鐘小強(qiáng)，麥鴻坤

(1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司營(yíng)銷部，福州 350003； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，合肥 230026)

0 引 言

負(fù)載是衡量臺(tái)區(qū)用電水平的一個(gè)重要指標(biāo)，它對(duì)配電設(shè)計(jì)以及電網(wǎng)維護(hù)具有重要意義。目前，配電設(shè)計(jì)者以居民區(qū)的人口、面積的為參考，憑經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行配電設(shè)計(jì)；而設(shè)計(jì)完畢后直至投入運(yùn)行，幾乎無(wú)法獲得反饋信息。因?yàn)榕_(tái)區(qū)數(shù)量多，又有自身的發(fā)展特性，所以，各省電力公司很難對(duì)各臺(tái)區(qū)的負(fù)載情況，做到完全掌握。

而近年來(lái)，隨著居民區(qū)電動(dòng)汽車的數(shù)量不斷增加，為電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了新的問(wèn)題和變化[1]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)臺(tái)區(qū)的負(fù)載進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，就更加重要。

臺(tái)區(qū)的負(fù)載要考慮兩方面因素：電動(dòng)汽車的充電功率和居民用電功率。目前，已有較多文獻(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的充電行為進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]對(duì)電動(dòng)汽車開始充電時(shí)間、日行駛里程的概率密度函數(shù)，但是文中做出的“電動(dòng)汽車在最后一次出行返回后開始充電”的假設(shè)，與人們的充電習(xí)慣并不完全相符。文獻(xiàn)[3]給出了電動(dòng)汽車充電功率需求的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法，但是其仍然建立在“電動(dòng)汽車在最后一次出行返回后開始充電”假設(shè)的基礎(chǔ)上。

本文首先介紹了與電動(dòng)汽車充電行為相關(guān)的背景知識(shí)。接下來(lái)，通過(guò)計(jì)算，能夠得到電動(dòng)汽車的充電特性，并計(jì)算了不同充電閾值下的充電功率需求。最后，結(jié)合臺(tái)區(qū)自身的負(fù)荷特性，通過(guò)疊加計(jì)算，分析預(yù)測(cè)出了臺(tái)區(qū)的負(fù)載情況，指出與負(fù)載率相關(guān)的參數(shù)關(guān)系以及整體負(fù)載率低的現(xiàn)狀。

1 背景知識(shí)

1.1 鋰電池充電模型

目前，電動(dòng)汽車電池主要為鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池[4]。其中，市場(chǎng)上的電池中，鋰電池性能最好，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的汽車廠家選擇鋰電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。恒流恒壓充電方法[5]是鋰電池常用的充電方法，三種電池采用恒流恒壓充電，功率曲線如圖1所示。

圖1 電池充電功率曲線比較

恒流恒壓充電過(guò)程可以近似為恒功率充電，同時(shí)對(duì)于常規(guī)慢速充電，充電起始和結(jié)束階段相對(duì)于整個(gè)充電過(guò)程較短，可以忽略，因此可以認(rèn)為充電開始到結(jié)束都為恒功率，本文取恒定值3.5 kW。

1.2 電動(dòng)汽車滲透率

居民區(qū)配電網(wǎng)中，電動(dòng)汽車滲透率能直觀和準(zhǔn)確地反映配電網(wǎng)內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展水平。電動(dòng)汽車滲透率[2]為：

(1)

式中α為居民區(qū)電動(dòng)汽車滲透率；NR為居民區(qū)住戶數(shù)量(戶)；NPEV為居民區(qū)電動(dòng)汽車數(shù)量(輛)。

1.3 日行駛里程以及充電時(shí)長(zhǎng)概率密度函數(shù)

我們可以通過(guò)電動(dòng)汽車行駛里程的概率分布計(jì)算出電動(dòng)汽車的日耗電量的概率分布。傳統(tǒng)燃油車和電動(dòng)汽車不會(huì)對(duì)人們的出行習(xí)慣造成影響，因此二者的行駛里程服從相同的分布。

