电动汽车充放电行为对配电网负荷曲线的影响

杨思斯

（湖南水利水电职业技术学院，长沙410000）

电动汽车充放电行为对配电网负荷曲线的影响

杨思斯

（湖南水利水电职业技术学院，长沙410000）

环境恶化和资源枯竭等问题为可持续发展带来巨大挑战，而电动汽车是调和上述矛盾的有效手段。从市场的角度来看，电动汽车也在逐步成为未来主要的城市交通工具。对于配电网，当电动汽车放电时，可视为配电网的分布式电源；当电动汽车充电时，可以视为配电网的负荷。为此，分析大规模电动汽车无序充放电行为对配电网负荷曲线的影响，对于利用电动汽车实现配电网负荷曲线的削峰填谷具有非常重要的意义。

配电网；电动汽车；充放电行为；负荷曲线

0 引言

发展电动汽车是解决环境恶化和资源枯竭等问题、实现社会经济可持续发展的有效手段。对于配电网，电动汽车既是电源又是负荷，当电动汽车放电时，可以视为配电网的分布式电源；当电动汽车充电时，可以视为配电网的负荷。大规模电动汽车的无序充放电行为将会增加配电网负荷曲线的峰谷差；而电动汽车充放电行为的可调特性，又为配电网负荷曲线的削峰填谷提供了新的方法。为此，分析大规模电动汽车无序充放电行为对配电网负荷曲线的影响具有非常重要的意义。

1 电动汽车接入电网模型

电动汽车通过转换电能的形式来实现与电网的互动。图1为电动汽车与电网连接的结构示意图。图中主要包括电动汽车，变流器、变压器和电网4个部分，其中变流器包括升压器和逆变器。充电机是指图中变压器和变流器部分。电动汽车放电过程：升压器将电动汽车的低压直流电压升为高压直流电压，然后通过逆变器将直流转换成交流，再通过变压器接入电网。充电过程：电网通过变压器、逆变器将交流转换成直流，再通过升压器逆向降压给电动汽车充电。电动汽车接入电网的电路原理如图2所示。

图1 电动汽车与电网连接示意图

图2 电动汽车接入电网的电路原理

图2中，电动汽车可以等效为一个理想的电压源，U1是电压源的电压幅值，θ是电压的相角。R、L是总的功率损耗，主要是来自变流器的损耗，还包括电池损耗和变压器损耗。IL、φ为电动汽车通过变流器注入电网的电流及其相角。US、δ是指电流注入点（接入点）的电压幅值和相角。在充放电过程中，通过控制电动汽车的电压幅值U1和θ相角来实现有功和无功的注入。当需要调节有功功率时，只需要调整θ，使得θ＜δ，即电动汽车的相角θ落后接入点电网的电压相角δ，可以实现电网将有功功率注入电动汽车；反之，θ＞δ，即电动汽车的相角θ超前接入点电网的电压相角δ，可以实现电动汽车将有功功率注入电网。当需要注入无功功率时，只需要控制U1＞US，即电动汽车的电压幅值高于电网的电压幅值，可以实现将无功功率从电动汽车注入电网；反之，U1＜US，即电动汽车的电压幅值低于电网的电压幅值，可以实现将无功功率从电网注入电动汽车。由此可知，充电机通过控制U1和两个量就可以实现电动汽车与电网之间有功和无功的交换。

2 电动汽车充放电行为分析

电动汽车充放电行为具有随机性。其随机性主要是由车主的行驶习惯、初始荷电状态SOC0、日行驶里程和开始充放电时刻等决定的［1］。未来电动汽车的主要功能是替代化石能源汽车，故选取化石能源汽车的日行驶里程和最后返回时刻作为参考来分析未来电动汽车的行为特性。图3和图4分别是日行驶里程概率分布图和最后返回时刻概率分布图，这两幅图是根据某大城市公布的家庭车辆行驶行为的统计数据做出直方图，然后对直方图进行拟合，得到日行驶里程分布和最后返回时刻的拟合图［2］。

由图3可知，80%的车日行驶里程都小于40 km。由图4可知，以1天为周期，最后返回时刻近似服从正态分布。大多数电动汽车在车主下班回家以后完成了当天的行驶里程，此时也是电动汽车1天中电池荷电状态值最小的时候。车主会选择在这个时间将电动汽车接入电网并开始充电。故一般情况下1天中最后返回时刻非常接近开始充电时刻。为了方便研究，假设车主返回家中就立马将电动汽车接入电网开始充放电，即开始充电时刻等于最后返回时刻，则开始充电时刻满足正态分布［3］，而日行驶里程满足对数正态分布［4］。

