大规模电动汽车应用对城市电网负荷特性影响研究

魏 琦

（国家电网公司兰州供电公司，甘肃 兰州 730050）

面对能源、环境和气候问题日益突出，大规模发展电动汽车已成为国内外的共识。我国政府高度重视电动汽车产业发展，不断加大推广力度，出台一系列支持政策。国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012－2020年）》提出，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量超过500万辆。2013年，国家启动了新一轮新能源汽车推广应用，重点在京津冀、长三角、珠三角区域加大推广应用力度。随着电动汽车大规模应用，其对电网负荷平衡的影响逐渐成为当前研究热点，国内外多所高校和相关科研单位对此开展了研究。本文按照当前用电水平，从国家试点城市中选取三个典型城市，对私人用电动乘用车充电负荷特性进行仿真计算，研究对城市电网负荷的影响，暂不考虑公交、环卫、出租等集团用户的专用车辆。

一、电动汽车充换电负荷模型建立

（一）电能供给方式

当前，电动汽车电能供给方式主要有交流慢充、直流快充和电池更换等三种。

1.交流慢充

由交流充电桩提供交流电能，车载充电机完成交直流变换，充电功率一般不大于7千瓦。用户需要在长时间停驶时进行电能补充，用户通常会在一天行程结束后进行充电，如下班返回住所后，充电通常集中于傍晚和夜间时段。

2.直流快充

由非车载充电机完成交直流变换，为电动汽车提供直流电能，充电功率从几十千瓦到百千瓦。用户充电行为具有较强的随机性。假设快速充电设施可以覆盖用户日常行驶范围，用户将更倾向于在行驶途中进行电能补给。

3.电池更换

由充满电的电池组更换车辆上的电能消耗完的电池组，可在5－10分钟完成。假设换电站规模及布局合理，用户换电行为将与现有燃油车加油情况类似，根据实际需求在行驶途中进行电能补给。

（二）电动汽车充换电模型

1.模型建立条件

为了便于研究，不考虑三种电能供给方式的相互影响，独立分析三种方式下，电动汽车充换电负荷特性，分别建立负荷模型。假设电动汽车配置20千瓦时动力电池、百公里电耗16千瓦时、年行驶20000公里；交流慢充按照0.3C充电倍率，直流快充分别取3C和5C两种充电倍率，电动乘用车充电功率和充电时间如表1所示。按照电动乘用车充电前SOC服从均值为0.4，标准差为0.1的正态分布，车辆平均每1.4天进行一次充换电。

表1 电动乘用车各充电倍率的充电功率和充电时间

2.交流充电

假设用户在一天行程结束后进行充电，假设开始充电时刻服从均值为17：30，标准差为3.4小时的正态分布，即：

当前电动汽车采用的动力电池类型多为锂离子蓄电池，常规采用恒流－恒压两阶段充电方法。经实际测量，典型的交流充电曲线如图1所示。

可以看出，交流慢速充电过程中，充电的起始和下降阶段较短，大部分电量在恒流阶段完成，本文将交流充电过程近似为恒功率过程。

3.直流快充

由于用户更倾向于行驶途中进行充电，具有较强的随机性。泊松分布常用于描述一定时间内到达的用户数量，其描述了“完全随机”的用户行为，即用户到达的时间间隔与前一用户的到达时刻无关。假定用户充电的行为规律服从泊松分布，即在一定时间范围t内，到达快速充电站的电动汽车数量s满足：

其中，λ为电动汽车抵达充电设施的到达率，λt为充电车辆的期望值。参考加油站的统计数据，车辆达到数量分别在上午7：00－9：00，下午16：00－18：00形成高峰，某日各时段车辆到达数量占全天车辆数的比例如图2所示［15］。

图2 各时段的车辆达到数量比例

经实际测量，直流快速充电的典型充电曲线如图3所示。对于直流快速充电，充电功率在快速上升至最大功率后，开始逐渐下降，大部分电量在功率下降阶段完成。

图3 典型直流快速充电曲线

本文假定充电功率上升至额定充电功率PN后以式3所示的指数函数逐渐降低。

4.电池更换

电池更换模式下，充电机通常采用较低的充电功率对电池组进行充电，本文将该模式下的充电过程也近似为恒功率过程。对于充换电站的整体负荷，考虑充换电站有充裕的电池和充电机［16］，可对充电负荷进行有效控制，城市整体充电负荷近似为24小时平均分布，充电负荷模型如式4：

（三）电动汽车充换电负荷计算

在若干辆电动汽车整体充电负荷的计算中，需要考虑电动汽车充电负荷的随机性，难以得到整体充电负荷的解析表达式。本文通过蒙特卡罗仿真方法得到总充电负荷曲线的分布特性。在给定条件和随机特性下，应用计算机产生若干个充电事件，对于一日中的某一时刻，该时刻的充电功率将作为一个样本。蒙特卡罗仿真中样本数量n和实验次数N越大，仿真结果越加可靠。设U和s为各次实验的均值和标准差，样本均值U与期望值的误差为：

