楊思斯

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410000）

電動(dòng)汽車(chē)充放電行為對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響

楊思斯

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410000）

環(huán)境惡化和資源枯竭等問(wèn)題為可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，而電動(dòng)汽車(chē)是調(diào)和上述矛盾的有效手段。從市場(chǎng)的角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)也在逐步成為未來(lái)主要的城市交通工具。對(duì)于配電網(wǎng)，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)放電時(shí)，可視為配電網(wǎng)的分布式電源；當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，可以視為配電網(wǎng)的負(fù)荷。為此，分析大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充放電行為對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響，對(duì)于利用電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的削峰填谷具有非常重要的意義。

配電網(wǎng)；電動(dòng)汽車(chē)；充放電行為；負(fù)荷曲線

0 引言

發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是解決環(huán)境惡化和資源枯竭等問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效手段。對(duì)于配電網(wǎng)，電動(dòng)汽車(chē)既是電源又是負(fù)荷，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)放電時(shí)，可以視為配電網(wǎng)的分布式電源；當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，可以視為配電網(wǎng)的負(fù)荷。大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)序充放電行為將會(huì)增加配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的峰谷差；而電動(dòng)汽車(chē)充放電行為的可調(diào)特性，又為配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的削峰填谷提供了新的方法。為此，分析大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充放電行為對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響具有非常重要的意義。

1 電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)模型

電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)轉(zhuǎn)換電能的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的互動(dòng)。圖1為電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)連接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中主要包括電動(dòng)汽車(chē)，變流器、變壓器和電網(wǎng)4個(gè)部分，其中變流器包括升壓器和逆變器。充電機(jī)是指圖中變壓器和變流器部分。電動(dòng)汽車(chē)放電過(guò)程：升壓器將電動(dòng)汽車(chē)的低壓直流電壓升為高壓直流電壓，然后通過(guò)逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流，再通過(guò)變壓器接入電網(wǎng)。充電過(guò)程：電網(wǎng)通過(guò)變壓器、逆變器將交流轉(zhuǎn)換成直流，再通過(guò)升壓器逆向降壓給電動(dòng)汽車(chē)充電。電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的電路原理如圖2所示。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)連接示意圖

圖2 電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)的電路原理

圖2中，電動(dòng)汽車(chē)可以等效為一個(gè)理想的電壓源，U1是電壓源的電壓幅值，θ是電壓的相角。R、L是總的功率損耗，主要是來(lái)自變流器的損耗，還包括電池?fù)p耗和變壓器損耗。IL、φ為電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)變流器注入電網(wǎng)的電流及其相角。US、δ是指電流注入點(diǎn)（接入點(diǎn)）的電壓幅值和相角。在充放電過(guò)程中，通過(guò)控制電動(dòng)汽車(chē)的電壓幅值U1和θ相角來(lái)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的注入。當(dāng)需要調(diào)節(jié)有功功率時(shí)，只需要調(diào)整θ，使得θ＜δ，即電動(dòng)汽車(chē)的相角θ落后接入點(diǎn)電網(wǎng)的電壓相角δ，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)將有功功率注入電動(dòng)汽車(chē)；反之，θ＞δ，即電動(dòng)汽車(chē)的相角θ超前接入點(diǎn)電網(wǎng)的電壓相角δ，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)將有功功率注入電網(wǎng)。當(dāng)需要注入無(wú)功功率時(shí)，只需要控制U1＞US，即電動(dòng)汽車(chē)的電壓幅值高于電網(wǎng)的電壓幅值，可以實(shí)現(xiàn)將無(wú)功功率從電動(dòng)汽車(chē)注入電網(wǎng)；反之，U1＜US，即電動(dòng)汽車(chē)的電壓幅值低于電網(wǎng)的電壓幅值，可以實(shí)現(xiàn)將無(wú)功功率從電網(wǎng)注入電動(dòng)汽車(chē)。由此可知，充電機(jī)通過(guò)控制U1和兩個(gè)量就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間有功和無(wú)功的交換。

