李凱婷 陳世喆 李天然

（南京師范大學電氣與自動化工程學院，南京 210042）

電動汽車對低壓配電網的影響

李凱婷 陳世喆 李天然

（南京師范大學電氣與自動化工程學院，南京 210042）

近年來，人們對環(huán)境和能源問題的關注，使電動汽車技術發(fā)展迅速。可以預見未來大規(guī)模電動汽車的使用將給電網帶來重大影響。本文仿真分析了電動汽車在無序充電、有序充電模式以及V2G模式下對低壓配電網的影響。仿真結果表明：若不對其充電進行調控，則可能會增大電力峰荷，導致變電容量需求增加；若充電管理計劃得當，并充分利用V2G技術，則可有效調整負荷曲線，滿足現有變電容量，并可消納過剩可再生能源。

電動汽車；低壓配電網；負荷曲線；可再生能源

電動汽車以電代油，具有綠色、環(huán)保的特點，在實現低碳無污染的同時，也使能源得到高效和均衡地利用。目前，市場上已經出現了一系列的電動汽車，主要包括混合動力電動汽車（PHEV）和小型全充電電動汽車（EV）。汽油價格的不斷上漲和電池技術的不斷發(fā)展，會促進 EV價格的降低，從而讓電動汽車的選擇更具吸引力。

1 仿真工具

本文利用文獻[6]中建立的仿真工具進行分析。該工具基于Excel軟件設計，界面如圖1所示。用戶可以在界面上選擇負荷曲線類型（夏季或冬季），設置每個節(jié)點上的負荷數量，負荷類型（居民住宅、商店、學校、工廠等），也可以設置每個節(jié)點上的電動汽車數量及充電功率類型（3kW或7kW），以及電動汽車的起動充電時間、初始SOC值，如圖2所示。

圖1 工具的數據輸入頁

圖2 電動汽車充電模式選擇

在該工具中，由于對于電纜的長度和類型（例如每單位長度的電阻或電抗，如圖3所示）和變壓器額定參數，都可以根據實際情況進行設置，所以該工具可以被普遍使用。

圖3 400V線路參數

2 仿真場景設置

本文根據我國南方某地區(qū)的低壓電網進行建模分析[7]，圖4所示為該電網等效模型。400V低壓配電網的線路參數如圖 3所示。線路的長度分別為100m、100m、50m、30m、50m、100m。

圖4 某地區(qū)低壓配電網等效模型

本案例中，每個節(jié)點設置的家庭數分別為17、18、16、5、4、1。有兩種家用電動汽車充電器容量可以選擇，其分別為3kW和7kW。在無電動汽車的情況下，3kW和7kW家用充電器連接數均被設置為0。其他情況下，需要根據具體情況進行設置。

居民普通日負荷的數據見表 1。居民日負荷曲線圖如圖5[7]所示。

表1 典型居民負載日負荷曲線數據

圖5 冬、夏季居民負載日負荷曲線

本文主要設置以下兩個仿真場景。

首先，針對無可再生能源發(fā)電的情況下，分析電網接入電動汽車的影響，分為下面3個情況：

（1）基本情況（無電動汽車）。

以甘肅省農村信息公共服務網絡工程一期項目、甘肅省農村信息公共服務網絡工程二期項目為契機，通過政府補助和企業(yè)自籌相結合的方式，加大資金投入，加快農業(yè)信息化發(fā)展。省、縣財政補助資金達170多萬元，主要用于縣級農業(yè)信息服務平臺建設，村級信息點工作經費，新技術、新產品的示范應用等方面，為各項工作的順利開展提供了資金保障。

（2）接入電動汽車充電（10%和30%）。

（3）利用 V2G技術解決變壓器超負荷問題（30%的電動汽車）。

其次，對于預測的2050年增加可再生能源發(fā)電的情況，電網會連接熱泵、風力發(fā)電機、光伏發(fā)電系統(tǒng)等。通過V2G技術和分階段充電緩解低壓配電網問題，可分為下面兩個情況：

（1）使用V2G技術緩解過量DG導致的變壓器過載。

（2）使用分階段充電和V2G緩解過量DG導致的過電壓。

3 仿真結果分析

3.1 由于不受控制的充電導致變壓器超負荷

1）基本情況（無電動汽車）

基本情況下的仿真結果如圖6所示，僅包括居民負載，沒有可再生能源、電動汽車、熱泵等。這表明在基本情況下，低壓配電網的性能基本符合要求，沒有變壓器超負荷或線電流過載的問題，節(jié)點電壓也都在允許的范圍內。

圖6 基本情況的仿真結果

2）接入不同數量的電動汽車

當低壓配電網接入電動汽車時，若電動汽車用戶完全按照自身的意愿和需求進行充電，不接受引導和充電時間控制，則為無序充電。不受控制的電動汽車充電的仿真結果，如圖7所示。主要使用7kW的家用充電器，分別接入了不同數量的電動汽車（分別為10%和30%），假設大部分電動汽車會在用戶下班回家后，即18點左右充電[8-10]。圖7（a）所示為接入10%的電動汽車，圖7（b）所示為接入30%的電動汽車。嚴重的變壓器超負荷的現象將出現在18點左右，并且接入電動汽車的數量越多，超負荷現象越嚴重。

圖7 無序充電時的過載情況

當用戶采取有序充電時，可以在接入10%電動汽車的情況下解決變壓器過載問題，如圖8（a）所示，但在接入30%電動汽車的情況下，不能完全解決過載問題，如圖8（b）所示。此時需要進一步使用V2G技術。

