張樂平，許燕灝，胡紅，張子昊

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州市 510080;2.廣東電網(wǎng)公司，廣州市 510080;3.廣東實驗中學(xué)，廣州市 510735)

0 引言

規(guī)模化電動汽車的電力需求將為電網(wǎng)帶來壓力和挑戰(zhàn)。關(guān)于電動汽車對電網(wǎng)的影響已有多篇文獻在不同計算條件下進行了評估，由于考查案例和計算方法的不同，關(guān)于電動汽車對電網(wǎng)的影響出現(xiàn)了不同的結(jié)論。

關(guān)于電動汽車對電網(wǎng)影響的擔(dān)憂，最為突出的是其充電負荷可能引發(fā)的電網(wǎng)升級改造需求。關(guān)于電動汽車對發(fā)電和輸電影響的研究集中在電動汽車電量和電力需求。文獻［1］指出，若利用低谷時段充電，美國現(xiàn)有發(fā)電和輸電能力可滿足73%輕型車輛的需求。文獻［2］考慮電動汽車傍晚充電和夜間充電2種情景，指出:在傍晚充電情境下，電動汽車將使電網(wǎng)峰值負荷產(chǎn)生較大增長，到2030年美國13個供電區(qū)域中將有10個區(qū)域需要新增裝機以滿足電動汽車電能需求。文獻［3］以澳大利亞珀斯地區(qū)為案例，參照傳統(tǒng)車輛行駛統(tǒng)計特性進行計算，指出若該地區(qū)所有乘用車替換為電動汽車，現(xiàn)有輸電線路和變電站可滿足100%車輛的需求，但如果不增加該地區(qū)的裝機容量，需要在負荷高峰日對93%的車輛進行管理。關(guān)于電動汽車對配電網(wǎng)的影響研究集中在線路和變壓器負載率、設(shè)備壽命、線損、壓降、可靠性、不平衡和諧波等問題的評估。文獻［4］對帶有不同數(shù)量電動汽車的變壓器熱點溫度進行了計算，得出嚴重情況下電動汽車充電負荷將使變壓器壽命降低12%。文獻［5］對某城市生活區(qū)的89條10 kV線路進行考查，結(jié)果表明當該區(qū)域電動汽車滲透率達到20%以上時，線路末端壓降將出現(xiàn)越限。文獻［6］指出電動汽車充電引起的線損和壓降在進行優(yōu)化充電管理后仍不可忽視。

眾多研究表明，電動汽車對電網(wǎng)的影響評估應(yīng)結(jié)合所考查電網(wǎng)運行情況。在發(fā)電和輸電層面，電動汽車對電網(wǎng)的影響與電動汽車的總體數(shù)量以及用戶行駛和充電的統(tǒng)計特性有關(guān);而在配電層面，電動汽車對電網(wǎng)的影響還與充電設(shè)施位置分布以及各特定區(qū)域和場所下的用戶特性有關(guān)。

本文基于電網(wǎng)運行指標，提出規(guī)?；妱悠噷﹄娋W(wǎng)影響的指標體系。根據(jù)電動汽車充電負荷的隨機性，建立2個層次的評估方法。

1 電動汽車對電網(wǎng)影響的評估指標和方法

電網(wǎng)評價指標可劃分為安全性、可靠性、優(yōu)質(zhì)性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟性、高效性等指標［7］，電網(wǎng)運行特性取決于電網(wǎng)自身的結(jié)構(gòu)、設(shè)備容量與所帶負荷特性之間的匹配關(guān)系。規(guī)?；妱悠嚦潆娯摵蓪⒁瓞F(xiàn)有負荷特性的改變，進而使電網(wǎng)與負荷的匹配關(guān)系發(fā)生變化，如果電網(wǎng)不對這種改變進行適應(yīng)性的變化，電動汽車將對電網(wǎng)的各個指標產(chǎn)生不同程度的影響。

為了對電動汽車充電負荷對電網(wǎng)的影響進行分析，本文從發(fā)電、輸電和配電層面對電網(wǎng)運行指標進行了選取，在電網(wǎng)運行指標基礎(chǔ)上，提出電動汽車對電網(wǎng)影響的評價指標，如圖1所示。電動汽車對電網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)于安全性、可靠性、經(jīng)濟性和高效性，另外，電能質(zhì)量也是評估的重要內(nèi)容之一。

上述對電網(wǎng)的影響指標，考察的是考慮電動汽車前后這些指標的變化量，如電壓降的變化幅度。在這些指標的評估中，需要根據(jù)指標內(nèi)容的不同設(shè)定不同的考察區(qū)域，如對發(fā)電和輸電的影響，應(yīng)對一定區(qū)域的電動汽車進行整體考察。對于配電，可以對一個城市乃至某一個供電區(qū)域內(nèi)的電動汽車進行考察。

