佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司 柳春芳 梁唐杰 王崇斌

需求側(cè)響應(yīng)理論在電動(dòng)汽車負(fù)荷管理中的應(yīng)用研究

佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司 柳春芳 梁唐杰 王崇斌

隨著能源危機(jī)的加劇，電動(dòng)汽車的普及已成為一種趨勢(shì)，文中通過建立一個(gè)基于10kV常規(guī)變電站的簡(jiǎn)單的有電動(dòng)汽車負(fù)荷接入的網(wǎng)絡(luò)模型，通過需求側(cè)響應(yīng)理論對(duì)電動(dòng)汽車的充放電行為進(jìn)行研究，說明通過需求側(cè)響應(yīng)手段可以減小規(guī)模化電動(dòng)汽車充放電對(duì)電網(wǎng)的影響，降低電網(wǎng)運(yùn)行和投資成本。

電動(dòng)汽車；需求側(cè)響應(yīng)；開始充電時(shí)刻；削峰填谷

1 引言

隨著全球能源危機(jī)和溫室氣體排放問題的加劇，電動(dòng)汽車具有高效節(jié)能、清潔等特點(diǎn)，將在一定程度上緩解上述問題[1]。隨著未來電動(dòng)汽車的普及，大規(guī)模電動(dòng)汽車廣泛接入電網(wǎng)將對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行產(chǎn)生不可忽視的影響。大規(guī)模電動(dòng)汽車充電將帶來負(fù)荷急劇增長(zhǎng)，尤其是在負(fù)荷高峰期將進(jìn)一步加劇電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，可能導(dǎo)致配電網(wǎng)線路過載、電壓跌落[2]，配電網(wǎng)損耗增加[3]，配變過載[4]等一系列問題。文獻(xiàn)[5]分析了電動(dòng)汽車對(duì)Blacksburg一個(gè)含五戶居民和兩臺(tái)電動(dòng)汽車的典型配網(wǎng)饋線的影響。文中考慮了兩種充電策略：所有電動(dòng)汽車從18∶00時(shí)開始充電和所有電動(dòng)汽車在用電低谷時(shí)充電。前者代表了最壞的充電情形，導(dǎo)致變壓器負(fù)荷在冬夏兩季分別增加68%和52%；后者導(dǎo)致的負(fù)荷增量分別為58%和52%。這一結(jié)果證實(shí)電動(dòng)汽車入網(wǎng)將可能導(dǎo)致系統(tǒng)過載。文獻(xiàn)[6]從電動(dòng)汽車接入配電系統(tǒng)的隨機(jī)模型出發(fā)，分析了電動(dòng)汽車接入對(duì)配電系統(tǒng)影響的一般步驟，采用IEEE-30節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)從電壓降和網(wǎng)絡(luò)損耗兩方面評(píng)估了不同滲透率水平下電動(dòng)汽車對(duì)配電系統(tǒng)的影響，探究了當(dāng)前電網(wǎng)在不擴(kuò)容或改造的前提下可以接入的最大電動(dòng)汽車充電負(fù)荷。

電力需求側(cè)響應(yīng)（Demand Response，DR）旨在以電力市場(chǎng)手段和價(jià)格工具為主要載體，影響和調(diào)節(jié)需求的時(shí)間和水平，挖掘需求側(cè)響應(yīng)資源，提升需求側(cè)響應(yīng)彈性，提高電力系統(tǒng)和電力市場(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行效率；同時(shí)，將需求側(cè)響應(yīng)資源和供應(yīng)側(cè)資源在電力市場(chǎng)以及綜合規(guī)劃中平等甚至優(yōu)先對(duì)待，起到提升社會(huì)整體資源的利用率的效果[7]。文獻(xiàn)[8]指出需求側(cè)響應(yīng)是指需求側(cè)或終端消費(fèi)者通過對(duì)基于市場(chǎng)的價(jià)格信號(hào)、激勵(lì)，或者來自于系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者的直接指令產(chǎn)生響應(yīng)改變其短期電力消費(fèi)方式（消費(fèi)時(shí)間或消費(fèi)水平）和長(zhǎng)期電力消費(fèi)模式的行為。