一般以傳統(tǒng)燃油車入手分析電動(dòng)汽車的駕駛特性。目前，國(guó)內(nèi)外汽車出行調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多年的調(diào)查與積累已經(jīng)較為完善，其中最具代表性的數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)家庭旅行調(diào)查HNTS[6]。日行駛里程d滿足如下對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)如公式(2)所示[2,7-8]，概率分布圖如圖2所示。

(2)

式中μD=3.20 ，σD=0.88。

圖2 私家汽車日行駛距離概率分布圖

本文假設(shè)電動(dòng)汽車采用功率3.5 kW的恒功率進(jìn)行充電，電動(dòng)汽車的電池容量為30 kW·h，電動(dòng)汽車電池狀態(tài)SOC與行駛距離有如式(3)的線性關(guān)系[2,9]：

(3)

充電時(shí)長(zhǎng)概率密度如圖3所示。

圖3 私家汽車日充電時(shí)長(zhǎng)概率分布圖

1.4 充電開始時(shí)間

居民區(qū)以私家車為主，私家車用戶一般在17:30～18:30回到居民區(qū)，在7:00～9:00離開居民區(qū)。電動(dòng)汽車在居民區(qū)的停放時(shí)間多為夜間，且超過(guò)10小時(shí)，具有適合慢充的特點(diǎn)。2001 年美國(guó)交通部對(duì)全美家用車輛最后一次出行時(shí)間調(diào)查結(jié)果如圖4所示[2]。

圖4 居民區(qū)私家車最后一次出行結(jié)束時(shí)間

2 負(fù)載分析和預(yù)測(cè)

臺(tái)區(qū)變壓器需要同時(shí)滿足居民用電需求和電動(dòng)汽車充電需求，預(yù)測(cè)流程圖如圖5所示。

圖5 負(fù)載預(yù)測(cè)流程圖

2.1 居民負(fù)荷的預(yù)測(cè)

由于電力負(fù)荷作為時(shí)間序列呈現(xiàn)明顯的周期性，自回歸求和移動(dòng)平均(autoregressive integrated moving average，ARIMA)模型也經(jīng)常作為電力負(fù)荷的有效預(yù)測(cè)手段，其建模流程圖如圖6所示[10]。

2.2 電動(dòng)汽車功率需求期望

根據(jù)1.3和1.4中所述，采用蒙特卡羅仿真方法求出一天內(nèi)24個(gè)時(shí)刻1 000臺(tái)電動(dòng)汽車充電功率需求的期望P(k),(k=0～23)。仿真100天，1 000輛充電汽車分別在無(wú)序充電(返回家中即充電)、需要充電滿1小時(shí)(注：上文已假設(shè)行駛距離與耗電量是線性關(guān)系，充電滿1小時(shí)是指電動(dòng)汽車耗電后，需要超過(guò)1個(gè)小時(shí)才能把電池充滿，后文同理)、滿2小時(shí)、滿3小時(shí)、滿4小時(shí)條件下充電，其結(jié)果如圖5所示。

如公式(4)中所示，計(jì)算居民區(qū)電動(dòng)車數(shù)量如下所示：

NPEV=α×NR

(4)

其中，α為滲透率，NR為居民區(qū)人數(shù)，則各時(shí)刻汽車充電功率期望為：

PPEV(k)=p(k)×NPEV/1000,(k=0～23)

(5)

圖6 ARIMA模型建模流程

圖7 一天內(nèi)各時(shí)刻1 000臺(tái)車輛功率需求期望

3 仿真與分析

3.1 數(shù)據(jù)格式及說(shuō)明

針對(duì)居民區(qū)特征，可以做如表1所示的劃分。

表1 居民區(qū)特征劃分表

按照以上劃分，共有26=64種居民區(qū)類型，在廈門市范圍內(nèi)每種類型抽取1個(gè)，共計(jì)抽取64個(gè)居民區(qū)。

3.2負(fù)荷疊加

以<滲透率，充電閾值>為一組變量進(jìn)行居民區(qū)與充電汽車的負(fù)荷疊加，其中滲透率的取值為10%，20%，…，100%，充電閾值為0～4(分別代表無(wú)序充電(返回家中即充電)、需要充電滿1小時(shí)、滿2小時(shí)、滿3小時(shí)、滿4小時(shí)條件下充電)，某典型日下，居民用電負(fù)荷與電動(dòng)汽車充電負(fù)荷疊加結(jié)果示例如圖8、圖9所示。

