張樂平，許燕灝，胡紅，張子昊

(1.南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣州市 510080;2.廣東電網(wǎng)公司，廣州市 510080;3.廣東實驗中學，廣州市 510735)

0 引言

規(guī)?；妱悠嚨碾娏π枨髮殡娋W(wǎng)帶來壓力和挑戰(zhàn)。關于電動汽車對電網(wǎng)的影響已有多篇文獻在不同計算條件下進行了評估，由于考查案例和計算方法的不同，關于電動汽車對電網(wǎng)的影響出現(xiàn)了不同的結論。

關于電動汽車對電網(wǎng)影響的擔憂，最為突出的是其充電負荷可能引發(fā)的電網(wǎng)升級改造需求。關于電動汽車對發(fā)電和輸電影響的研究集中在電動汽車電量和電力需求。文獻［1］指出，若利用低谷時段充電，美國現(xiàn)有發(fā)電和輸電能力可滿足73%輕型車輛的需求。文獻［2］考慮電動汽車傍晚充電和夜間充電2種情景，指出:在傍晚充電情境下，電動汽車將使電網(wǎng)峰值負荷產(chǎn)生較大增長，到2030年美國13個供電區(qū)域中將有10個區(qū)域需要新增裝機以滿足電動汽車電能需求。文獻［3］以澳大利亞珀斯地區(qū)為案例，參照傳統(tǒng)車輛行駛統(tǒng)計特性進行計算，指出若該地區(qū)所有乘用車替換為電動汽車，現(xiàn)有輸電線路和變電站可滿足100%車輛的需求，但如果不增加該地區(qū)的裝機容量，需要在負荷高峰日對93%的車輛進行管理。關于電動汽車對配電網(wǎng)的影響研究集中在線路和變壓器負載率、設備壽命、線損、壓降、可靠性、不平衡和諧波等問題的評估。文獻［4］對帶有不同數(shù)量電動汽車的變壓器熱點溫度進行了計算，得出嚴重情況下電動汽車充電負荷將使變壓器壽命降低12%。文獻［5］對某城市生活區(qū)的89條10 kV線路進行考查，結果表明當該區(qū)域電動汽車滲透率達到20%以上時，線路末端壓降將出現(xiàn)越限。文獻［6］指出電動汽車充電引起的線損和壓降在進行優(yōu)化充電管理后仍不可忽視。

眾多研究表明，電動汽車對電網(wǎng)的影響評估應結合所考查電網(wǎng)運行情況。在發(fā)電和輸電層面，電動汽車對電網(wǎng)的影響與電動汽車的總體數(shù)量以及用戶行駛和充電的統(tǒng)計特性有關;而在配電層面，電動汽車對電網(wǎng)的影響還與充電設施位置分布以及各特定區(qū)域和場所下的用戶特性有關。

本文基于電網(wǎng)運行指標，提出規(guī)?；妱悠噷﹄娋W(wǎng)影響的指標體系。根據(jù)電動汽車充電負荷的隨機性，建立2個層次的評估方法。

1 電動汽車對電網(wǎng)影響的評估指標和方法

電網(wǎng)評價指標可劃分為安全性、可靠性、優(yōu)質(zhì)性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟性、高效性等指標［7］，電網(wǎng)運行特性取決于電網(wǎng)自身的結構、設備容量與所帶負荷特性之間的匹配關系。規(guī)?；妱悠嚦潆娯摵蓪⒁瓞F(xiàn)有負荷特性的改變，進而使電網(wǎng)與負荷的匹配關系發(fā)生變化，如果電網(wǎng)不對這種改變進行適應性的變化，電動汽車將對電網(wǎng)的各個指標產(chǎn)生不同程度的影響。