图3 日行驶里程概率分布

图4 最后返回时刻概率分布

3 电力系统自然负荷曲线及其特点

配电网自然负荷的峰谷时段具有周期性。图5是某市区大型居民区的自然负荷曲线图，图中呈现出双峰三谷（双峰为早尖峰、晚尖峰，三谷为前后夜低谷、中午低谷）。早尖峰出现在8∶00—12∶00时段，负荷上升的速度快，负荷上升到最大后迅速下降，尖峰持续的时间不长、尖峰的形状比较陡；晚尖峰出现在15∶00—20∶00时段，其时间规律、负荷上升的速度、尖峰的形状和大小与早尖峰相似，只是在尖峰持续的时间比早尖峰长。这两个时段多与用户家用电等负荷开始上升有关。21∶00—7∶00时段、13∶00—15∶00时段都是电网的低谷期，因为这段时间人们的很多生活生产都处于休停状态。

图5 自然负荷曲线

对配电系统而言，家庭用户往往表现出相同或者类似的电动汽车使用习惯，如大概都为17∶00—18∶00时段开始停止使用电动汽车并对其进行放电，这一行为将可能增加电动汽车接入对系统的负面影响。以图5所示负荷为例，如果仅仅考虑将所有家用电器的负荷简单叠加，其高峰负荷可能超过1000MW，但在绝大部分情况下，不会出现所有电器同时运行的情况，因此从整个配电网的角度看，用户用电习惯的不同会降低峰荷水平。然而，若在其它电器正常使用的情况下居民无序、大量接入电动汽车，由于电动汽车充电持续时间较长，且可能存在大部分家庭的电动汽车在同一时间处于充电状态的情况，造成整个配电系统的峰荷超出预想水平，即峰谷差将更加明显。

4 电动汽车特性分析

为了分析电动汽车充放电行为对配电网的影响，首先分析电动汽车的负荷特性、放电容量以及考虑电动汽车充放电行为后的放电综合特性。

4.1 负荷特性

电动汽车的负荷特性取决于其在电网中的渗透率和充放电行为。为了分析电动汽车的负荷特性，需要得到电动汽车任意时刻充电功率的概率分布，图6是以1 000辆电动汽车为例，在1天内用蒙特卡罗仿真法对其充电功率概率密度函数进行抽样，得到的充电负荷曲线。

4.2 放电容量

电动汽车放电容量是指1天内某一时刻该城市或某区域所有电动汽车的放电能力的总和。电动汽车放电需要满足两个条件：有剩余电能；有相应的激励机制能够刺激用户同意向电网放电。由于1辆充满电后的电动汽车续航里程可以达到100 km以上，而最新发布的特斯拉电动汽车续航里程可以达到800 km。而由图3可知，80%的车日行驶里程都小于40 km。可见，还有大部分的电能可以在用户回到家以后反馈给电网。对于配电网，时段19∶00—24∶00是负荷的高峰期，时段00∶00—07∶00是负荷的低谷期。考虑激励电价的存在，车主会选择在负荷的高峰期向电网放电，而低谷期给电动汽车充电。如此，既能达到削峰填谷的作用，又能降低电动汽车运行的成本，实现用户和电网双赢。

图6 充电负荷曲线

因此，电动汽车一天内的放电容量主要包括19∶00—24∶00和00∶00—07∶00两个时段。受激励电价的影响，19∶00—24∶00时段电动汽车向电网放电，而00∶00—07∶00时段电动汽车充电。

假设电动汽车都在时刻24∶00放电结束，首先考虑一辆电动汽车的放电容量，然后以1 000辆电动汽车为例，分别在时段00∶00—07∶00和19∶00—24∶00内采用统计法得到放电容量曲线，如图7所示。

图7 放电容量曲线

4.3 综合特性

未来电动汽车将分为接受激励电价参与电网调度和不参与电网调度两大类，电动汽车的充放电行为对负荷曲线的影响是指这两大类电动汽车充放电行为的综合特性。根据本章前面的分析，参与电网调度的电动汽车是指在一天中最后返回时刻选择向电网放电，其放电行为特性符合图7放电容量特性。反之，其充电行为符合图6的负荷特性。假设以1 000辆电动汽车为例，1 000辆电动汽车中参与电网调度和不参与电网调度的这两类电动汽车的比例为1∶3，则根据图6～7中的数据，可以得到可以反映其最终充电情况的综合特性曲线如图8所示。

