李炫濃， 汪舜晨， 汪　靜， 吳紅斌(指導(dǎo)老師)

(1.安徽省黃山市屯溪一中， 安徽 黃山 245000；2.安徽省合肥市第九中學(xué)，安徽 合肥 230020；3.國網(wǎng)黃山供電公司，安徽 黃山 245000；4.合肥工業(yè)大學(xué)， 安徽 合肥230002)

1　研究背景

當(dāng)前，《安徽省電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出要深入開展節(jié)能減排，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，加快可再生能源發(fā)展；堅持清潔利用，大力發(fā)展光伏發(fā)電，穩(wěn)步推進風(fēng)電開發(fā)，快速推廣電動汽車應(yīng)用，逐漸提高電能在能源消耗中的比重；制定并實施《安徽省電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施“十三五”專項規(guī)劃》，優(yōu)先建設(shè)公交、出租及環(huán)衛(wèi)、物流等公共服務(wù)領(lǐng)域充電基礎(chǔ)設(shè)施，積極推進居民區(qū)與單位停車位充電樁配建工作，鼓勵有條件的專用充電樁對社會公眾開放，合理布局社會停車場所公共充電基礎(chǔ)設(shè)施。結(jié)合骨干高速公路網(wǎng)，形成省內(nèi)高速服務(wù)區(qū)城際快充網(wǎng)絡(luò)，從而進一步推動電動汽車的發(fā)展。同時，為了保證配電網(wǎng)安全可靠及經(jīng)濟運行，我們在對城市配電網(wǎng)進行規(guī)劃時，必須提前考慮到當(dāng)前及未來配電網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)，即大量電動汽車的充放電負荷接入，而這些電動車負荷，都具有隨機性、波動性、間歇性和難以預(yù)測性。因此，有必要對含電動汽車接入配電網(wǎng)的影響[1]進行分析。

2　安徽省電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀

2.1　安徽省電動汽車充電樁建設(shè)現(xiàn)狀

截止到2016年底，安徽省新能源電動汽車保有量約32150輛，已經(jīng)建成投運的充換電站[2]251座，建設(shè)充電樁21521個，如圖1所示，合肥市建成16083個，蕪湖市建成4865個。安徽省內(nèi)高速公路快充站建成154座，其中建成快充直流充電樁616個。

圖1　安徽省2016年及之前充電樁個數(shù)

如圖2所示，當(dāng)前充電站的投運以交流樁為主，2016年當(dāng)年合肥市共建設(shè)8864個交流充電樁，1043個直流充電樁，蕪湖市建設(shè)3612個交流充電樁，170個直流充電樁，在全省的電動汽車充電站建設(shè)發(fā)展中領(lǐng)先其它地市。

圖2　安徽省2016年充電樁建設(shè)情況

2.2　“十三五”期間安徽省電動汽車發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)《安徽省關(guān)于加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推廣應(yīng)用實踐意見》，2018年初，純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾嬩N量要達到7萬輛以上。根據(jù)安徽省交通規(guī)劃，“十三五”期間安徽省電動汽車總產(chǎn)能60萬輛，計劃推廣電動汽車20萬輛。

2016年安徽省投入使用的電動汽車中公交車2891輛、環(huán)衛(wèi)車111輛、私家車23268輛、物流車1540輛、公務(wù)車3510輛和出租車1932輛，共計33252輛。因此，基于2016年電動汽車保有量的數(shù)據(jù)，結(jié)合安徽省經(jīng)濟、人口、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和國家政策支持情況，采用彈性系數(shù)法、千人保有量法預(yù)測安徽省“十三五”年電動汽車的保有量，具體發(fā)展預(yù)測如表1所示。

表1　安徽省“十三五”電動汽車發(fā)展規(guī)模 單位：萬輛

2016年安徽省電動汽車充電量統(tǒng)計如下，公交車充電量約21104億千瓦時，環(huán)衛(wèi)車根據(jù)充電量約810億千瓦時，私家車充電量約5661億千瓦時，物流車充電量約11242億千瓦時，公務(wù)車充電量約1281億千瓦時，出租車充電量約1410億千瓦時，共計充電量約為41509億千瓦時，具體“十三五”期間電動汽車充電量規(guī)劃預(yù)測如表2所示。

