智能配電網背景下的電動汽車有序充電策略研究

劉 俊，方 豪，丁鵬云，李 健，彭俊春，王秋銀，黃孟陽

（1.云南省能源研究院有限公司，云南 昆明 650599；2.云南省配售電有限公司，云南 昆明 650228）

0 前言

隨著新能源電動汽車的加速發展，新能源電動汽車充電負荷規模越來越大，將會對區域電力系統的運行與規劃產生巨大的影響。這些影響主要包括：電力負荷發展加快，對供電系統負荷預測和現有電網規劃提出新的要求，需要改進現有的供電系統負荷預測方法，并要求現有電網規劃還必須滿足新能源電動汽車大規模接入的要求；新能源電動汽車充電網絡具有較大的偶然性和不可預測性，將加大電網控制的難度；影響傳統配電網安全、可靠及經濟供電；大量新能源電動汽車充電系統直接接入配電網，將影響配網供電設備的利用率、配網損耗、配網供電質量、配網靜態安全以及暫動態穩定等［1］。

能源短缺和環境污染等問題日益受到各國重視，世界各國都在加大對清潔能源的大規模開發和傳統能源的高效利用，在此背景下，智能電網技術（Smart Distribution Grid，簡稱SDG）應運而生。智能配電網作為智能電網的重要組成部分和關鍵環節，目前正在世界范圍內快速發展和建設。

圖1 智能配電網示意圖

1 智能配電網背景下的電動汽車有序充電

1.1 智能配電網的基本概念

智能配電網（圖1）系統是聚集通信技術、現代電子技術、計算機技術及網絡技術，通過整合配電網中的所有數據信息，來實現配電網在正常運行和非正常運行狀態下的監測、控制、保護、優化、自愈及智能化管理，促進分布式電源的大規模接入和消納，支持配網與用戶之間的互動，以便保證提供用戶更加安全可靠、優質、經濟、清潔的電能［2］。

1.2 智能配電網的特征

與傳統配電網相比，SDG 的主要特性體現在：支持大量分布式電源的接入；支持與用戶互動，創新用戶服務的著眼點在配電網；具有更高的安全性，能夠很好地抵御非自然損壞與自然災害的破壞，避免出現大面積停電；具有更高的安全性、可靠度，供電可靠率達到99.99%，重點區域達99.9999%。盡可能地減少短時供電中斷；支持 DER 的大量接入，解決新能源發電并網問題、支持分布式電源大量接入，允許的可再生能源發電、分布式電源滲透率大于50%；互動性較高。支持能量互動，用電信息互動。

1.3 智能配電網關鍵技術

智能配電網需要有電力系統和通信網絡的物理支持，還需要集成多種高端計算分析軟件［3］。智能配電網關鍵技術包括：配電自動化、配電網自愈、有源配電網、微電網、柔性交流配電（DFACTS）、高級量測體系（AMI）、用戶互動技術。

1.4 智能配電網的典型模式

目前，智能配電網的典型模式有：泛能網、主動配電網等。

1）泛能網：在泛能理念的指導下，利用智能數字技術，將能源網絡、物質網及互聯網耦合形成的“能源互聯網”。將風能、太陽能、電能等多種能源，根據客戶需求進行合理匹配和調度。泛能網打破傳統能源與可再生能源簡單的并列模式，轉變為相互支撐模式，形成高度有序的能源利用方案，實現能效利用的最大化。

2）主動配電網：傳統配網模式下，用戶負荷是剛性不可控的，電網只能被動的作出調整。主動配電網通過用戶的需求側響應及反饋，通過靈活的網絡拓撲結構調控潮流，主動控制和充分利用用戶側的分布式能源及儲能設備，實現大規模分布式能源的消納，適應隨機性和間歇性較強的用戶負荷接入。主動配電網可以通過多種市場化激勵機制實現電力系統安全、穩定、經濟有效運行，提高能源利用效率。

2 智能配電網背景下的電動汽車有序充電策略

當今，電動汽車的充電策略主要是自由充電模式。大規模電動汽車接入配電網自由充電時，會產生電網高峰負荷增加、電壓偏移及波動加大、供電效率及經濟性下降、影響配網安全穩定等一系列問題。但是，電動汽車充電負荷具有可控、響應速度快和電能利用效率高等優點。因此，在智能配電網背景下，可以通過用戶和電網之間有效互動，引導電動汽車有序充電，減弱其對配網的不利影響。

2.1 電動汽車的有序充電策略

當前，電動汽車主要有2 種典型的有序充電策略：電網智能控制模式和雙向互動模式。

2.1.1 電網智能控制模式下有序充電

電網智能控制模式，也稱V1G 模式，電網智能化程度一般。電動汽車與電網進行單向電能交換，即只在電網允許時間內進行充電，無法向電網反饋電能。該模式能夠充分利用電動汽車充電負荷可控、響應速度快等特點，結合電網負荷特性合理安排充電時間，提高配網供電效率和供電經濟性。該模式的充電設備仍然采用單向逆變技術，研究比較成熟，目前已進入示范運營階段。

V1G 模式主要通過分時電價等激勵措施來引導電動汽車進行有序充電。V1G 模式下電動汽車有序充電方案（圖2）所示，圖2 中智能用電預測及管理系統預測配網用電需求，實時通信網絡為電網和用戶提供互動平臺，通過發布實時電價信息，引導電動汽車充電。