其中s为N次重复实验的标准差，α为误差的置信水平。

由中心极限定理可知，大规模电动汽车在各时刻的叠加充电负荷服从正态分布，则k辆电动汽车各时刻的叠加充电负荷满足，k辆电动汽车叠加充电负荷期望的置信区间为：

在制造业转型升级的过程中，政府在产业规划、政策引导、创造良好的经营与投资环境、提供信息与科技服务、制定法律法规维护市场秩序等方面发挥着重要作用。因此政府应增强其在经济管理体制改革中推动和调整产业结构体系的能力，以科学发展观为核心思想理念，遵从基本的科学规律，促使制造业经济逐步向集约、增长模式转变，制定出对于制造业发展核心环节有较强支持能力、有益于行业功能的调整和优化、兼顾倾斜投入的政策，构建适合本产业发展的政府协调以及管理机制体系。

若考虑6σ法则，可得到k辆电动汽车叠加充电负荷分布区间可估计为：

利用式（7），可以得到一定规模电动汽车整体充电负荷期望的一定置信区间，为了得到较保守的结果，本文采用置信区间的上限。

二、充换电负荷仿真计算

（一）典型城市选取

参照 GB/T 50293－1999《城市电力规划规范》中的人均综合用电量规划水平，分别选取用电水平高、中、低三类典型城市进行计算，三座城市机动车保有量及用电水平如表2。

表2 典型城市用电水平及机动车保有量

对城市A电动汽车保有量分别达到20万、50万和100万辆进行分析，约占其机动车总量的4%、10%和20%，同时按照相同的比例，对城市B、城市C进行分析。三座城市电动汽车保有量如表3，典型日负荷曲线如表4。

表3 典型城市电动汽车保有量情况 单位：万辆

表4 典型城市典型日负荷特性

（二）计算结果

按照计算条件，通过蒙特卡罗仿真，分别得到交流慢充、直流快充、电池更换方式下，叠加电动汽车充电负荷后电网的日负荷曲线。

1.交流慢充

叠加电动汽车充电负荷后，对电网总负荷及电网峰谷差的影响如表5、表6所示。各占比下，各城市负荷曲线变化如图4所示。

表5 电动汽车交流慢充引起电网最大负荷增长情况

表6 电动汽车交流慢充引起电网峰谷差变化情况

图4 交流慢充方式下计及充电负荷的日负荷曲线

2.直流快充

叠加电动乘用车充电负荷后，对电网总负荷及电网峰谷差的影响如表7、表8所示。充电倍率为5C时，各城市负荷曲线的变化如图5所示。

3.电池更换

叠加电动乘用车充电负荷后，对电网总负荷及电网峰谷差的影响如表9、表10所示。各城市负荷曲线的变化如图6所示。

图5 直流快充方式下计及充电负荷的日负荷曲线（3C充电倍率）

表7 电动汽车直流快充引起电网最大负荷增长情况

表8 电动汽车直流快充引起电网峰谷差变化情况

图6 电池更换方式下计及充电负荷的日负荷曲线

表9 电池更换方式充电负荷引起电网最大负荷增长情况

表10 电池更换方式充电负荷引起电网峰谷差变化情况

三、结论

（一）电动汽车用户的充电行为、电动汽车的行驶特性、充换电设施的分布和充电功率是影响电网负荷的主要因素，由于快充充电时间短，充电同时率降低，充电总负荷不会随快充功率的增大而增大。

（二）电动汽车充电负荷引起电网总负荷增长较小。5C直流快充方式下最大，当电动汽车占比达到当前机动车保有量的4%、10%、20%时，引起电网最大负荷增长0.71%、1.77%、3.54%。

（三）电动汽车充电负荷引起电网峰谷差增大。5C直流快充方式下最大，当电动汽车占比达到当前机动车保有量的4%、10%、20%时，最大引起电网峰谷差增大0.40%、0.98%、1.94%。

电动汽车规模化应用后，3种电能供给方式相互独立下，研究充电对电网负荷的影响需进一步研究用户电动汽车使用特性以及考虑3种电能供给方式相互组合下，充电对电网负荷的影响，以及电动汽车规模化应用对局部区域配电网络的负荷影响和电能质量影响。同时，电动汽车具有可控负荷和储能单元的双重属性，是未来电网可以利用的重要资源。通过改变用户充电行为可以减少电动汽车对电网的不利影响，保障电网运行的安全性和可靠性，同时还可提高电网运行的经济性。通过需求侧管理手段，对电动汽车用户实施有效的激励和引导，改变电动汽车用户的充电行为，保障规模化电动汽车的顺利接入，实现电动汽车储能能力的利用，是未来电动汽车充电技术发展的方向。评估电动汽车对电网的影响，可为电动汽车基础设施建设和相关智能电网技术的应用提供依据和指导，是实现电动汽车与电网整合的基础。

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