蘇海鋒，王桂哲，劉利斌，趙可為，王菲

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連，116021）

0 引 言

近年來全球氣候不斷惡化，傳統(tǒng)化石燃料汽車受到挑戰(zhàn)，電動汽車領(lǐng)域迅速發(fā)展。公安部交管局發(fā)布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2015年底，全國機(jī)動車保有量達(dá)2.79億輛，其中汽車1.72億輛，新能源汽車58.32萬輛，純電動汽車保有量33.2萬輛，占新能源汽車總量的56.93%，與2014年相比增長317.06%。按每輛車慢速充電功率5 kW計(jì)算，總?cè)萘考s為166萬kW。按照新能源電動汽車迅速發(fā)展的速度其所占裝機(jī)容量比例將會迅速增大?？梢?，電動汽車規(guī)?；瘧?yīng)用后，其總體充電功率是十分龐大的。電動汽車充電負(fù)荷在時間和空間上具有一定隨機(jī)性，電動汽車的無序充電可能導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰值增加，尤其是配電網(wǎng)絡(luò)將不能承載其能量需求。

有序充電能夠有效降低配電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差［1］。為了解決配電網(wǎng)單個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電動汽車充電問題，文獻(xiàn)［2］提出了基于分時電價的居民小區(qū)電動汽車有序充電控制策略，分析了不同響應(yīng)度下的充電優(yōu)化結(jié)果。文獻(xiàn)［3］針對居民小區(qū)建立了以峰谷差率最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，采用遺傳算法對谷電價時段用戶的充電時間進(jìn)行了優(yōu)化求解。文獻(xiàn)［4］根據(jù)居民小區(qū)用戶的充電量，以減少負(fù)荷峰谷差為目標(biāo)函數(shù)制定了相應(yīng)的充電控制策略。文獻(xiàn)［5］分別考慮私家車和商務(wù)車的無序充電、有序充電，提出了集中充電和分散充電相結(jié)合的充電控制方法。文獻(xiàn)［2-5］對電動汽車傳統(tǒng)有序充電問題進(jìn)行了研究，并未考慮V2G模式下電動汽車的有序充放電問題，相對于V2G模式，其削峰填谷的作用較差，不能滿足更大規(guī)模的電動汽車接入配電網(wǎng)的需求。文獻(xiàn)［6］分析了V2G模式對配電網(wǎng)以及電動汽車小區(qū)用戶的影響。文獻(xiàn)［7］對電動汽車在V2G模式下上網(wǎng)電價的定價進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［8］分析了不同上網(wǎng)電價情況下，V2G用戶的相應(yīng)度。文獻(xiàn)［9］提出了考慮V2G用戶響應(yīng)度的峰谷電價時段優(yōu)化及有序充電。文獻(xiàn)［10］為降低配電網(wǎng)峰荷進(jìn)行了有序充電優(yōu)化控制并且對相應(yīng)的成本和效益進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)［11］慮電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，研究了V2G模式下電動汽車有序充放電控制策略。文獻(xiàn)［12］在考慮V2G充放電的情況下，綜合考慮了電動汽車制造商、配電網(wǎng)運(yùn)營商以及電動汽車用戶三方的利益，提出了一種經(jīng)濟(jì)利益平衡的協(xié)調(diào)充電機(jī)制。文獻(xiàn)［13］提出了一種V2G模式下基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的，集中控制電動汽車充放電的方法。文獻(xiàn)［6-13］雖然考慮了V2G模式下電動汽車的充放電，但考慮的負(fù)荷類型相對單一，并沒有考慮不同負(fù)荷類型用戶電動汽車的充電需求。

實(shí)際配電網(wǎng)的負(fù)荷是由多種負(fù)荷類型共同組成的，包括居民小區(qū)用電負(fù)荷、政府部門用電負(fù)荷和商業(yè)部門用電負(fù)荷等。對單一類型負(fù)荷進(jìn)行電動汽車的有序充電不能顯著降低區(qū)域母線上的負(fù)荷峰值。本文針對區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷的多樣性和V2G放電的特殊性，提出了相應(yīng)的有序充放電策略。由于V2G充電站的建設(shè)費(fèi)用較高，商業(yè)區(qū)停車場兼顧電動汽車數(shù)目眾多且集中、用電高峰持續(xù)時間長、電價相對居民用電價格高的特點(diǎn)，相對政府部門和居民小區(qū)更利于V2G充電站的建設(shè)。本文建立了政府部門和居民小區(qū)的電動汽車在分時電價引導(dǎo)下的有序充電和商業(yè)區(qū)電動汽車有序充放電的基于時間和空間互補(bǔ)的電動汽車充放電模型。通過實(shí)例驗(yàn)證了時空互補(bǔ)有序充放電策略對區(qū)域配電網(wǎng)削峰填谷的有效性。