圖8 有序充電時的過載情況

3）使用V2G技術解決變壓器超負荷問題

未使用V2G技術時，充電負荷峰谷期與電網負荷峰谷期相近，導致電網運行經濟性降低。如圖 9（a）所示，變壓器超負荷會出現在18點左右。如果在18點時，安排2/3的電動車連接在V2G模式，將電能反饋到電網，并且在凌晨3點和6點之間再充電，就可以避免變壓器超負荷現象，如圖9（b）所示。在整個充放電過程中，需要某種程度的中央控制，這是因為在沒有智能控制的情況下，個人電動汽車用戶不太可能在正確的時間安排正確的數量電動汽車連接到電網上。

圖9 使用V2G技術解決變壓器過載

3.2 由于過多的可再生能源帶來的問題

1）使用V2G技術緩解過量的DG導致的變壓器超載

到2050年，預計每一家可再生能源的數量都會很大，因此，反向功率流可能會發(fā)生在每天的中間時刻，導致變壓器超負荷，如圖 10（a）所示。同樣，可以使用智能技術來緩解問題，利用V2G技術使電動汽車在電力供應過剩時期吸收能量。此外，當電網在16點左右、有足夠的負載來消耗能量時，再釋放能量。使用了V2G技術，波形得到了很大的改善，如圖10（b）所示。

圖10 使用V2G技術緩解過量DG造成的變壓器超載

2）使用V2G技術緩解過量的DG導致的電壓上升

系統(tǒng)負荷在冬季時較輕，但分布式發(fā)電能源較多，在低壓配電網的不同節(jié)點，尤其是在遠離變壓器的節(jié)點位置，線路可能會承受超范圍的電壓上升。預測的2050年分布式電源對電網線電壓的影響，如圖11（a）所示。圖中V2～V7依次為離變壓器最近到最遠的節(jié)點。同樣，可以利用智能技術解決這個問題，包括分階段充電和適當時間的V2G技術。分階段充電，即安排部分電動汽車在過電壓期間進行充電，從而電能會在上午10點和下午3點之間的過電壓期間被吸收；當下午6點負荷增加時，再安排電動汽車將電能反饋給電網，進行放電。當使用了分階段充電和V2G技術后，各節(jié)點電壓都在允許范圍內，如圖11（b）所示。

圖11 通過分階段充電和V2G技術消除線路過電壓

4 結論

電動汽車具有可控負荷和儲能單元的雙重屬性，這是未來電網可以利用的重要資源。通過改變用戶充電行為可以減少電動汽車對電網的不利影響，保障電網運行的安全性、可靠性和經濟性。通過需求側管理手段，對電動汽車用戶實施有效的激勵和引導，改變電動汽車用戶的充電行為，保障規(guī)模化電動汽車的順利接入，實現電動汽車儲能能力的利用，是未來電動汽車充電技術發(fā)展的方向。本文通過仿真分析驗證了電動汽車有序充電控制和V2G技術對低壓配電網負荷曲線“削峰填谷”的作用，電動汽車有序充電模式及V2G技術將成為協(xié)調分布式電源消納和推動主動配電網發(fā)展的有利因素。

[1]Salihi J.Eenrgy Requiremnts for Electric Cars and Their Impact on Electric Power Generation and Distribution Systems[J].IEEE Transaction on Industry Application,1973,9(5): 516-532.

[2]Jiang T,Putrus G A,Gao Z,et al.Development of a Decentralized Smart-Grid Charge Controller for Electric Vehicles[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems,2014,61(1): 355-370.

[3]和敬涵,謝毓毓,葉豪東,等.電動汽車充電模式對主動配電網的影響[J].電力建設,2015,36(1): 97-102.

[4]魏琦.大規(guī)模電動汽車應用對城市電網負荷特性影響研究[J].華北電力大學學報: 社會科學版,2014(6): 55-60.

[5]Gomez J C,Vaschetti J,Coyos C,et al.Distributed Generation: Impact on Protections and Power Quality[J].Latin America Transactions,IEEE (Revista IEEE America Latina),2013,11: 460-465.

[6]Bentley E,Putrus G,Lacey G.A modelling tool for distribution networks to demonstrate smart grid solutions[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference,2015: 1-6.

[7]楊卓,李波.廣西電網負荷特性分析與預測[J].廣西電力,2014,37(4): 5-10.

[8]Hilshey A D,Hines P D H,Rezaei P,et al.Estimating the Impact of Electric Vehicle Smart Charging on Distribution Transformer Aging[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2013,4(2).

[9]雷紹蘭,古亮,楊佳,等.重慶地區(qū)電力負荷特性及其影響因素分析[J].中國電力,2014,47(12): 61-65.

[10]顏慶國,薛溟楓,范潔,等.有序用電用戶負荷特性分析方法研究[J].江蘇電機工程,2014,33(6): 48-50.

Effect of Electric Vehicle on Low Voltage Networks

Li Kaiting Chen Shizhe Li Tianran
(School of Electrical and Automation Engineering,Nanjing Normal University,Nanjing 210042)

In recent years,the electric vehicle technology has been developing rapidly due to the concerns for the environment and energy.This will bring major impacts on the grid.The effects of electric vehicle on low voltage network are analyzed in this paper with simulations in uncontrolled charging mode,coordinated charging mode and V2G mode.The results show that the electrical peak demand may increase when the charging is without regulation,which will cause the increased capacity demand for substations.If the charging management plans properly and the V2G technology can be fully used,the load curve can be adjusted effectively without increasing substation capacity.In addition,the oversupply of renewables can also be consumed.

electric vehicle; low voltage network; load profile; renewable distributed generation

李凱婷（1992-），女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。