根據(jù)評估范圍、層面和指標內(nèi)容的不同，需要建立適當?shù)某潆娯摵捎嬎隳Ｐ鸵约坝绊懺u估方法。對于發(fā)電和輸電層面，需要衡量電動汽車整體電力需求，進而對系統(tǒng)容量進行評估。此時，應(yīng)用基于特定充電情形的方法，可以簡便地對不同情形下電網(wǎng)的承受能力進行評估［8］，該方法適用于不掌握電動汽車負荷特性的情況，可作為電網(wǎng)影響評估的前期工作。在一定統(tǒng)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮電動汽車充電負荷的隨機性［9-10］，本文給出一種總充電負荷的計算方法，如圖2所示。在給定條件和隨機特性下，應(yīng)用蒙特卡羅仿真［11-12］求出1輛電動汽車在1日各時刻充電負荷的期望和方差，進而得到一定規(guī)模數(shù)量電動汽車在各時間點總負荷的期望和方差，疊加電網(wǎng)負荷曲線后得到負荷曲線的變化。電網(wǎng)背景負荷應(yīng)與電動汽車的充電特性在同一時間和空間尺度劃定，考慮電網(wǎng)負荷的統(tǒng)計特性并得到疊加后負荷曲線的概率分布。

圖1 電動汽車對電網(wǎng)影響的指標體系Fig.1 Indices of EVs impact on power grid

圖2 規(guī)?；妱悠嚳傮w充電負荷計算及系統(tǒng)容量評估方法Fig.2 Large-scale EVs charging load calculation and system capacity evaluation method

對于配電網(wǎng)負載率、線損、壓降等運行指標，由于電動汽車充電負荷在一定區(qū)域內(nèi)具有空間分布特征，對上述指標的評估需要考慮充電負荷在配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布，以得到電動汽車對不同地區(qū)的影響［13］。在特定充電情形下，通過傳統(tǒng)的確定性潮流計算可得到各指標的結(jié)果。若考慮電動汽車充電負荷的隨機特性，需要通過概率潮流計算進行各項指標的評估［10］。本文基于隨機潮流計算提出電動汽車對配電網(wǎng)影響的評估計算方法，如圖3所示。

圖3 電動汽車對配電網(wǎng)運行影響的評估方法Fig.3 Evaluation method of EVs impact on distribution system's operation

對于電動汽車充電引起的其他問題，包括可靠性、設(shè)備壽命、電能質(zhì)量等，需要在電動汽車充電負荷計算基礎(chǔ)上，建立其他模型和評估方法，在這些問題的評估中，考慮電動汽車充電的隨機性有助于得到更加客觀的結(jié)果，如評估由單相充電機引起的不對稱問題時，同時充電的同時率將對三相不對稱度計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。電動汽車充電特性的隨機性，取決于電動汽車的數(shù)量、充電地點、充電功率、用戶行為等。

2 案例分析

2.1 規(guī)?；妱悠囌w充電負荷及其影響

以Nissan Leaf(電池容量為 24 kW·h，每100 km耗電量20 kW·h)為參考車型。分別考慮電動汽車充電功率為3.5 kW(單相220 V，16 A)、7 kW(單相 220 V，32 A)和 20 kW(三相 380 V，32 A)，充電過程簡化為恒功率過程。假設(shè)用戶每日進行1次充電，關(guān)于用戶的充電開始時間分布，本文參考了美國家用車輛調(diào)查機構(gòu)對車輛最后一次行程結(jié)束時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)［14］，以及美國Idaho國家實驗室2009年對67輛家用PHEV(經(jīng)改裝的Toyota Prius)的路測試驗統(tǒng)計結(jié)果［15］。本文假設(shè)用戶每次充電都至滿電量，每次充電的電量與用戶當日的行駛里程相關(guān)，同樣分別采用了NHTS及Idaho的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。考慮用戶行為和充電功率的組合，本文設(shè)定了6種充電情形，如表1所示。

表1 電動汽車充電情形Tab.1 EVs charging case

依據(jù)圖2所示的方法，按照上述6種充電情形，建立k輛電動汽車的充電負荷模型，圖4給出了k=100000輛時，各情形下的整點充電負荷及誤差區(qū)間。

表2給出最大和最小充電負荷及其發(fā)生時刻。

在上述計算基礎(chǔ)上，以我國某城市為考察對象，假設(shè)該城市私人電力汽車保有量達到當前私人汽車保有量的25%，在該城市日負荷曲線基礎(chǔ)上疊加充電負荷后，電網(wǎng)峰值負荷的增長情況如表3所示。

從表3可看出，應(yīng)用不同情形下充電負荷模型時，城市電網(wǎng)負荷增長為3.01% ～5.24%。電動汽車峰值充電負荷與原有峰值負荷在時間上的相關(guān)性決定了疊加后負荷的增長。對于所考察城市，充電情形III下電動汽車充電引起的負荷增長較顯著。

2.2 電動汽車對配電網(wǎng)的影響

本文以某住宅區(qū)域的配電網(wǎng)為例，考察充電負荷引起線路和變壓器負載率的變化。該地區(qū)主要由1條10 kV饋線供電，帶有6個居民小區(qū)(約3000戶居民)以及2個企事業(yè)單位的部分負荷，如圖5所示。

