董云先，吳奎華，吳奎忠，張曉磊，賈善杰

（1.華電國(guó)際電力股份有限公司萊城發(fā)電廠，山東 萊城 271100；2.山東電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250001；3.吉林省電力有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；4.山東電力集團(tuán)公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

隨著全球能源危機(jī)不斷加深，石油資源日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，節(jié)能降耗和減少對(duì)化石燃料的依賴已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題，發(fā)展電動(dòng)汽車將是解決這兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)的最佳途徑［1］，其中純電動(dòng)汽車被認(rèn)為是汽車工業(yè)的未來(lái)［2］。

電動(dòng)汽車（electric vehicle，EV）是全部或部分使用電力代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石油對(duì)汽車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠降低碳排放且噪聲低，是解決交通、能源和環(huán)境問(wèn)題的重要手段。與此同時(shí)，大規(guī)模電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)勢(shì)必會(huì)將改變系統(tǒng)原有的負(fù)荷特性，對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行產(chǎn)生影響［3-5］。

因此，有必要對(duì)電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)的影響進(jìn)行超前研究，提出應(yīng)對(duì)措施，滿足未來(lái)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 電動(dòng)汽車典型充電模式

電動(dòng)汽車充電負(fù)荷特性與其充電模式密切相關(guān)，不同的充電方式對(duì)電動(dòng)汽車負(fù)荷模型會(huì)有不同的影響。根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的技術(shù)和使用特性可以分為常規(guī)充電、快速充電和電池組快速更換系統(tǒng)三種模式。按照電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的互動(dòng)程度，其充電模式可分為分布式即插即充模式、集中式充電模式、智能充電模式。

1.1 分布式即插即充模式

這種情況主要針對(duì)大量低電壓（380 V/220 V）分布式充電點(diǎn)，主要集中于居民樓和很多辦公區(qū)的停車場(chǎng)。 在這種模式下電動(dòng)汽車的充電時(shí)間和地點(diǎn)完全由用戶自由支配，基本不考慮電網(wǎng)的運(yùn)行特性。 同時(shí)，受基礎(chǔ)設(shè)施的影響，主要采用普通充電方式，充電電流一般在 0.2～0.5 C（0.2 C表示理想狀態(tài)下1/0.2＝5 h充電充滿，其他充電時(shí)間同理），電池充電狀態(tài)（state of charge，SOC）從 0提升至100%大概需要5～8 h。

1.2 集中式充電模式

集中式充電主要是指某個(gè)特定時(shí)段進(jìn)行集中充電，主要包括電池交換站和快速充電站?？焖俪潆娭鸽姵爻潆婋娏鲙妆队谡３潆婋娏鞯那闆r，從而可以在很短的時(shí)間內(nèi)將電池SOC提高。 例如，以2 C的電流充電，0.5 h時(shí)間內(nèi)可以將電池的SOC從0提升到80%左右。中國(guó)目前主要采用換電為主、插充為輔、集中充電的方式，如圖1。

圖1 電動(dòng)汽車物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

1.3 智能充電模式

根據(jù)是否向電網(wǎng)返送電力分為智能單向有序充電模式和智能雙向有序充放電模式（V2G）。其中，V2G是指與電網(wǎng)相連接的電動(dòng)汽車（Vehicle）作為一種分布式負(fù)荷和電能存儲(chǔ)設(shè)備，可以向電網(wǎng)釋放存儲(chǔ)在其動(dòng)力電池內(nèi)的電能，在用電高峰時(shí)段或電網(wǎng)故障等緊急情況下向電網(wǎng)反送電力進(jìn)行支援，從而為優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行和安全提供積極支持［6］。

2 邊界條件與假設(shè)條件

為了說(shuō)明不同充電模式對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響，在一定假設(shè)條件下，分析得到電動(dòng)汽車發(fā)展對(duì)區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷特性影響的一般性結(jié)論。

2.1 系統(tǒng)條件

2010年，某區(qū)域電網(wǎng)最高供電負(fù)荷達(dá)到4 468萬(wàn)kW，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，預(yù)計(jì)“十二五”期間該區(qū)域電力負(fù)荷年均增長(zhǎng)率為11.8%，“十三五”期間年均增長(zhǎng)率為6.5%，2020—2030年間該區(qū)域電力負(fù)荷年均增長(zhǎng)率約為3.2%。