2 電動(dòng)汽車(chē)充放電行為分析

電動(dòng)汽車(chē)充放電行為具有隨機(jī)性。其隨機(jī)性主要是由車(chē)主的行駛習(xí)慣、初始荷電狀態(tài)SOC0、日行駛里程和開(kāi)始充放電時(shí)刻等決定的［1］。未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的主要功能是替代化石能源汽車(chē)，故選取化石能源汽車(chē)的日行駛里程和最后返回時(shí)刻作為參考來(lái)分析未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的行為特性。圖3和圖4分別是日行駛里程概率分布圖和最后返回時(shí)刻概率分布圖，這兩幅圖是根據(jù)某大城市公布的家庭車(chē)輛行駛行為的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做出直方圖，然后對(duì)直方圖進(jìn)行擬合，得到日行駛里程分布和最后返回時(shí)刻的擬合圖［2］。

由圖3可知，80%的車(chē)日行駛里程都小于40 km。由圖4可知，以1天為周期，最后返回時(shí)刻近似服從正態(tài)分布。大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)在車(chē)主下班回家以后完成了當(dāng)天的行駛里程，此時(shí)也是電動(dòng)汽車(chē)1天中電池荷電狀態(tài)值最小的時(shí)候。車(chē)主會(huì)選擇在這個(gè)時(shí)間將電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)并開(kāi)始充電。故一般情況下1天中最后返回時(shí)刻非常接近開(kāi)始充電時(shí)刻。為了方便研究，假設(shè)車(chē)主返回家中就立馬將電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)開(kāi)始充放電，即開(kāi)始充電時(shí)刻等于最后返回時(shí)刻，則開(kāi)始充電時(shí)刻滿足正態(tài)分布［3］，而日行駛里程滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布［4］。

圖3 日行駛里程概率分布

圖4 最后返回時(shí)刻概率分布

3 電力系統(tǒng)自然負(fù)荷曲線及其特點(diǎn)

配電網(wǎng)自然負(fù)荷的峰谷時(shí)段具有周期性。圖5是某市區(qū)大型居民區(qū)的自然負(fù)荷曲線圖，圖中呈現(xiàn)出雙峰三谷（雙峰為早尖峰、晚尖峰，三谷為前后夜低谷、中午低谷）。早尖峰出現(xiàn)在8∶00—12∶00時(shí)段，負(fù)荷上升的速度快，負(fù)荷上升到最大后迅速下降，尖峰持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)、尖峰的形狀比較陡；晚尖峰出現(xiàn)在15∶00—20∶00時(shí)段，其時(shí)間規(guī)律、負(fù)荷上升的速度、尖峰的形狀和大小與早尖峰相似，只是在尖峰持續(xù)的時(shí)間比早尖峰長(zhǎng)。這兩個(gè)時(shí)段多與用戶家用電等負(fù)荷開(kāi)始上升有關(guān)。21∶00—7∶00時(shí)段、13∶00—15∶00時(shí)段都是電網(wǎng)的低谷期，因?yàn)檫@段時(shí)間人們的很多生活生產(chǎn)都處于休停狀態(tài)。

圖5 自然負(fù)荷曲線

對(duì)配電系統(tǒng)而言，家庭用戶往往表現(xiàn)出相同或者類(lèi)似的電動(dòng)汽車(chē)使用習(xí)慣，如大概都為17∶00—18∶00時(shí)段開(kāi)始停止使用電動(dòng)汽車(chē)并對(duì)其進(jìn)行放電，這一行為將可能增加電動(dòng)汽車(chē)接入對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響。以圖5所示負(fù)荷為例，如果僅僅考慮將所有家用電器的負(fù)荷簡(jiǎn)單疊加，其高峰負(fù)荷可能超過(guò)1000MW，但在絕大部分情況下，不會(huì)出現(xiàn)所有電器同時(shí)運(yùn)行的情況，因此從整個(gè)配電網(wǎng)的角度看，用戶用電習(xí)慣的不同會(huì)降低峰荷水平。然而，若在其它電器正常使用的情況下居民無(wú)序、大量接入電動(dòng)汽車(chē)，由于電動(dòng)汽車(chē)充電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且可能存在大部分家庭的電動(dòng)汽車(chē)在同一時(shí)間處于充電狀態(tài)的情況，造成整個(gè)配電系統(tǒng)的峰荷超出預(yù)想水平，即峰谷差將更加明顯。