為了對電動汽車充電負荷對電網(wǎng)的影響進行分析，本文從發(fā)電、輸電和配電層面對電網(wǎng)運行指標進行了選取，在電網(wǎng)運行指標基礎上，提出電動汽車對電網(wǎng)影響的評價指標，如圖1所示。電動汽車對電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)于安全性、可靠性、經(jīng)濟性和高效性，另外，電能質(zhì)量也是評估的重要內(nèi)容之一。

上述對電網(wǎng)的影響指標，考察的是考慮電動汽車前后這些指標的變化量，如電壓降的變化幅度。在這些指標的評估中，需要根據(jù)指標內(nèi)容的不同設定不同的考察區(qū)域，如對發(fā)電和輸電的影響，應對一定區(qū)域的電動汽車進行整體考察。對于配電，可以對一個城市乃至某一個供電區(qū)域內(nèi)的電動汽車進行考察。

根據(jù)評估范圍、層面和指標內(nèi)容的不同，需要建立適當?shù)某潆娯摵捎嬎隳Ｐ鸵约坝绊懺u估方法。對于發(fā)電和輸電層面，需要衡量電動汽車整體電力需求，進而對系統(tǒng)容量進行評估。此時，應用基于特定充電情形的方法，可以簡便地對不同情形下電網(wǎng)的承受能力進行評估［8］，該方法適用于不掌握電動汽車負荷特性的情況，可作為電網(wǎng)影響評估的前期工作。在一定統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎上，應考慮電動汽車充電負荷的隨機性［9-10］，本文給出一種總充電負荷的計算方法，如圖2所示。在給定條件和隨機特性下，應用蒙特卡羅仿真［11-12］求出1輛電動汽車在1日各時刻充電負荷的期望和方差，進而得到一定規(guī)模數(shù)量電動汽車在各時間點總負荷的期望和方差，疊加電網(wǎng)負荷曲線后得到負荷曲線的變化。電網(wǎng)背景負荷應與電動汽車的充電特性在同一時間和空間尺度劃定，考慮電網(wǎng)負荷的統(tǒng)計特性并得到疊加后負荷曲線的概率分布。

圖1 電動汽車對電網(wǎng)影響的指標體系Fig.1 Indices of EVs impact on power grid

圖2 規(guī)?；妱悠嚳傮w充電負荷計算及系統(tǒng)容量評估方法Fig.2 Large-scale EVs charging load calculation and system capacity evaluation method

對于配電網(wǎng)負載率、線損、壓降等運行指標，由于電動汽車充電負荷在一定區(qū)域內(nèi)具有空間分布特征，對上述指標的評估需要考慮充電負荷在配電網(wǎng)絡節(jié)點的分布，以得到電動汽車對不同地區(qū)的影響［13］。在特定充電情形下，通過傳統(tǒng)的確定性潮流計算可得到各指標的結果。若考慮電動汽車充電負荷的隨機特性，需要通過概率潮流計算進行各項指標的評估［10］。本文基于隨機潮流計算提出電動汽車對配電網(wǎng)影響的評估計算方法，如圖3所示。

圖3 電動汽車對配電網(wǎng)運行影響的評估方法Fig.3 Evaluation method of EVs impact on distribution system's operation

對于電動汽車充電引起的其他問題，包括可靠性、設備壽命、電能質(zhì)量等，需要在電動汽車充電負荷計算基礎上，建立其他模型和評估方法，在這些問題的評估中，考慮電動汽車充電的隨機性有助于得到更加客觀的結果，如評估由單相充電機引起的不對稱問題時，同時充電的同時率將對三相不對稱度計算結果產(chǎn)生較大影響。電動汽車充電特性的隨機性，取決于電動汽車的數(shù)量、充電地點、充電功率、用戶行為等。