針對(duì)電動(dòng)汽車充放電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，本文通過引入需求側(cè)響應(yīng)理論，提出一種基于電動(dòng)汽車充放電的需求側(cè)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)形式；主要通過一個(gè)含電動(dòng)汽車負(fù)荷的配電網(wǎng)模型，在考慮隨機(jī)充電場(chǎng)景與基于負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)的充電場(chǎng)景進(jìn)行了對(duì)比研究，說明基于負(fù)荷需求響應(yīng)理論采取合理的負(fù)荷運(yùn)營(yíng)管理手段，可以避免電網(wǎng)建設(shè)投資，合理利用電網(wǎng)輸配電容量，并實(shí)現(xiàn)降損增效的目標(biāo)。

2 含電動(dòng)汽車負(fù)荷的變電站模型

圖 2-1 簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1 算例模型

為電動(dòng)汽車充電站供電的10kV變電站電路模型如圖2-1所示。

假設(shè)居民小區(qū)有500戶住戶，每戶的平均用電功率為2kW，則該小區(qū)最大的用電功率為1000kW，商用負(fù)荷是1500kW，變電站的容量為1000kVA，并且假設(shè)功率因數(shù)為0.97，考慮到三個(gè)用電負(fù)荷不會(huì)同時(shí)運(yùn)行于最大負(fù)荷狀態(tài)，以及經(jīng)濟(jì)性問題，于是此處選擇容量為3150kVA，變比為10kV/400V變壓器。假設(shè)該小區(qū)的電動(dòng)汽車滲透率為30%，則該小區(qū)擁有的電動(dòng)汽車數(shù)量為500×30%=150輛。

圖 2-2 簡(jiǎn)單的潮流計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型

其中負(fù)荷功率Sb表示商用負(fù)荷、民用負(fù)荷以及電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷功率之和，S0表示變壓器的空載損耗功率，RT+jXr表示變壓器的阻抗，jX表示恒壓源電抗。

2.2 電動(dòng)汽車負(fù)荷概率模型

電動(dòng)汽車初始充電時(shí)刻主要取決于用戶的出行習(xí)慣和駕駛特性。圖2-3中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自2001年美國(guó)交通部對(duì)全美家用車輛的調(diào)查結(jié)果（national household travel survy,NHTS）。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，1天中對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，用極大似然估計(jì)的方法將車輛最后行程返回時(shí)刻近似為正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布[9]，根據(jù)假設(shè)，開始充電時(shí)刻即為最后一次出行返回時(shí)刻，則擬合結(jié)果分別如圖2-3所示。

開始充電時(shí)刻滿足如下正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為

上式中：u為充電起始時(shí)間的分布均值；σ為分布標(biāo)準(zhǔn)差?？紤]到美國(guó)中部時(shí)間與北京時(shí)間的時(shí)差，所以取u為19，σ為2，各次充電持續(xù)時(shí)間按2h計(jì)算，而且根據(jù)該小區(qū)的電動(dòng)汽車擁有量和充電樁的充電功率，可以知道家庭用電動(dòng)汽車的最大充電功率為1050kW。

圖 2-3 開始充電時(shí)間

3 不同充電場(chǎng)景分析

3.1 電動(dòng)汽車負(fù)荷管理對(duì)電網(wǎng)的影響

電力系統(tǒng)要求瞬時(shí)功率平衡，任何時(shí)候的供電功率都等于系統(tǒng)的用電需求。在不增加投資，保證現(xiàn)有電網(wǎng)不擴(kuò)容的情況下，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的總量存在一定限制，對(duì)于配電網(wǎng)來說，限制電動(dòng)汽車接入總量的主要指標(biāo)是電壓偏移。

3.2 無(wú)序充電場(chǎng)景分析

充電站主要提供快速充電服務(wù)，電動(dòng)公交車晚上統(tǒng)一集中起來由公交公司進(jìn)行充電，而假設(shè)電動(dòng)公交車可以持續(xù)運(yùn)行四個(gè)小時(shí)，所以電動(dòng)公交車白天充電時(shí)間假設(shè)是從10時(shí)至19時(shí)；對(duì)于出租車充電時(shí)間則假設(shè)整天均勻分布。