4 電動(dòng)汽車(chē)特性分析

為了分析電動(dòng)汽車(chē)充放電行為對(duì)配電網(wǎng)的影響，首先分析電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷特性、放電容量以及考慮電動(dòng)汽車(chē)充放電行為后的放電綜合特性。

4.1 負(fù)荷特性

電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷特性取決于其在電網(wǎng)中的滲透率和充放電行為。為了分析電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷特性，需要得到電動(dòng)汽車(chē)任意時(shí)刻充電功率的概率分布，圖6是以1 000輛電動(dòng)汽車(chē)為例，在1天內(nèi)用蒙特卡羅仿真法對(duì)其充電功率概率密度函數(shù)進(jìn)行抽樣，得到的充電負(fù)荷曲線。

4.2 放電容量

電動(dòng)汽車(chē)放電容量是指1天內(nèi)某一時(shí)刻該城市或某區(qū)域所有電動(dòng)汽車(chē)的放電能力的總和。電動(dòng)汽車(chē)放電需要滿足兩個(gè)條件：有剩余電能；有相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制能夠刺激用戶同意向電網(wǎng)放電。由于1輛充滿電后的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程可以達(dá)到100 km以上，而最新發(fā)布的特斯拉電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程可以達(dá)到800 km。而由圖3可知，80%的車(chē)日行駛里程都小于40 km?？梢?jiàn)，還有大部分的電能可以在用戶回到家以后反饋給電網(wǎng)。對(duì)于配電網(wǎng)，時(shí)段19∶00—24∶00是負(fù)荷的高峰期，時(shí)段00∶00—07∶00是負(fù)荷的低谷期。考慮激勵(lì)電價(jià)的存在，車(chē)主會(huì)選擇在負(fù)荷的高峰期向電網(wǎng)放電，而低谷期給電動(dòng)汽車(chē)充電。如此，既能達(dá)到削峰填谷的作用，又能降低電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的成本，實(shí)現(xiàn)用戶和電網(wǎng)雙贏。

圖6 充電負(fù)荷曲線

因此，電動(dòng)汽車(chē)一天內(nèi)的放電容量主要包括19∶00—24∶00和00∶00—07∶00兩個(gè)時(shí)段。受激勵(lì)電價(jià)的影響，19∶00—24∶00時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)向電網(wǎng)放電，而00∶00—07∶00時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)充電。

假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)都在時(shí)刻24∶00放電結(jié)束，首先考慮一輛電動(dòng)汽車(chē)的放電容量，然后以1 000輛電動(dòng)汽車(chē)為例，分別在時(shí)段00∶00—07∶00和19∶00—24∶00內(nèi)采用統(tǒng)計(jì)法得到放電容量曲線，如圖7所示。

圖7 放電容量曲線

4.3 綜合特性

未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)將分為接受激勵(lì)電價(jià)參與電網(wǎng)調(diào)度和不參與電網(wǎng)調(diào)度兩大類(lèi)，電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為對(duì)負(fù)荷曲線的影響是指這兩大類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)充放電行為的綜合特性。根據(jù)本章前面的分析，參與電網(wǎng)調(diào)度的電動(dòng)汽車(chē)是指在一天中最后返回時(shí)刻選擇向電網(wǎng)放電，其放電行為特性符合圖7放電容量特性。反之，其充電行為符合圖6的負(fù)荷特性。假設(shè)以1 000輛電動(dòng)汽車(chē)為例，1 000輛電動(dòng)汽車(chē)中參與電網(wǎng)調(diào)度和不參與電網(wǎng)調(diào)度的這兩類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的比例為1∶3，則根據(jù)圖6～7中的數(shù)據(jù)，可以得到可以反映其最終充電情況的綜合特性曲線如圖8所示。

圖8 綜合特性曲線

從圖8可知，受電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主意愿、當(dāng)日行駛里程和激勵(lì)電價(jià)等因素的影響，使得部分電動(dòng)汽車(chē)愿意參與削峰填谷，從而得到電動(dòng)汽車(chē)的綜合特性曲線，從曲線可以看出，一部分電動(dòng)汽車(chē)參與調(diào)度后，其充電功率在時(shí)間段19∶00—24∶00出現(xiàn)了峰值，時(shí)間段00∶00—07∶00也出現(xiàn)了一個(gè)小高峰。其余時(shí)間段，由于很少有電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為，故曲線數(shù)值很小且趨于平穩(wěn)。

