容量序列。

聯(lián)立公式（3）和公式（4）得小區(qū)實(shí)際運(yùn)行中的配電變壓器承載率β。

1．1．2 居民區(qū)內(nèi)電動汽車充電負(fù)荷

根據(jù)前文分析可知，電動汽車充電負(fù)荷曲線與電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷曲線一樣，最大值及最小值也會在不同時間點(diǎn)出現(xiàn)。因此，在討論變壓器可容納電動汽車最大充電容量時，需要以接入配電網(wǎng)的充電負(fù)荷最大值為研究對象。

電動汽車規(guī)模、充電功率、日行駛里程數(shù)及開始充電時刻等動態(tài)因素都會時時刻刻影響著電動汽車充電負(fù)荷數(shù)量，其中電動汽車規(guī)模會對電動汽車充電負(fù)荷峰值的大小起著決定性的作用［1］。通過研究小區(qū)中電動汽車占總汽車數(shù)量的百分比，就能夠以此作為評價配電網(wǎng)對于充電負(fù)荷承載能力的重要依據(jù)，其計算表達(dá)式為：

式中：為居民小區(qū)中電動汽車覆蓋率；mEV為小區(qū)內(nèi)電動汽車總數(shù)（輛）；m為小區(qū)汽車總數(shù)。

為了簡便計算，先設(shè)定每戶居民擁有一輛汽車。

按照前文中對于電動汽車充電負(fù)荷同時率的定義與物理意義，能夠列出對于電動汽車充電負(fù)荷曲線的最大值與電動汽車數(shù)量的表達(dá)式：

式中：pEV為單輛電動汽車的充電功率（kW）；NEV為電動汽車充電同時率。

電動汽車充電負(fù)荷最大值的大小與該地段的電動汽車數(shù)量及其充電功率呈現(xiàn)緊密相關(guān)性。

1．1．3 電動汽車最大覆蓋率

經(jīng)研究出的結(jié)論可知，當(dāng)車為無序充電時，其充電負(fù)荷互同時率［1］為非恒定值，而是在一定區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布。

聯(lián)立式（2）、（6）可以求得居民小區(qū)配電網(wǎng)可以承載的最大電動汽車覆蓋率m為：

通過式（8）可以得到電動汽車最大覆蓋率與變壓器負(fù)載率之間的關(guān)系，適用于評估小區(qū)規(guī)劃過程中，采取不同變壓器容量選擇措施時配電網(wǎng)對于電動汽車充電負(fù)荷的承載能力，也就是說，為了讓變壓器處于“經(jīng)濟(jì)容量”運(yùn)行狀態(tài)，即配電變壓器的承載率在0．5～0．6之間，此時可以得出該區(qū)域配電網(wǎng)可承載的電動汽車最大覆蓋率。

1.2 搭建配電網(wǎng)模型

現(xiàn)應(yīng)用Matlab中Simulink搭建該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該配電網(wǎng)有2個電壓等級，分別為10 kV和0．4 kV［6］。電源側(cè)為一個10 kV主供電源及一個10 kV備供電源供電，采用環(huán)路、多端供電模式，保證可靠、不間斷供電。

將該配電網(wǎng)的小區(qū)負(fù)荷等效為5個負(fù)荷點(diǎn)，分別為Load1～Load5，小區(qū)負(fù)荷的基礎(chǔ)負(fù)荷為實(shí)測負(fù)荷，結(jié)合本文對小區(qū)居民住戶的數(shù)量做相應(yīng)調(diào)整。同時，該配電網(wǎng)中含有5個變壓器，分別為T1～T5，電壓轉(zhuǎn)換等級均為10 kV／0．4 kV。

根據(jù)式（7）分析可知，居民配電網(wǎng)可以承載的電動汽車最大覆蓋率m與小區(qū)規(guī)模、電動汽車充電功率等各方面因素相關(guān)。m代表對于電動汽車充電負(fù)荷的覆蓋程度，即住宅小區(qū)配電網(wǎng)可以承受的最大能力，當(dāng)小區(qū)內(nèi)電動汽車覆蓋率大于m時，則配電變壓器就會有過載的風(fēng)險，此時電動汽車規(guī)模便超過了小區(qū)配電網(wǎng)的承載能力。