（1）取負(fù)荷最大點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得到

P=4100kW=4.1MW，得到末端電壓偏移量為：

（2）取用電負(fù)荷最小的時(shí)候再進(jìn)行一次潮流計(jì)算，末端電壓偏移量為：

由圖3-1可以看出，當(dāng)系統(tǒng)于最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷功率是超過變壓器容量的，而且對(duì)于系統(tǒng)的安全運(yùn)行和保證電能質(zhì)量，允許電壓偏移范圍為±5%，在系統(tǒng)運(yùn)行于最大負(fù)荷時(shí)，不僅使得變壓器超負(fù)荷運(yùn)行，而且由式（3-1）知道，電壓偏移不符合標(biāo)準(zhǔn)。末端電壓偏低，變壓器超負(fù)荷運(yùn)行，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致變壓器設(shè)備故障，引起電力事故。

由上述得到的結(jié)果可以知道，不受控制的電動(dòng)汽車充電行為會(huì)大幅度增加電網(wǎng)的負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)供電電壓下降；而且變壓器處于過載運(yùn)行，需要及時(shí)給與增容，降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所以有必要合理安排電動(dòng)汽車的充電時(shí)間。

3.3 基于負(fù)荷需求側(cè)管理的充電場(chǎng)景分析

根據(jù)上一節(jié)所假設(shè)的情況，出租車充電情況是固定的，所以可以適當(dāng)調(diào)節(jié)公交車和家庭用車的充電時(shí)間，根據(jù)上面得到的負(fù)荷曲線，錯(cuò)開用電高峰，可以將公交車和家庭用車充電時(shí)間安排在23時(shí)至第二天的8時(shí)。家庭用車充電負(fù)荷仍然采取上面方案的正態(tài)分布曲線，只是取值不一樣，在這里u=4，分布標(biāo)準(zhǔn)差取2。

圖 3-1 有無(wú)電動(dòng)汽車充電時(shí)的負(fù)荷曲線對(duì)比

圖 3-2 有無(wú)電動(dòng)汽車充電時(shí)的負(fù)荷曲線對(duì)比

由圖3-2可以看出，合理安排電動(dòng)汽車充電時(shí)間后，最大負(fù)荷時(shí)間出現(xiàn)在18時(shí)，此時(shí)的最大負(fù)荷為2650kW，而電動(dòng)汽車充電時(shí)間隨機(jī)時(shí)的最大負(fù)荷為4100kW，合理安排充電時(shí)間后，最大負(fù)荷下降了1450kW，起到了削峰的作用。而且由于電動(dòng)汽車充電時(shí)間安排在用電低谷時(shí)段，所以使得負(fù)荷曲線更加平緩，起到了填谷的作用，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、更加有效率。

（1）先取最大負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)末端電壓偏移量為：由圖3-2可以看出，合理安排電動(dòng)汽車充電時(shí)間后，最大負(fù)荷時(shí)間出現(xiàn)在18時(shí)，此時(shí)的最大負(fù)荷為2650kW，而電動(dòng)汽車充電時(shí)間隨機(jī)時(shí)的最大負(fù)荷為4100kW，合理安排充電時(shí)間后，最大負(fù)荷下降了1450kW，起到了削峰的作用。而且由于電動(dòng)汽車充電時(shí)間安排在用電低谷時(shí)段，所以使得負(fù)荷曲線更加平緩，起到了填谷的作用，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、更加有效率。

（2）先取最大負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)末端電壓偏移量為：

此時(shí)最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)末端電壓偏移量負(fù)荷要求。

（3）選取最小負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)有P=1887kW=1.887MW，得到末端電壓偏移為：

圖3-1有無(wú)電動(dòng)汽車充電時(shí)的負(fù)荷曲線對(duì)比

圖31有無(wú)電動(dòng)汽車充電時(shí)的負(fù)荷曲線對(duì)比

此時(shí)系統(tǒng)的末端電壓也符合要求。

由式（3-3）和式（3-4）知道，最大、最小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)末端電壓偏移量都符合要求，所以系統(tǒng)在任意一時(shí)間都符合電壓偏移的要求，且對(duì)比前面的電動(dòng)汽車充電時(shí)間不受控制時(shí)的結(jié)果，可以知道，電動(dòng)汽車充電時(shí)間合理安排時(shí)可以使系統(tǒng)的負(fù)荷曲線變得平緩，電壓波動(dòng)變小，負(fù)荷波動(dòng)不大時(shí)，可以使系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)性和更具有可靠性。