5 電動(dòng)汽車(chē)充放電對(duì)負(fù)荷曲線影響

為了分析電動(dòng)汽車(chē)充放電對(duì)負(fù)荷曲線影響，采用如圖9所示的配電線路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。假設(shè)該條線路只有1個(gè)電源點(diǎn)，89個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，其中39個(gè)是電動(dòng)汽車(chē)充放電負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，線路配變總?cè)萘?5 000 kVA。圖10是不參與調(diào)度和參與調(diào)度電動(dòng)汽車(chē)的比例為1∶3的情況下，不同規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)充放電行為對(duì)日負(fù)荷曲線的影響。

圖9 配電線路結(jié)構(gòu)圖

圖10 不同規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)充放電行為對(duì)日負(fù)荷曲線的影響

圖10中不同規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)充放電行為對(duì)日負(fù)荷曲線的影響可以從3個(gè)時(shí)間段來(lái)分析：時(shí)間段09∶00—12∶00，不同規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)充放電行為對(duì)日負(fù)荷曲線沒(méi)有影響，原因是這個(gè)時(shí)間段電動(dòng)汽車(chē)很少有充放電行為。時(shí)間段00∶00—07∶00，電動(dòng)汽車(chē)的放電行為對(duì)負(fù)荷曲線起到了“填谷”的作用，且電動(dòng)汽車(chē)的規(guī)模越大，效果越好。時(shí)間段17∶00—24∶00，電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為增加了日負(fù)荷曲線的峰值，且規(guī)模越大，峰值越大?？梢?jiàn)，僅僅依靠激勵(lì)電價(jià)下調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為并不能使達(dá)到滿意的削峰填谷效果。

6 結(jié)語(yǔ)

建立電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)模型，介紹電力系統(tǒng)自然負(fù)荷曲線及其特點(diǎn)，分析電動(dòng)汽車(chē)充放電行為對(duì)負(fù)荷曲線的影響，得出了電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)序充放電行為會(huì)增大配電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的結(jié)論。算例表明如依靠激勵(lì)電價(jià)調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為，不能完全達(dá)到削峰填谷的目的。電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為增加了日負(fù)荷曲線的峰值，且規(guī)模越大，峰值越大。因此，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為，需要進(jìn)一步制定具體的調(diào)度策略，如聚類(lèi)分區(qū)集中調(diào)度或者電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)分布式調(diào)度策略使電動(dòng)汽車(chē)接入配電網(wǎng)參與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的削峰填谷。

［1］Srivastava A K，Annabathina B，Kamalasadan S.The challenges and policy options for integrating plug-in hybrid electric vehicle into the electric grid［J］.The Electricity Journal，2010，23（3）：83-91.

［2］熊腡成.基于多尺度空間的層次聚類(lèi)的電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)化調(diào)度研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2013.

［3］王陸璐，熊一，石露，等.基于車(chē)流密度曲線的電動(dòng)汽車(chē)充電站有功特性建模研究［C］.中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)第二十七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論集，2011：1-5.

［4］孫鳳杰，尹國(guó)龍.電動(dòng)汽車(chē)對(duì)配電系統(tǒng)負(fù)荷率影響的探討［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（13）：42-43，214.

Influence on the Load Curve of Distribution Network by Electric Vehicles

YANG Sisi
（Hunan Technical College of Water Resources and Hydropower，Changsha 410000，China）

Environmental degradation and depletion of resources and other issues have brought about severe challenge to sustainable development.Electric vehicles are one of the effective means to reconcile these contradictions.From the perspective of marketing，electric vehicles are becoming the next major transport in cities.For the distribution network，electric vehicles can be regarded as the distributed power sources when discharging and can be regarded as load when being recharged.Thus it is of crucial significance to analyze the influence on the distribution network load curve by disordered charge and discharge of large-scale electric vehicles.It is important both for scheduling policies of electric vehicles and for the realization of load shifting by means of the charging and discharging behavior of the electric vehicles.

distribution network；electric vehicles；charge and discharge behavior；load curve

TM910，TM714

B

1007－9904（2015）03－0053－04

2014-10-17

楊思斯（1983），女，講師，從事電氣工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)工作。