表2　安徽省“十三五”充電量需求預(yù)測　　單位：億kWh

3　電動汽車接入對電網(wǎng)的影響

3.1　負荷的增長

為了進一步研究電動汽車接入對安徽電網(wǎng)的影響[3]，首先針對大規(guī)模的電動汽車并網(wǎng)充電的負荷特性進行分析。結(jié)合交通信息、電動汽車數(shù)量、充電樁空間分布等數(shù)據(jù)建立充電概率模型。再根據(jù)電動汽車駕駛員主觀決策和客觀停車充電的需求，即得到電動汽車充電的發(fā)生概率。下一步再通過概率分布分析在不同地點的充電起止時間等數(shù)據(jù)，最終利用蒙特卡洛模擬[4]計算電動汽車充電負荷。由圖3所示，為電動汽車負荷特性預(yù)測方法簡化架構(gòu)，圖中每一個模塊都對應(yīng)大量的數(shù)據(jù)支撐，為了便于理解將其簡化。

圖3　電動汽車負荷預(yù)測架構(gòu)

本文以私用電動汽車常規(guī)充電模式即慢充的方式為例分析其充電負荷特性。通常慢充時間要4～8個小時，充電功率在3～10kW。

圖4　24小時行駛里程占比

圖4所示為一天中電動汽車的每個小時的行駛里程占比。由圖得出，電動汽車一天中主要工作時間在早上7∶00～19∶00之間，通常車主在17∶00～24∶00之間下班回家，即可假設(shè)為最后一次行程。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究得出的數(shù)據(jù)，普通人私家車的日均行駛里程為40km，假設(shè)單程均值在20km左右，單程耗時在1h以內(nèi)。由此引入對數(shù)正態(tài)分布來分析概率密度函數(shù)為：

(1)

式中：t表示以日歷小時為單位的時間；17表示下午17時。其隨時間變化的概率密度可以用圖5表示。

圖5　最后一次行程結(jié)束時刻的概率分布

在沒有相關(guān)制度制約和經(jīng)濟刺激如優(yōu)惠電價的激勵下，車主一般會在自己方便的時間充電。假設(shè)車主最后一次出行回家后即開始充電，并假設(shè)起始充電時刻至電池充滿時的充電時長為：

(2)

式中：TWC為充電時長，h；PC為充電功率，kW；S為電池容量，kW·h。

以lmin(0.0167h)為步長，在時刻t(0≤t≤24)，第i臺電動汽車的充電功率為

(3)

式中：Twsi、Twci和Pci分別為第i輛電動汽車起始充電時間、充電持續(xù)時間和充電功率。

以1000輛電動汽車為例，采用蒙特卡洛仿真方法在0≤d≤80和17

基于前文的負荷特性分析，可預(yù)計安徽省最高用電負荷規(guī)模大約5000萬kW，其中電動汽車充電負荷規(guī)模大約占到6%左右，即充電負荷約400萬kW。當(dāng)充電同時率較高時，即快充車輛比例較高或者在充電高峰時期有大量電動汽車充電，將會造成負荷快速增長，使安徽電網(wǎng)負擔(dān)加重，對電力系統(tǒng)的安全可靠運行造成影響。

圖6　電動汽車慢充充電負荷曲線

3.2　電能質(zhì)量問題

電動汽車接入對電網(wǎng)造成的電能質(zhì)量問題當(dāng)前受到廣泛關(guān)注。根據(jù)電動汽車充電具有空間特性，若充電站的規(guī)劃建設(shè)不合理，當(dāng)某一站點有大量電動汽車進行充電時，會給電網(wǎng)帶來較大沖擊，造成電壓波動，甚至造成部分區(qū)域過載的情況。

圖7　典型的電動汽車充電樁結(jié)構(gòu)