聯(lián)立式（2）、式（6）和（7）可以得到：

2 算例分析

本文針對兩種情形進(jìn)行算例分析。情形1：該小區(qū)所有配電變壓器中超過額定負(fù)載率的變壓器數(shù)量與電動汽車覆蓋率的關(guān)系。情形2：添加時間變化因子，討論小區(qū)初始負(fù)荷以及電動汽車覆蓋率由于時間維度的影響出現(xiàn)的變化情形。

（1）情形1：針對該小區(qū)，結(jié)合前文所建立的評估模型得到變壓器超過額定負(fù)載率的數(shù)量與電動汽車覆蓋率的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 該小區(qū)配電變壓器過載情況

圖1 展示了該小區(qū)在不同覆蓋率的電動汽車接入后，變壓器中出現(xiàn)超過額定負(fù)載率的變壓器數(shù)量。

如圖1所示，出現(xiàn)變壓器過載現(xiàn)象的比例會隨著電動汽車覆蓋率的增長而增加。以3 kW充電為例，當(dāng)電動汽車覆蓋率不高于54%時，配電變壓器過載比例為0；而當(dāng)覆蓋率達(dá)到100%時，變壓器過載比例將增長至42%以上。同時，從圖中還可以看出，同樣規(guī)模的電動汽車，采用的充電功率越大，小區(qū)配電網(wǎng)出現(xiàn)變壓器過載的比例也越高。

綜合分析情形1中結(jié)果可以得出結(jié)論：現(xiàn)有的居民小區(qū)并不能永久允許所有電動汽車接入該區(qū)域配電網(wǎng)；如果系統(tǒng)中出現(xiàn)變壓器過載現(xiàn)象，那么這種現(xiàn)象會隨著電動汽車覆蓋率的升高而持續(xù)升高；同時，保持電動汽車的覆蓋率一定，當(dāng)充電功率越大，配電網(wǎng)出現(xiàn)過載的比例也就越高。

（2）情形2：增加時間變化因子，探討小區(qū)初始負(fù)荷和電動汽車覆蓋率隨時間變化的狀況，結(jié)合居民用電負(fù)荷增長進(jìn)行分析。

圖2為情形2中居民區(qū)配電變壓器負(fù)載率隨電動汽車覆蓋率增加的變化情形。現(xiàn)設(shè)定電動汽車覆蓋率為每年增長5．12%，比較小區(qū)用電負(fù)荷增長率為0、1．845%和2．125%時存在的變化。由圖2可知，若設(shè)定居民負(fù)荷不隨時間增長，那么當(dāng)居民區(qū)電車覆蓋率為100%時，此時小區(qū)配電變壓器負(fù)載率為0．58。當(dāng)居民負(fù)荷增長率為1．812%、2．124%時，小區(qū)的電車臨界覆蓋率分別為89%、80%。

圖2 該小區(qū)配電變壓器負(fù)載率

3 總 結(jié)

本文所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型可用于城市區(qū)域社區(qū)配電網(wǎng)電動汽車充電接受度的綜合評價。對配電網(wǎng)規(guī)劃有一定的參考價值。

通過仿真數(shù)據(jù)證明，配電網(wǎng)容納電動汽車最大充電數(shù)量的能力受到多項(xiàng)不定性因子的干擾。因此，在建立評估模型時要綜合考慮居民區(qū)住戶的經(jīng)濟(jì)條件、生活習(xí)慣等方面的影響，使得評估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

居民區(qū)配電變壓器會因電動汽車的不斷滲入而導(dǎo)致存在過載風(fēng)險，所以在考慮配電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行時不可忽視電動汽車充電負(fù)荷所帶來的影響，應(yīng)適時調(diào)控充電負(fù)荷或升級配電網(wǎng)等措施，以保證配電網(wǎng)的運(yùn)行安全性。