電動汽車對電網的影響及有序充電研究

黃舒寧

摘 ? 要：文章首先介紹了電動汽車規模化充電對電網的影響，進而提出了電動汽車有序充電的控制策略，希望能對相關研究者提供有益借鑒。

關鍵詞：電動汽車;有序充電;電網

1 ? ?電動汽車充電負荷影響因素

為了研究電動汽車充電對電網的影響，需要了解負荷特性。影響電動汽車電力需求的因素主要包括：電池特性、充電模式、用戶行為習慣等，且這些充電負荷的時空具有不確定性[1]。

1.1 ?電池特性

電池是消費者重點關注的一個方面，如果本就無法預估的續航里程，再面臨車輛續航里程衰減，這樣電動汽車不僅不能滿足人們日常需求，反而會成為拖累。雖然廠家對電池給予了較長時間的質量保證，甚至部分企業推出了電池以舊換新的前瞻式服務，但是消費者對電池衰減程度的判斷和質量判斷都缺乏公開、透明的支持，消費者仍對電池質量安全不放心，從而影響電動汽車的銷量。因此，有必要對電池進行簡單的了解。

燃料電池電動車價格昂貴、氫氣難以儲運、維護系統復雜、壽命不長，并且鉑的資源不夠利用。

太陽能電池電動車價格相對昂貴，受天氣、晝夜等光照條件影響較大，仍然需要儲能裝置，但是在能量轉化率上，國內的一般在14%，日本的光伏材料最高可以達到22%，差距明顯。

純電動車最節省油、制造簡單、車身便宜，有資源優勢和技術基礎，是未來發展的方向和主力。

鉛酸蓄電池最常用，且價格最低，中國也是鉛酸蓄電池最大生產國，其含污染成分少、易回收，缺點是比容小。鎳氫電池比容、壽命、充放電特性較鉛酸蓄電池好，但過充電后易形成單體電池隔板熔化問題。鎳鎘電池的大電流特性和抗過充電性較鎳氫電池好，生產量、可靠性較高，但存在鎘污染。鋰離子電池的比容和壽命比鎳氫電池好，電阻大，過充電和過放電狀態后會發生爆炸。

1.2 ?充電模式

電動汽車充電方式一般為快速充電方式、慢速充電方式。快速充電可以在短時間內將電池組進行快速補電，慢速充電的電流比較小，充電時間較長，是最常規的充電方式。

快充和慢充是相對概念，一般快充為大功率直流充電，半小時可以充滿電池80%的容量，慢充指交流充電，充電過程需6～8 h。電動汽車充電快慢與充電機功率、電池充電特性和溫度等緊密相關。

短時快充適合應急情況，充電電流大，一般為150～400 A，將對相關電力設備提出更高的要求，所以，最初的建設和運行投入成本都更高。慢充是一種實用、安全的充電方式，充電電流為10～15 A，電池充滿需要的時間約為6個多小時，初裝費用和運行維護費用較其他類低，可以有效延長電池的壽命。

1.3 ?用戶行為

用戶行為多樣性，是影響電動汽車功率需求的關鍵因素，所以在電動汽車充電負荷表現上就具有隨機性。由于不同用戶對電動汽車的行為習慣和行駛特性不同，更凸顯行為的不確定性。用戶行為主要包括開始充電時刻和日行駛里程，充電時間越集中，此時接入電網的負荷功率越大，電網需提供大充電功率，如果是在用電高峰時期就難以保證。日行駛里程反映了當天耗電量，行駛里程越長，電量越低，需要充電的時間就越長。充電功率、充電開始時間和日行駛里程決定了用戶對充電功率的需求。電動汽車用EV表示，隨機抽取n輛電動汽車。

1.4 ?市場

目前，國家電網已建成“六縱六橫兩環”高速公路快充網絡，覆蓋1.4萬公里，13個省，95個城市。高速公路快充站平均間距不超過50 km，每站配備4臺直流充電樁，單臺最大功率為120 kW。為深化“互聯網+”充換電服務應用，采用包括大數據、云計算、物聯網、移動互聯網等一系列新技術，建成電動汽車車聯網平臺，為電動汽車客戶的充電運營商提供信息服務。這些基礎設施建設及國家政策勢必會對市場起導向作用，隨著智能電網建設，電力市場在引導電動汽車的有序應用和調控充電管理方面發揮重要作用。

2 ? ?電動汽車充電對配電網的影響

電動汽車充電對電網的影響集中表現在配電網方面，包括對配電網電能質量、可靠性和經濟運行等方面的影響。其中，對電能質量的影響主要包括電壓偏移、諧波含量、三相不平衡等，對電網經濟運行的影響主要是系統網絡損耗。

2.1 ?對負荷的影響

當電動汽車發展初級階段時，數量很少，對電網影響并不大。但當電動汽車迅速發展、數量成幾何增長時，勢必會造成電力系統負荷增加，倘若在用電高峰期接入大量電動汽車，帶來的結果就是電網負荷曲線峰谷差距明顯，嚴重時導致配電網過載、電壓偏低、配網損耗增加等問題，甚至超出配電網的可承受能力，影響配電網安全穩定運行。這時需要對配電網進行擴容，增加了配電網建設成本，所以應合理規劃電網布局、適當合理接入，避免由于擴容后資源沒有得到充分利用，多余的供電容量長期處于閑置狀態，這樣供電設施的利用率就大大降低了。

2.2 ?對電壓的影響

對于專用設施的用電行為來說，其峰谷差別是較為明顯的。尤其對于電動汽車充電行為，傍晚的充電峰值負荷將大大增加。當配電網接入電動汽車后，流動負荷發生變化，電壓分布也發生了變化。一般而言，電動汽車的接入會使電網負荷增加，線路節點電壓下降，尤其末端電壓嚴重下降，此時對應的電壓分布也隨之發生偏移，影響用戶正常用電需求。當負荷很少時，電壓波動較小，但負荷較大時，就會引起配電網電壓偏移。由于電網電壓主要是由無功影響的，所以當負荷持續增加時，可以考慮新增發電系統，抵消掉部分負荷。依據我國電網規定，系統處于正常運行狀態時，10 kV電壓等級允許的電壓偏移范圍為7%，超出允許范圍后，則要進行無功補償措施調整。

2.3 ?對網損的影響

因為配網的量大且復雜，可靠性和居民生活息息相關，所以配網的接線方式顯得尤為重要，配電網建設的網架和如何組織、提高可靠性和經濟性，是必須考慮的。電動汽車充電負荷是非線性負荷，接入配網會產生諧波，造成線路或者變壓器發熱，損耗增加，影響設備使用壽命，危害電網安全運行。假設PTloss為T時刻線路功率損耗，PT為T時刻系統輸送的功率值，配電網的網損率Rpl為一天的損耗值，通過統計計算，可得到配電網的網損率，計算公式如下：