2010年該區(qū)域電網(wǎng)夏季、冬季典型日負(fù)荷曲線如圖2所示。夏季典型日中，全天有2次負(fù)荷高峰，分別在11：00、16：00左右，主要受空調(diào)負(fù)荷上升的影響；負(fù)荷低谷出現(xiàn)在4：00和23：00左右，主要是凌晨和深夜的天氣涼爽所致。在冬季典型日中，全天有2次負(fù)荷高峰，分別在11：00和18：00左右，負(fù)荷低谷出現(xiàn)在4：00和23：00左右。

圖2 夏季、冬季典型日負(fù)荷曲線

2.2 假設(shè)條件

2011年，該區(qū)域機(jī)動(dòng)車年增量超過(guò)100萬(wàn)輛，保有量超過(guò)2 000萬(wàn)輛。根據(jù)世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，千人汽車擁有量與人均國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）密切相關(guān)。到2020年，全省汽車保有量3 000萬(wàn)輛；到2030年，全省汽車保有量達(dá)4 000萬(wàn)輛。

隨著電動(dòng)汽車配套設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的完善和市場(chǎng)的成熟，電動(dòng)汽車將逐步替代傳統(tǒng)燃油汽車。假設(shè)2020年該區(qū)域電動(dòng)汽車保有量為30萬(wàn)輛，約占汽車總量的1%；2030年電動(dòng)汽車保有量為80萬(wàn)輛，約占汽車總量的2%。按照運(yùn)行特性上的差異，電動(dòng)汽車可大致分為私家車、公務(wù)車、出租車和公交車4類，其年行駛里程和日耗電量分析見(jiàn)表1。其中，出租車和公交車日耗電量多，需采用多次充（換）電才能滿足日運(yùn)行的需求。

表1 不同類型電動(dòng)汽車行駛里程和耗電量

表2 不同類型電動(dòng)汽車保有量 萬(wàn)輛

3 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線

3.1 即插即充模式

3.1.1 公交車充電負(fù)荷曲線

考慮公交車每天需充電2次，晚間充電時(shí)間為非運(yùn)營(yíng)時(shí)間，統(tǒng)一集中充電，運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)的充電是在運(yùn)營(yíng)中為公交車補(bǔ)充充電。經(jīng)過(guò)對(duì)山東臨沂焦莊充電站的10輛電動(dòng)公交車日常運(yùn)行負(fù)荷實(shí)測(cè)得到公交車充電負(fù)荷分布曲線，如圖3所示。

圖3 公交車充電負(fù)荷分布曲線

3.1.2 出租車充電負(fù)荷分布

考慮出租車每天需充電2次。 按出租車的常規(guī)做法，交班時(shí)將加滿油（充滿電），目前該區(qū)域出租車的交班時(shí)間一般為 7：00、19：00，集中充電可能會(huì)造成充電需求高峰，充電站將全部同時(shí)被出租車占用，并造成阻塞。因此必須改變集中交接班的慣例，錯(cuò)開(kāi)交班時(shí)間，否則很有可能不能同時(shí)運(yùn)營(yíng)所有車輛。出租車的充電時(shí)段按照出租車錯(cuò)開(kāi)交班，充電站連續(xù)接待出租車入站充電來(lái)考慮，出租車充電負(fù)荷在全天內(nèi)滿足均勻分布，每萬(wàn)輛電動(dòng)汽車最大充電負(fù)荷按350 MW考慮。

3.1.3 公務(wù)車和家用車負(fù)荷曲線

電動(dòng)公務(wù)車和家用車一般采用慢充充電樁充電。在無(wú)經(jīng)濟(jì)利益和政策引導(dǎo)的情況下，電動(dòng)公務(wù)車和家用車的充電行為通常較隨意，充電起始時(shí)間根據(jù)用戶偏好而隨機(jī)選擇，而這些因素的波動(dòng)在正常情況下是互不干擾的，且可以疊加，根據(jù)概率論的相關(guān)理論，可認(rèn)為這樣的隨機(jī)變量服從正態(tài)分布。本文使用蒙特卡洛隨機(jī)性算法［8］估計(jì)了一天當(dāng)中電動(dòng)公務(wù)車和家用車負(fù)荷曲線，擬合結(jié)果為：

擬合曲線如圖4所示，從圖中可以看出電動(dòng)公務(wù)車和家用車負(fù)荷曲線一天當(dāng)中存在兩個(gè)高峰期，分別是中午和傍晚。造成這種分布的主要原因是用戶習(xí)慣所決定的，中午12：00的用電高峰主要是由于上午汽車用戶使用過(guò)以后，利用中午時(shí)間進(jìn)行充電。而傍晚的用電高峰主要是由于電動(dòng)汽車運(yùn)行一天后，電池基本用完，所以利用夜間進(jìn)行充電。