图8 综合特性曲线

从图8可知，受电动汽车车主意愿、当日行驶里程和激励电价等因素的影响，使得部分电动汽车愿意参与削峰填谷，从而得到电动汽车的综合特性曲线，从曲线可以看出，一部分电动汽车参与调度后，其充电功率在时间段19∶00—24∶00出现了峰值，时间段00∶00—07∶00也出现了一个小高峰。其余时间段，由于很少有电动汽车的充放电行为，故曲线数值很小且趋于平稳。

5 电动汽车充放电对负荷曲线影响

为了分析电动汽车充放电对负荷曲线影响，采用如图9所示的配电线路结构进行模拟。假设该条线路只有1个电源点，89个负荷节点，其中39个是电动汽车充放电负荷节点，线路配变总容量15 000 kVA。图10是不参与调度和参与调度电动汽车的比例为1∶3的情况下，不同规模电动汽车充放电行为对日负荷曲线的影响。

图9 配电线路结构图

图10 不同规模电动汽车充放电行为对日负荷曲线的影响

图10中不同规模电动汽车充放电行为对日负荷曲线的影响可以从3个时间段来分析：时间段09∶00—12∶00，不同规模电动汽车充放电行为对日负荷曲线没有影响，原因是这个时间段电动汽车很少有充放电行为。时间段00∶00—07∶00，电动汽车的放电行为对负荷曲线起到了“填谷”的作用，且电动汽车的规模越大，效果越好。时间段17∶00—24∶00，电动汽车的充放电行为增加了日负荷曲线的峰值，且规模越大，峰值越大。可见，仅仅依靠激励电价下调节电动汽车的充放电行为并不能使达到满意的削峰填谷效果。

6 结语

建立电动汽车接入电网模型，介绍电力系统自然负荷曲线及其特点，分析电动汽车充放电行为对负荷曲线的影响，得出了电动汽车的无序充放电行为会增大配电网负荷峰谷差的结论。算例表明如依靠激励电价调节电动汽车的充放电行为，不能完全达到削峰填谷的目的。电动汽车的充放电行为增加了日负荷曲线的峰值，且规模越大，峰值越大。因此，针对电动汽车的充放电行为，需要进一步制定具体的调度策略，如聚类分区集中调度或者电动汽车通过分布式调度策略使电动汽车接入配电网参与调度，实现配电网负荷曲线的削峰填谷。

［1］Srivastava A K，Annabathina B，Kamalasadan S.The challenges and policy options for integrating plug-in hybrid electric vehicle into the electric grid［J］.The Electricity Journal，2010，23（3）：83-91.

［2］熊脶成.基于多尺度空间的层次聚类的电动汽车优化调度研究［D］.长沙：长沙理工大学，2013.

［3］王陆璐，熊一，石露，等.基于车流密度曲线的电动汽车充电站有功特性建模研究［C］.中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十七届学术年会论集，2011：1-5.

［4］孙凤杰，尹国龙.电动汽车对配电系统负荷率影响的探讨［J］.科技创新导报，2011（13）：42-43，214.

Influence on the Load Curve of Distribution Network by Electric Vehicles

YANG Sisi
（Hunan Technical College of Water Resources and Hydropower，Changsha 410000，China）

Environmental degradation and depletion of resources and other issues have brought about severe challenge to sustainable development.Electric vehicles are one of the effective means to reconcile these contradictions.From the perspective of marketing，electric vehicles are becoming the next major transport in cities.For the distribution network，electric vehicles can be regarded as the distributed power sources when discharging and can be regarded as load when being recharged.Thus it is of crucial significance to analyze the influence on the distribution network load curve by disordered charge and discharge of large-scale electric vehicles.It is important both for scheduling policies of electric vehicles and for the realization of load shifting by means of the charging and discharging behavior of the electric vehicles.

distribution network；electric vehicles；charge and discharge behavior；load curve

TM910，TM714

B

1007－9904（2015）03－0053－04

2014-10-17

杨思斯（1983），女，讲师，从事电气工程类专业课程教学工作。