2 案例分析

2.1 規(guī)?；妱悠囌w充電負荷及其影響

以Nissan Leaf(電池容量為 24 kW·h，每100 km耗電量20 kW·h)為參考車型。分別考慮電動汽車充電功率為3.5 kW(單相220 V，16 A)、7 kW(單相 220 V，32 A)和 20 kW(三相 380 V，32 A)，充電過程簡化為恒功率過程。假設用戶每日進行1次充電，關于用戶的充電開始時間分布，本文參考了美國家用車輛調(diào)查機構對車輛最后一次行程結束時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［14］，以及美國Idaho國家實驗室2009年對67輛家用PHEV(經(jīng)改裝的Toyota Prius)的路測試驗統(tǒng)計結果［15］。本文假設用戶每次充電都至滿電量，每次充電的電量與用戶當日的行駛里程相關，同樣分別采用了NHTS及Idaho的統(tǒng)計數(shù)據(jù)?？紤]用戶行為和充電功率的組合，本文設定了6種充電情形，如表1所示。

表1 電動汽車充電情形Tab.1 EVs charging case

依據(jù)圖2所示的方法，按照上述6種充電情形，建立k輛電動汽車的充電負荷模型，圖4給出了k=100000輛時，各情形下的整點充電負荷及誤差區(qū)間。

表2給出最大和最小充電負荷及其發(fā)生時刻。

在上述計算基礎上，以我國某城市為考察對象，假設該城市私人電力汽車保有量達到當前私人汽車保有量的25%，在該城市日負荷曲線基礎上疊加充電負荷后，電網(wǎng)峰值負荷的增長情況如表3所示。

從表3可看出，應用不同情形下充電負荷模型時，城市電網(wǎng)負荷增長為3.01% ～5.24%。電動汽車峰值充電負荷與原有峰值負荷在時間上的相關性決定了疊加后負荷的增長。對于所考察城市，充電情形III下電動汽車充電引起的負荷增長較顯著。

2.2 電動汽車對配電網(wǎng)的影響

本文以某住宅區(qū)域的配電網(wǎng)為例，考察充電負荷引起線路和變壓器負載率的變化。該地區(qū)主要由1條10 kV饋線供電，帶有6個居民小區(qū)(約3000戶居民)以及2個企事業(yè)單位的部分負荷，如圖5所示。

圖5 某住宅區(qū)配電網(wǎng)結構Fig.5 Distribution network in a residential area

該線路供應區(qū)域的私人汽車保有量約為1200輛?？紤]25%的電動汽車保有量，按照表2中充電情形II對應的充電特性，根據(jù)圖3所提供的方法對該簡單配電網(wǎng)進行了隨機潮流計算。線路負載率的分布如圖6所示，居民小區(qū)2配電變壓器負載率的分布如圖7所示。

根據(jù)原負荷曲線樣本，10 kV線路負載率為33% ～42%，居民小區(qū)2配電變壓器(630 kVA)負載率為13% ～44%。

計算結果表明，增加充電負荷后，10 kV線路負載率提高至36% ～46%，居民小區(qū)配變負載率提高至31% ～60%。

3 結論

在一定考察范圍內(nèi)，電動汽車對電網(wǎng)的影響可通過各種電網(wǎng)運行指標得到反映。本文在電網(wǎng)運行指標基礎上，針對發(fā)電、輸電和配電層面提出了電動汽車對電網(wǎng)影響的評價指標。基于電動汽車充電負荷的隨機特性，提出了電動汽車對電網(wǎng)影響的評估方法。按照所提出的規(guī)?；妱悠囌w負荷計算方法，計算了6種充電情形下電動汽車的充電負荷，并考察了對某城市電網(wǎng)峰值負荷的影響。按照所提出的配電網(wǎng)影響評估方法，以某城市居民區(qū)配電網(wǎng)絡為例，對電動汽車充電負荷對該網(wǎng)絡的負載率進行了計算。計算結果表明，相比于系統(tǒng)整體負荷增長，充電負荷引起的“本地問題”更為顯著?？疾靺^(qū)域越大，得益于充電負荷的分布特征，電動汽車對該項指標的影響越不顯著。除電動汽車負荷的隨機性外，與原有負荷在時間和空間上的關聯(lián)程度也是重要的影響因素。

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