圖5 某住宅區(qū)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Distribution network in a residential area

該線路供應(yīng)區(qū)域的私人汽車保有量約為1200輛。考慮25%的電動汽車保有量，按照表2中充電情形II對應(yīng)的充電特性，根據(jù)圖3所提供的方法對該簡單配電網(wǎng)進行了隨機潮流計算。線路負載率的分布如圖6所示，居民小區(qū)2配電變壓器負載率的分布如圖7所示。

根據(jù)原負荷曲線樣本，10 kV線路負載率為33% ～42%，居民小區(qū)2配電變壓器(630 kVA)負載率為13% ～44%。

計算結(jié)果表明，增加充電負荷后，10 kV線路負載率提高至36% ～46%，居民小區(qū)配變負載率提高至31% ～60%。

3 結(jié)論

在一定考察范圍內(nèi)，電動汽車對電網(wǎng)的影響可通過各種電網(wǎng)運行指標得到反映。本文在電網(wǎng)運行指標基礎(chǔ)上，針對發(fā)電、輸電和配電層面提出了電動汽車對電網(wǎng)影響的評價指標?；陔妱悠嚦潆娯摵傻碾S機特性，提出了電動汽車對電網(wǎng)影響的評估方法。按照所提出的規(guī)模化電動汽車整體負荷計算方法，計算了6種充電情形下電動汽車的充電負荷，并考察了對某城市電網(wǎng)峰值負荷的影響。按照所提出的配電網(wǎng)影響評估方法，以某城市居民區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)為例，對電動汽車充電負荷對該網(wǎng)絡(luò)的負載率進行了計算。計算結(jié)果表明，相比于系統(tǒng)整體負荷增長，充電負荷引起的“本地問題”更為顯著?？疾靺^(qū)域越大，得益于充電負荷的分布特征，電動汽車對該項指標的影響越不顯著。除電動汽車負荷的隨機性外，與原有負荷在時間和空間上的關(guān)聯(lián)程度也是重要的影響因素。

［1］Meyers M K，Schneider K，Pratt R，et al.Impacts assessment of plug-in hybrid vehicles on electric utilities and regional US power grids part 1: technicalanalysis［EB/OL］.［2007.11］. http://energyenvironment.pnnl.gov.

［2］Hadley S W，Tsvetkova A A.Potential impacts of plug-in hybrid electric vehicles on regional power generation［J］.The Electricity Journal，2009，22(10):56-68.

［3］McCarthy D，Wolfs P.The HV system impacts of large scale electric vehicle deployments in a metropolitan area［C］//20thAustralasian UniversitiesPowerEngineering Conference. Christchurch， New Zealand:University of Canterbury，2010:13-18.

［4］Kuss M，Markel T，Kramer W.Application of distribution transformer thermal life models to electrified vehicle charging loads using Monte-Carlo method［C］//The 25thWorld Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium ＆ Exhibition.Shenzhen，China:Electric Vehicle Association of Asia Pacific，2010:1-8.

［5］李惠玲，白曉民.電動汽車對配電網(wǎng)的影響及對策［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(17):38-43.

［6］Clement-Nyns K，Haesen E，Driesen J.The Impact of charging plugin hybrid electric vehicles on a residential distribution grid［J］.IEEE Transaction on Power Systems，2010，31(11):371-380.

［7］韓柳，彭冬，王智東，等.電網(wǎng)評估指標體系的構(gòu)建及應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2011，35(11):29-33.

［8］Putrus G A，Suwanapingkarl P，Johnston D，et al.Impact of electric vehicles on power distribution networks［C］//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.Dearborn，USA:IEEE，2009:827-831.

［9］羅卓偉，胡澤春，宋永華，等.電動汽車充電負荷計算方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(14):36-41.

［10］Kelly L.Probabilistic modeling of plug-in hybrid electric vehicle impacts on distribution networks in British Columbia［D］.Waterloo，University of Waterloo，2005.

［11］Taylor，Maitra J，Alexander A.Evaluation of the impact of plug-in electric vehicle loading on distribution system operations［C］//IEEE Power＆ Energy Society General Meeting.Calgary，Canada:IEEE，2009:1-6.

［12］田立亭，史雙龍，賈卓.電動汽車充電功率需求的統(tǒng)計學(xué)建模方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(11):126-130.

［13］Gerkensmeyer C，Kintner-Meyer M C W，DeSteese J G.Technical challenges of plug-in hybrid electric vehicles and impacts to the US power system:distribution system analysis［EB/OL］.［2010.1］.http://www.smartgrid.gov/sites.

［14］Vyas A，Santini D.Use of national surveys for estimating‘full’PHEV potential for oil use reduction［EB/OL］.［2008.7］.http://www.transportation.anl.gov.

［15］Smart J，Davies J，Shirk M.Electricity demand of PHEVs operated by private households and commercial fleets:effects of driving and charging behavior［C］//The 25thWorld Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium ＆ Exhibition.Shenzhen，China:Electric Vehicle Association of Asia Pacific，2010:1-11.