圖8 滲透率為10%時(shí)負(fù)荷疊加情況

圖9 滲透率為10%時(shí)負(fù)荷疊加情況

從圖8和圖9可以看出，一方面，當(dāng)滲透率較低時(shí)，曲線幾乎重疊，對(duì)臺(tái)區(qū)的疊加負(fù)荷影響不大，當(dāng)滲透率較高時(shí)，電動(dòng)汽車充電成為臺(tái)區(qū)疊加負(fù)荷的主要部分；另一方面，充電閾值的提高能起到一定錯(cuò)峰的作用。

該臺(tái)區(qū)是由兩個(gè)容量為630 kW的變壓器所組成，可以看出隨著滲透率從10%～100%，變壓器的最高負(fù)載率也由23.8%上升到28.6%。此外，1時(shí)至7時(shí)負(fù)載較低，可以通過(guò)控制策略將開始充電時(shí)間延后，使得臺(tái)區(qū)負(fù)載更加均衡，圖10為<滲透率，充電閾值>=<100%，1>延遲充電7小時(shí)前后的負(fù)荷對(duì)比圖。

圖10 延時(shí)7小時(shí)負(fù)荷對(duì)比圖

從圖10中可以看出，延時(shí)后的充電負(fù)荷曲線最高點(diǎn)低于延時(shí)前的最高點(diǎn)，與未充電時(shí)的臺(tái)區(qū)的原始功率曲線的最高點(diǎn)重合。將充電負(fù)荷延時(shí)到1時(shí)～7時(shí)，填補(bǔ)了原波谷的負(fù)荷。延時(shí)曲線較0功率曲線，起到了削峰填谷的作用，使得變壓器負(fù)載更加均衡。針對(duì)64個(gè)樣本臺(tái)區(qū)，負(fù)載率情況如表2所示。

表2 抽樣臺(tái)區(qū)負(fù)載率情況表

從表2可以看出，目前臺(tái)區(qū)的整體負(fù)載率較低，即使考慮電動(dòng)汽車接入居民區(qū)，負(fù)載率會(huì)提高，但是由于在進(jìn)行臺(tái)區(qū)電力設(shè)計(jì)時(shí)留有足夠的余量，在100%負(fù)載率時(shí)，仍能滿足供電需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從電動(dòng)汽車的電池特性、行駛習(xí)慣以及充電行為出發(fā)，計(jì)算并分析了電動(dòng)汽車的充電特性。通過(guò)對(duì)特征的抽取，選取了具有代表性的64個(gè)臺(tái)區(qū)，并以滲透率和充電閾值作為參數(shù)，仿真計(jì)算了各臺(tái)區(qū)的負(fù)載變化情況。

從仿真結(jié)果來(lái)看，可以得出以下結(jié)論：

(1)滲透率與負(fù)載正相關(guān)，隨著滲透率的升高，負(fù)載率也會(huì)隨著升高；

(2)充電閾值與負(fù)載負(fù)相關(guān)，隨著充電閾值升高，負(fù)載率會(huì)隨之降低；

(3)由于目前臺(tái)區(qū)的負(fù)載處于較低水平，充電汽車的接入，不會(huì)對(duì)臺(tái)區(qū)的變壓器造成太大影響。

然而，由于抽樣未考慮臺(tái)區(qū)的分布特性，抽樣結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)存在一定的偏差。接下來(lái)將會(huì)對(duì)臺(tái)區(qū)進(jìn)行分類計(jì)算，盡量逼近真實(shí)的臺(tái)區(qū)分布情況，在此基礎(chǔ)上的負(fù)載分析和預(yù)測(cè)工作，更具有客觀性和科學(xué)性。