圖4 24 h充電站負(fù)荷曲線

3.2 集中充電模式

私家車和公務(wù)車具有柔性充電負(fù)荷特性，可避開(kāi)用電高峰時(shí)段進(jìn)行充電，按20：00—04：00進(jìn)行充電考慮，每車最大慢充充電功率為5 kW。出租車和公交車受運(yùn)行限制表現(xiàn)為剛性充電負(fù)荷，出租車的充電行為可以與即插即充模式保持一致，但公交車一般 22：00后停止運(yùn)行，按 22：00—04：00 進(jìn)行充電考慮。

3.3 智能V2G模式

智能V2G模式下，電動(dòng)汽車等效充電負(fù)荷與電網(wǎng)運(yùn)行特性密切相關(guān)。 出租車和公交車受運(yùn)行限制只能采用快速充電，私家車、公務(wù)車與電網(wǎng)通過(guò)實(shí)時(shí)通信，可實(shí)現(xiàn)其整體充電功率與電網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)調(diào)控制。電動(dòng)汽車削峰填谷效果與參與智能V2G的電動(dòng)汽車數(shù)量和電量均有關(guān)系。

假設(shè)80%的私家車和公務(wù)車參與電網(wǎng)夜間填谷，填谷電量為其日耗電量；20%的私家車參與到電網(wǎng)削峰調(diào)節(jié)，每車能夠提供調(diào)節(jié)電量按10 kWh考慮。

4 電動(dòng)汽車對(duì)區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響分析

該區(qū)域電網(wǎng)最大用電負(fù)荷和峰谷差都出現(xiàn)在冬季，因此，著重研究不同電動(dòng)汽車充電模式對(duì)電網(wǎng)冬季負(fù)荷特性的影響。 計(jì)及不同電動(dòng)汽車充電模式影響的該區(qū)域電網(wǎng)冬季典型日負(fù)荷曲線如圖5和圖6所示，負(fù)荷特性的詳細(xì)指標(biāo)見(jiàn)表3和表4。

圖5 不同充電模式對(duì)2020年冬季負(fù)荷特性的影響

圖6 不同充電模式對(duì)2030年冬季負(fù)荷特性的影響

表3 考慮充電負(fù)荷的電網(wǎng)2020年負(fù)荷特性指標(biāo)

表4 考慮充電負(fù)荷的電網(wǎng)2030年負(fù)荷特性指標(biāo)

由圖5可以看出至2020年該區(qū)域電動(dòng)汽車發(fā)展規(guī)模比較有限（占全省汽車保有量的1%），加之其充電負(fù)荷高峰并未出現(xiàn)在冬季負(fù)荷的高峰時(shí)段，故對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)冬季負(fù)荷特性的影響較小；智能V2G模式下，電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)削峰填谷調(diào)節(jié)的效果非常明顯，日最小負(fù)荷率達(dá)到93%。

由圖6可以看出至2030年電動(dòng)汽車發(fā)展已達(dá)到較大規(guī)模（占全省汽車保有量的2%），某一時(shí)段大量集中充電產(chǎn)生的負(fù)荷與電網(wǎng)原始負(fù)荷的疊加將導(dǎo)致電網(wǎng)早高峰和晚高峰負(fù)荷水平大大增加，最高負(fù)荷約增加30%，且出現(xiàn)時(shí)間提前或延后。

從2020年和2030年的對(duì)比分析可見(jiàn)，電動(dòng)汽車發(fā)展規(guī)模越大，不同充電模式之間對(duì)電網(wǎng)的影響區(qū)別也就越明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立不同充電模式下各類電動(dòng)汽車負(fù)荷模型，預(yù)測(cè)該區(qū)域電網(wǎng)電動(dòng)汽車負(fù)荷，分析電動(dòng)汽車對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)冬季日負(fù)荷曲線的影響。預(yù)計(jì)至2020年，該區(qū)域電動(dòng)汽車數(shù)量將達(dá)到30萬(wàn)輛，但對(duì)該區(qū)域電網(wǎng)冬季負(fù)荷特性的影響較??；如果對(duì)充電行為加以引導(dǎo)，電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)削峰填谷調(diào)節(jié)的效果非常明顯。但到2030年電動(dòng)汽車發(fā)展已達(dá)到較大規(guī)模，某一時(shí)段大量集中充電導(dǎo)致電網(wǎng)早高峰和晚高峰負(fù)荷水平大大增加，且出現(xiàn)時(shí)間提前或延后，應(yīng)加大電網(wǎng)建設(shè)力度，與電動(dòng)汽車的快速增長(zhǎng)相協(xié)調(diào)。

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