3.4 基于負(fù)荷需求側(cè)管理的雙向充放電場(chǎng)景分析

圖 3-3 電動(dòng)汽車工作于V2G模式下的負(fù)荷曲線

基于電動(dòng)汽車放電的需求側(cè)響應(yīng)，目前提出的概念是“車輛到電網(wǎng)”，即V2G模式，它是電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)的交互形式，充分體現(xiàn)在當(dāng)車載電池處于低電狀態(tài)時(shí)，可由電網(wǎng)向電動(dòng)汽車進(jìn)行充電；當(dāng)電網(wǎng)需要緊急備用時(shí)，可由電動(dòng)汽車的蓄電池組給電網(wǎng)提供電源支撐，這個(gè)過程就稱為電力的返銷[10]。理想中的V2G平臺(tái)是在非高峰時(shí)段自動(dòng)充電，在高峰時(shí)段放電，以替代效率較低的調(diào)峰電廠。在這模式下，電動(dòng)汽車的動(dòng)力蓄電池可以看作是智能電網(wǎng)的分布式儲(chǔ)能單元，V2G是電動(dòng)汽車用戶和電網(wǎng)的一種互動(dòng)，電動(dòng)汽車消費(fèi)者既可能是電力用戶，也可能成為電力能源的供應(yīng)者，電動(dòng)汽車擁有者通過攜帶芯片的充電裝備可以遙控管理電動(dòng)汽車在公共插座上實(shí)現(xiàn)買電或售電的交易行為，而且因?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)在電力需求側(cè)響應(yīng)中采取分時(shí)電價(jià)，電動(dòng)汽車車主可以通過低谷廉價(jià)充電、高峰高價(jià)賣電的方式獲取一定的經(jīng)濟(jì)收益，這樣還可以有效的降低電動(dòng)汽車的使用成本，促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展。

圖 3-4 有無(wú)電動(dòng)汽車充電以及V2G模式下的負(fù)荷對(duì)比曲線

在上一節(jié)的充電模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的V2G模式的假設(shè)計(jì)算，假設(shè)只有家用電動(dòng)車參與V2G模式的應(yīng)用，假設(shè)家庭用車向電網(wǎng)反饋的電量為原充電量的15%，反饋電能時(shí)間為用電高峰期，這里假設(shè)為15到21時(shí)，此時(shí)得到家庭用車的負(fù)荷曲線：

在圖3-3中，負(fù)的功率表示家用電動(dòng)汽車工作在反饋電能模式下，正在向電網(wǎng)傳輸電能。

然后結(jié)合3.2節(jié)的負(fù)荷曲線，得到這個(gè)簡(jiǎn)單的V2G模式下的簡(jiǎn)單模型的負(fù)荷曲線如圖3-4：

由圖3-4可以看出，在V2G充電模式下，相對(duì)于原來的單向充電模式，最大負(fù)荷下降了，也就是起到了削峰填谷的作用，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率；對(duì)于電動(dòng)汽車用戶而言，由于需求側(cè)響應(yīng)通過分時(shí)電價(jià)的形式實(shí)現(xiàn)，在用電高峰高價(jià)賣出電動(dòng)汽車剩余的電量，而后在用電低谷再充電，取得了一定的經(jīng)濟(jì)收益，是一種雙贏的負(fù)荷管理方式。

4 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模電動(dòng)汽車無(wú)序充電將給電網(wǎng)帶來電壓偏低以及配變過載等問題，通過采用基于負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)理論的充放電方式不僅解決了以上不利影響，提高了電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，而且在電網(wǎng)和用戶中也取得了雙贏的成果。另外，電動(dòng)汽車充放電對(duì)配網(wǎng)側(cè)的影響還有：電動(dòng)汽車充電屬于非線性負(fù)荷，將使配電網(wǎng)諧波污染加重；電動(dòng)汽車用戶用車行為的隨機(jī)性和充電時(shí)間空間分布的不確定性，將造成三相電壓不平衡，這些都下一步的研究工作。

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