1 配電網(wǎng)負(fù)荷建模

1.1 電動汽車充電功率需求建模

不同類型負(fù)荷區(qū)域內(nèi)電動汽車的充電負(fù)荷需求行為是不同的。居民小區(qū)電動汽車一般下班回家就進(jìn)行充電，政府部門公務(wù)用車一般下班在單位即可充電。由于電動汽車的無序充電，易與原有的負(fù)荷高峰疊加形成新的負(fù)荷高峰，從而對配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大的壓力。

電動汽車的日行駛里程滿足如下對數(shù)正太分布［14］，其概率密度函數(shù)為：

電動汽車充電功率的概率模型在假設(shè)的0.1或0.2C充電電流倍率下，與電池容量的分布函數(shù)相同，大部分電動汽車的慢速充電功率在3 kW～6 kW范圍內(nèi)滿足均勻分布，即：

電動汽車充電所耗時長可估計(jì)為：

式中Tc為電動汽車充電的時間長度，單位是h；S為電動汽車日行駛里程，單位km；W100為電動汽車百km的耗電量，單位是kW.h/km；Pc為電動汽車充電功率，單位是kW。

本文將用蒙特卡洛模擬仿真法求出一天內(nèi)24小時單臺電動汽車充電功率需求，各時間點(diǎn)采樣10 000個，重復(fù)測5次，求出其平均值。本文采用480點(diǎn)日負(fù)荷曲線預(yù)測法，時間間隔為 3 min，第j（j=1，2，…，480）個時段內(nèi)的常規(guī)負(fù)荷大小為Pj。假設(shè)單臺電動汽車慢速充電的額定充電功率均為Pc，居民小區(qū)電動汽車和政府部門電動汽車按照表1所示分時電價的引導(dǎo)進(jìn)行充電，即大量電動汽車從谷時開始充電。

表1 峰谷電價時刻表Tab.1 Peak valley electricity price schedule

1.2 電動汽車接入前后居民小區(qū)用電負(fù)荷建模

居民小區(qū)電動汽車的日行駛里程的概率密度函數(shù)為式（1），其中 μD=3.20；σD=0.88。居民小區(qū)的電動汽車充電開始的時刻和日行駛里程是由用戶的出行習(xí)慣和行駛里程決定的。電動汽車行程的返回時刻近似為正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布。電動汽車的開始充電時刻為出行后返回時刻，其開始充電時刻的概率密度函數(shù)為：

式中 μs=17.6；σs=3.4。

根據(jù)實(shí)際情況了解，本文居民小區(qū)采用分時電價來引導(dǎo)用戶進(jìn)行有序充電。分時電價時刻表如表1所示，假設(shè)居民小區(qū)90%的私家電動汽車響應(yīng)分時電價政策，從夜晚22：00到次日7：00進(jìn)行充電，其余10%進(jìn)行隨機(jī)充電。圖1為無電動汽車充電時居民小區(qū)日用電負(fù)荷曲線和電動汽車保有量占居民小區(qū)戶數(shù)30%時的日用電負(fù)荷曲線以及分時電價引導(dǎo)下的有序充電日負(fù)荷曲線。

圖1 居民小區(qū)日用電負(fù)荷曲線Fig.1 Household daily electric load curve

1.3 電動汽車接入前后政府部門用電負(fù)荷建模

公務(wù)車未執(zhí)行公務(wù)時，即可進(jìn)行充電，因此在大多數(shù)情況下有充足的充電時間，其充電模式多采用慢速或常規(guī)充電。目前大部分公務(wù)車實(shí)行夜間停在指定停車地點(diǎn)的制度，假設(shè)充電起始時間大致在機(jī)關(guān)單位下班后至第2天上班之前，也即8：00—7：00。且配電變壓器的容量按照人均4 kW，按目前統(tǒng)計(jì)平均每20人有一輛公務(wù)用車。一般公務(wù)用車行駛里程概率密度函數(shù)為式（1），政府部門電動汽車的μD=3.46；σD=0.34。充電功率的概率模型在假設(shè)的0.1C充電電流倍率下，與電池容量的分布相同，各電動汽車的慢速充電功率Pc在3 kW～6 kW范圍內(nèi)滿足均勻分布，即為式（2），充電時常為式（3）。

政府部門平均每20人配備一輛電動公務(wù)汽車。按照表1的分時電價進(jìn)行引導(dǎo)有序充電，其響應(yīng)度設(shè)為95%，即95%的公務(wù)電動汽車在谷時電價期間進(jìn)行充電，其余5%進(jìn)行隨機(jī)充電。