圖2 V1G模式下電動汽車有序充電方案

2.1.2 雙向互動模式下電動汽車有序充電

雙向有序充放電模式，簡稱V2G 模式。即可把電網的交流電變成直流電實現充電，又能把電池里的直流電反向變成交流電對電網進行供電，實現削峰填谷。在該模式下，電動汽車成為一個分布式移動儲能單元，可以避開用電高峰時段在用電低谷時段充電，減小電網峰谷差，大幅增加電網的調峰能力。V2G 功能的實現需要電網具有很高的智能化技術水平，同時還需要有先進的雙向逆變充放電技術、精確的信息通信技術和電能雙向計量技術等。目前，V2G 技術尚處于實驗階段，還未在進行商業化試運行。

V2G 模式下，電動汽車不但可以作為交通工具，還可以作為移動式的分布式儲能單元。V2G 模式下電動汽車有序充電方案（圖3），V2G 模式下電動汽車有序充電主要由電池能量管理系統（BMS）、智能充放電設備和電網調控中心共同引導和控制。

圖3 V2G模式下電動汽車有序充電方案

2.2 電動汽車有序充電的意義

配電網與電動汽車之間的雙向互動，能夠改善電網負荷特性，參與電網頻率調節，也可以作為應急電源使用，此外，還能促進新能源分布式發電的消納。

2.2.1 改善電網負荷特性

在配電網中，負荷峰谷差會比較大。在電網負荷的高峰時段，需要有足夠容量的電廠來調節負荷變化，在低谷時則會有很多閑置容量，造成一定程度的浪費。采用有序充電策略時，電動汽車在負荷低谷進行充電，從電網吸收電能；在負荷高峰時段向電網輸送電能。縮小電網峰谷差，起到很好的移峰填谷的作用。減少電網負荷波動，提高電網設備利用率，延緩電網投資，提高電網供電的效率和供電的經濟性。

2.2.2 參與電網頻率調節

電網必須利用調整頻率來滿足負荷與系統功率之間的平衡。在電動汽車有序充電模式下，可在用電低谷時段進行充電，在用電高峰時段則可以進行放電，能夠代替效率較低的電廠進行調頻。當電動汽車大規模進入電網時，電動汽車利用有序充電策略進行充放電及調頻，能夠大幅度提高電網調頻的高效性和經濟性。

2.2.3 用作應急電源

在采用有序充電策略時，電動汽車被看作一種移動的分布式儲能設備，可以作為應急電源使用，可以保證重要負荷的應急供電，節省對應急供電裝置的投資。

2.2.4 促進新能源分布式發電的消納

新能源（如風電或光熱光伏）發電具有隨機性強、波動性大的特點，會對電網的安全、穩定運行產生不利影響。可以利用電動汽車充電負荷可控的特點，將新能源分布式電站、電動汽車充電站和一些其他控制保護設備等組成微網后并網，減小新能源分布式發電出力隨機性對大電網的影響。

2.3 應用案例分析

下文以某市和某區配電網為例，假設呈貢某區電動汽車充電負荷滲透率為20%，簡單分析電動汽車自由充電策略、V1G 有序充電策略、V2G 有序充電策略的差別。

2.3.1 負荷特性

圖4 不同充電策略下電動汽車日充電負荷特性曲線

圖4 給出了自由充電、V1G 有序充電、V2G 有序充電三種充電策略下電動汽車的日充電負荷特性曲線。由圖中曲線分析可知：相比自由充電，V1G和V2G 有序充電策略均減小了白天9:00-17:00 時段內的充電負荷，加大了在03:00-06:00 時段內的充電負荷。

圖5 不同電動汽車充電策略下某市日綜合負荷特性曲線

圖5 給出了在不同電動汽車充電策略下某市日綜合負荷特性曲線，表1 給出了不同電動汽車充電策略下某市綜合負荷的日負荷率和日負荷率。由圖中曲線分析可知：V1G 和V2G 有序充電策略下，時段9:00-18:00 和21:00-01:00 內的綜合負荷有所降低，03:00-07:00 時段內的綜合負荷有所增加。由表中數據分析可知：相比自由充電，V1G 和V2G 有序充電策略下日負荷率略有增加，日最小負荷率則大幅增加。綜上分析可知：有序充電模式下，減小了電動汽車在負荷高峰用電時段內的充電負荷，加大了在負荷低谷用電時段內的充電負荷。因此，減小了配網供電的峰谷差。

表1 不同電動汽車充電策略下某市綜合負荷的日負荷率和日最小負荷率

2.3.2 電壓水平和配網損耗

圖6 不同電動汽車充電策略下某區變110kV側24h平均電壓變化情況

圖6 和7 分別給出了不同充電策略下某區變110kV 和10kV 側的24h 平均電壓變化情況。表2給出了不同充電策略下某區配電網網損變化情況。由圖中曲線由和表中數據分析可知：相比自由充電，V1G 和V2G 有序充電策略下，某區變在24h 內的平均電壓波動相對較小；某區配電網有功損耗均減小，而且V2G 有序充電策略下配網有功損耗減小更多。

圖7 不同電動汽車充電策略下某區變10kV側24h平均電壓變化情況

表2 不同電動汽車充電策略下某區配網的變化情況

綜上分析，相比自由充電，有序充電策略有利于減小了配網24h 內的平均電壓波動，還有利于減小配網有功損耗。

3 小結

在智能配電網背景下的電動汽車有序充電策略應用，可以減弱電動汽車對配電網的不利影響，促進電網對分布式能源的消納，提高配網的供電經濟性和供電效率。可以為配電網和電動汽車的協調發展提供理論參考，具有重要的現實意義。