典型的充電樁結(jié)構(gòu)如圖7所示，由圖得出，以電力電子器件組成的逆變器單元為基礎(chǔ)，存在非線性環(huán)節(jié)，在充電過程中會產(chǎn)生諧波，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

充電諧波圖形依據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出，當(dāng)電動汽車充電工作3小時，檢測到系統(tǒng)內(nèi)存在7,11,13,15,17,19等奇次諧波，其中以7次和11次諧波含量最大。電動汽車充電樁的輸出諧波的大小與電力電子器件本身開關(guān)頻率和輸出濾波器參數(shù)配置有關(guān)。

圖8　充電樁充電3小時諧波檢測情況

3.3　配電網(wǎng)規(guī)劃影響

隨著電動汽車保有量的高速增長，未來安徽電網(wǎng)將有大量的直流、交流充電樁和充電站進行規(guī)劃和建設(shè)。因此，這對配電網(wǎng)的傳統(tǒng)規(guī)劃造成很大的影響，在考慮電網(wǎng)運行的可靠性、安全性和充電站投資的經(jīng)濟性基礎(chǔ)上，還需要研究電動汽車充電站的空間分布和充放電的負荷模型，即考慮汽車的充放電負荷特性，駕駛習(xí)慣、充電規(guī)律和交通狀況等等，從而準(zhǔn)確建立電動汽車的充放電模型，支持配電網(wǎng)科學(xué)規(guī)劃。

4　電動汽車接入建議

4.1　電動汽車有序高效充電

通過對電動汽車充電負荷模型的建立，使得部分可控電動汽車充電負荷參與電網(wǎng)調(diào)控優(yōu)化運行，以電網(wǎng)安全運行和經(jīng)濟性為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化調(diào)控模型。結(jié)合當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)平臺，在線引導(dǎo)電動汽車有序充電。同時最大限度的優(yōu)化電動汽車充電效率，使得電動汽車高效充電，降低系統(tǒng)網(wǎng)損，從而提高電網(wǎng)運行經(jīng)濟性。

4.2　改善電能質(zhì)量

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求，電動汽車充電樁建設(shè)與驗收過程要嚴(yán)格把控，最大限度地提高電動汽車充電站建成后的電能質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)。加入電能質(zhì)量檢測與分析裝置，對充電站(樁)施行準(zhǔn)確和實時監(jiān)測。建議加裝動態(tài)無功補償裝置，解決電動汽車充電造成的電網(wǎng)電壓波動問題。即在充電站并網(wǎng)點加裝動態(tài)無功補償裝置，靜止無功補償裝置或靜止同步補償裝置等。為了抑制電動汽車充電產(chǎn)生的諧波，建議加裝有源濾波裝置。

4.3　統(tǒng)籌配電網(wǎng)科學(xué)合理規(guī)劃

通過建立電動汽車充電的負荷模型，重新梳理電動汽車充電負荷加入后的區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃模型，進行負荷預(yù)測，電力平衡等，充分考慮本地區(qū)電網(wǎng)供電能力，設(shè)備水平，盡量使得充換電設(shè)施規(guī)劃布局科學(xué)合理[5]。

5　總結(jié)

本文闡述了安徽電網(wǎng)“十三五”期間電動汽車的發(fā)展概況，對電動汽車接入系統(tǒng)的影響，如負荷增長、電能質(zhì)量和配電網(wǎng)規(guī)劃等進行分析，最后針對這些問題提出建議。安徽省電動汽車的發(fā)展極其迅速，這對當(dāng)前配電網(wǎng)設(shè)施造成一定的挑戰(zhàn)。因此，需要制定有效的充電負荷管控機制，合理編制配電網(wǎng)規(guī)劃，持續(xù)加強電動汽車并網(wǎng)相關(guān)課題的科技研究，從而有效促進安徽省電動汽車的健康有序發(fā)展。

致謝：本文在撰寫過程中得到了合肥工業(yè)大學(xué)吳紅斌教授的大力支持，在此對吳老師表示深深的感謝，感謝老師的悉心輔導(dǎo)和關(guān)懷。

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