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)
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。
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。
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)。
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
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
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
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]。
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
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)。
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。
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。