圖2 政府部門日用電負(fù)荷曲線Fig.2 Daily electric load curve of government

1.4 電動汽車接入前后商業(yè)區(qū)用電負(fù)荷建模

商業(yè)區(qū)地下停車場的汽車數(shù)目多，一般充電時間在商場營業(yè)期間。電動汽車充電數(shù)量根據(jù)其高峰日進(jìn)出流量來計(jì)算，電動汽車數(shù)量和商業(yè)區(qū)的用電量成正相關(guān)。商業(yè)用電價格高，且充電時間短等因素，大多數(shù)電動汽車采用快速充電模式。

根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-電氣》規(guī)定商場用電指標(biāo)為84 W/m2。根據(jù)商場變壓器容量估算商場面積。按照《基地出入口和停車位控制》規(guī)定車位100建筑面積小型汽車配建車位數(shù)0.8。且一般情況下停車場的車輛數(shù)目和商場的人流量成正比，商場的人流量和用電量成正比。假設(shè)商業(yè)區(qū)電動汽車快速充電的充電功率為P0=45 kW，平均每臺電動汽車停車時間為60min，商業(yè)區(qū)人均用電量為2 kW，電動汽車充電數(shù)量占總數(shù)量10%時。商業(yè)區(qū)用電負(fù)荷曲線如圖3所示。

圖3 商業(yè)用電負(fù)荷曲線Fig.3 Commercial power load curve

已知商業(yè)區(qū)的用電高峰是在峰時電價時期，通過合理的電價補(bǔ)貼使電動汽車在商業(yè)區(qū)用電高峰時段進(jìn)行放電。并且商業(yè)區(qū)停車場車輛多，數(shù)目集中，便于V2G充電站的推廣。假設(shè)商業(yè)區(qū)單臺電動汽車在V2G模式下的放電功率為P1，P1=8 kW，平均放電時長為1h，參與放電的電動汽車響應(yīng)數(shù)μ1=87%。充電車數(shù)為占停車數(shù)量的比例為μ2=10%，其余電動汽車進(jìn)停放，此時商業(yè)區(qū)用電負(fù)荷功率為：

式中Pjs為商業(yè)區(qū)接入電動汽車前的負(fù)荷功率；n為車輛總數(shù)。

2 電動汽車時空互補(bǔ)有序充電方法概述

2.1 優(yōu)化策略

區(qū)域配電網(wǎng)的不同用電負(fù)荷的負(fù)荷曲線不同，為了降低區(qū)域配電網(wǎng)的總的負(fù)荷峰值，本文從區(qū)域配電網(wǎng)的不同負(fù)荷類型用電規(guī)律及負(fù)荷特性進(jìn)行分析，根據(jù)現(xiàn)有的交通流量、土地利用、建筑規(guī)劃等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合不同類型電動汽車的行駛規(guī)律、停車規(guī)律，提出基于V2G模式的電動汽車的區(qū)域配電網(wǎng)有序充放電策略。對于單獨(dú)類型負(fù)荷從時間上錯開負(fù)荷峰值，既要滿足用戶的行駛需求又要避免電動汽車充電疊加原有負(fù)荷峰值。再根據(jù)配電網(wǎng)負(fù)荷類型的多樣性，可以從不同地點(diǎn)即不同負(fù)荷類型進(jìn)行考慮進(jìn)行電動汽車充放電，使電動汽車從空間上進(jìn)行有序充電，進(jìn)一步降低配電網(wǎng)的負(fù)荷峰值。

利用分時電價誘導(dǎo)居民小區(qū)和政府部門的電動汽車從谷時電價開始時段進(jìn)行充電，從時間上避開用電高峰，而商業(yè)區(qū)停車場的電動汽車?？繒r間相對較短，不便從時間上進(jìn)行有序充電，考慮到商業(yè)電價較高，且電動汽車充電集中，以此為經(jīng)濟(jì)誘導(dǎo)因素引導(dǎo)商業(yè)區(qū)?？寇囕v在V2G模式下進(jìn)行放電，增加電動汽車用戶的受益并且減少負(fù)荷高峰，電動汽車的充電行為在三種不同負(fù)荷類型之間相互作用，進(jìn)而從空間上達(dá)到有序充電。

2.2 實(shí)現(xiàn)過程

本文針對多種負(fù)荷類型進(jìn)行時空互補(bǔ)有序充電的設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 V2G模式下基于時空互補(bǔ)的區(qū)域配電網(wǎng)有序充放電總體思路Fig.4 Ordered charging and discharging in distribution network based on time-space complementary

3 算例分析

為了更好地說明電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響，本文以IEEE RBTS-5系統(tǒng)的第1，2條10 kV生活線路為對象，分析在多種負(fù)荷類型的情況下不同電動汽車滲透率下電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響。線路的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖5，共有21條支路，22個節(jié)點(diǎn)，其中1個電源點(diǎn)，13個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，配變總?cè)萘繛?4.82 MVA，區(qū)中用電負(fù)荷類型包括居民小區(qū)，政府部門，以及商業(yè)用電負(fù)荷。

圖5 區(qū)域配電網(wǎng)模型Fig.5 Regional distribution network model

表2 各負(fù)荷點(diǎn)類型Tab.2 Types of load points

表3 配電變壓器參數(shù)Tab.3 Specific parameters of the transformer

當(dāng)政府部門電動汽車保有量為每20人配備一臺電動汽車，且進(jìn)行隨機(jī)充電，商業(yè)區(qū)停車場的電動汽車充電數(shù)量為停車總數(shù)的10%時，居民小區(qū)電動汽車保有量分別為10%、20%、30%時的區(qū)域配電網(wǎng)的母線上的仿真曲線如圖6所示。

由圖6可以看出配電網(wǎng)母線上電動汽車接入前的日負(fù)荷曲線；政府部門和商業(yè)區(qū)按照圖2和圖3比例進(jìn)行隨機(jī)充電，每個小區(qū)接入電動汽車滲透率為10%、20%以及30%時的母線上的日負(fù)荷曲線。從表4中的數(shù)據(jù)可以看出大量電動汽車隨機(jī)充電會使配電網(wǎng)母線上的負(fù)荷高峰繼續(xù)疊加，負(fù)荷峰值由9.132 MW增加到14.659 MW。即將達(dá)到配電網(wǎng)變壓器的總?cè)萘?4.82 MW。具有多種負(fù)荷類型的配電網(wǎng)母線上的用電高峰集中出現(xiàn)在8時到20時，為避免電動汽車充電在配電網(wǎng)的負(fù)荷高峰時期可以通過分時電價的機(jī)制比較有效的引導(dǎo)居民小區(qū)用戶和政府部門用戶進(jìn)行慢速充電。

圖6 區(qū)域配電網(wǎng)母線上總?cè)肇?fù)荷曲線Fig.6 Daily load curve of residential quarter with EV charging

表4 電動汽車不同滲透率下區(qū)域配電網(wǎng)負(fù)荷曲線Tab.4 Electric load curve of regional distribution network under different permeability of electric vehicles

圖7 無序充電負(fù)荷曲線，有序充電負(fù)荷曲線和時空互補(bǔ)有序充電Fig.7 Load curve of disordered charging，ordered charging and the ordered charging based on time and space complementary

表5 電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響Tab.5 Effect of electric vehicle charging on distribution network

為了使區(qū)域配電網(wǎng)空間上達(dá)到互補(bǔ)，利用商業(yè)區(qū)用戶的充放電特性，商業(yè)區(qū)電動汽車按照圖3所示的情形進(jìn)行充放電。使三種不同負(fù)荷類型的電動汽車從單獨(dú)的時間上進(jìn)行有序充電和三種負(fù)荷類型之間相互作用從空間上進(jìn)行有序充電相結(jié)合。

根據(jù)配電網(wǎng)潮流計(jì)算得出配電網(wǎng)母線上負(fù)荷曲線如圖7所示。

對比三種充電方式，由圖7結(jié)合表5可以看出單獨(dú)負(fù)荷類型的電動汽車從時間上控制進(jìn)行有序充電可以降低配電網(wǎng)的負(fù)荷峰值1.833 MW，提高配電網(wǎng)的用電谷值1.181 MW，電動汽車從時間和空間上有序充電可以進(jìn)一步降低配電網(wǎng)的負(fù)荷峰值0.429 MW，提升配電網(wǎng)的負(fù)荷谷值1.094 MW。

4 結(jié)束語

文章在滿足電動汽車充電需求并且單個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的配變壓器和區(qū)域配電網(wǎng)母線上的配電變壓器都不過載的情況下，以最大限度實(shí)現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)削峰填谷為目標(biāo)，提出了基于時間和空間互補(bǔ)的有序充電策略。通過仿真分析，得到如下結(jié)論：

（1）由多種負(fù)荷類型組成的實(shí)際的區(qū)域配電網(wǎng)與以往分析單一的居民負(fù)荷配電網(wǎng)的負(fù)荷曲線并不相同，對有序充電策略的提出應(yīng)該在綜合考慮多種負(fù)荷的情況下提出；

（2）對于居民小區(qū)和政府部門適合長時間慢速充電的情況下，相比短時間充電的商業(yè)負(fù)荷更加容易進(jìn)行有序充電控制。改變居民小區(qū)和政府部門電動汽車充電時間可以減少負(fù)荷峰值，提高配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力，但對于充電相對集中，充電時間相對較短的商業(yè)用戶并不適用；

（3）對于充電用戶相對集中的商業(yè)停車場建立V2G充電站，引導(dǎo)用戶在停車期間放電能夠進(jìn)一步在降低配電網(wǎng)的用電負(fù)荷高峰，基于時間和空間互補(bǔ)的有序充電能夠更加簡單有效的減少配電網(wǎng)的負(fù)荷峰值。