电动汽车负荷建模的影响因素和充电控制研究

张晓天，商文颖，李 华，朱赫炎，王优胤

(国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015)



电动汽车负荷建模的影响因素和充电控制研究

张晓天，商文颖，李 华，朱赫炎，王优胤

(国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015)

目前电动汽车的发展应用已成为一种必然趋势，但规模化的电动汽车接网充电将会在一定程度上影响电力系统的安全稳定运行。通过详细论述电动汽车充电负荷建模的影响因素，从输配电网两个层级分析电动汽车接网充电给电网运行带来的影响，总结电动汽车规模化充电控制策略的研究思路，为电动汽车充电控制研究领域提供理论指导。

电动汽车；充电负荷；影响因素；充电控制策略

能源和环境是制约经济社会发展的关键因素，也是当今全球各领域尤为关注的热点问题。世界各地能源危机日趋严重，传统化石能源过度开采，水污染、空气污染以及温室效应等问题层出不穷。汽车作为现代社会化大工业的产物给人们日常交通出行带来舒适和便捷的同时，也使能源和环境面临危机。汽车生产企业广泛认识到节能环保是汽车技术未来发展的主流方向，以电力驱动、无尾气排放的电动汽车日渐受到世界各国的广泛关注[1]。

世界各国出台相应的政策措施支持电动汽车的研究和推动新能源汽车产业的发展，电动汽车迎来了自身发展的重大契机。美国国家能源部通过实施了EV project计划来推动电动汽车的发展；中国国家科技部牵头实施的“十城千辆”计划，其目的也是推动电动汽车在社会公共服务领域的示范运行和发展[2]。虽然我国对电动汽车相关技术的研究相比于发达国家起步晚，但通过国家项目持续、大力的研发支持，电动汽车发展迅猛，其产业体系日趋成熟。

随着电动汽车产业及相关技术的发展，数量与日俱增的电动汽车作为一种“新型负荷”接入电网，将对电网运行与规划产生深远影响，给电力系统的安全与经济运行带来新的挑战。

1 充电负荷建模的影响因素分析

为了系统性分析电动汽车充电给电网造成的影响，进而对充电控制策略进行研究，应该先建立能够体现充电负荷特性的数学模型。影响负荷建模的因素主要有充电模式、电池特性以及用户行为习惯等[3]。

1.1 充电模式

a.分布式充电。一般指常规充电方式，即集中于居民楼和停车场的低电压充电点。采用该模式充电，充电行为可自由支配，无需考虑电源供给侧的运行状况。分布式充电的电流一般在10～15 A，车载电源充满需要5～8 h[3]。分布式充电虽然给汽车用户提供了很大便利，但是充电时间长，充电行为因个体差异具有很大随机性，因而很难做到规模性充电负荷的精确预测。

b.集中式充电。能够实现短时间快速充电，一般分为快速充电和电池交换2种方式。一种是快速充电，指充电电流大于常规充电电流的情况(一般为150～400 A)，可以在20～120 min内将电池快速充电达到80%以上，为电动汽车的继续行驶提供快速高效的充电服务[4]。由于快速充电方式的充电电流大，因而对设备的要求更高，一般将充电站建设在能够实现短时间停车的公共场所。另一种是电池更换，是以更换车载电源的方式实现快速充电，并对更换下来的空电池进行集中充电的方式。这种充电方式可以实现对电池电量和充电时间的高效调控，对电网的影响在可评估预期内。

c.智能充电。一般指智能双向有序充放电模式(vehicle to grid,V2G),即车载电源作为分布式储能与电网实现互联，在用电非高峰期可以入网充电，在负荷高峰时段可向电网送电以实现削峰填谷或者转移负荷峰值，进而保障电网安全稳定运行。

1.2 电池特性

电动汽车车载电池的充电模式一般采用“恒流—恒压”充电模式，其充电特性如图1所示。目前，已成熟应用市场的车载电池主要是容量小、续航短的小型汽车电池和容量大、续航长的公交车电池。考虑到电池性能和生产成本的约束关系，锂电池作为目前较为理想的动力电池得到广泛使用。

图1 电动汽车电池的充电特性

1.3 用户行为习惯

电动汽车充电的无序性主要是受用户行为习惯的影响，影响要素包括充电起始时刻和充电持续时段2个方面。一般假设出行结束时刻即为充电起始时刻，充电持续时段越密集，电网承载的电动汽车负荷越大，若是正值负荷高峰期，容易造成新的负荷峰值。

2 充电负荷给电网带来的影响

电动汽车发展形成规模，大量充电负荷接网势必会对电网负荷平衡造成冲击。电动汽车接入充电对电网造成的影响主要涉及负荷增长、电网运行调控管理难度增加、电能质量下降、电网运行经济性等几个方面。

2.1 对输电网的影响

规模化电动汽车充电，主要是在配网层面增加负荷，并且输电网具有足够消纳这种规模充电负荷的容量和能力，因而对输电网只产生间接影响，这里暂不重点考虑。

2.2 对配电网的影响

电动汽车充电对电网影响主要体现在配电网，大量无序、随机的充电负荷直接接入配电网会带来很多不可预知的影响，因而配电网的影响研究备受关注[5-6]。对配电网的影响主要涉及3个方面，如图2所示。

图2 电动汽车充电对配电网影响

a.对配电网电能质量的影响。由于充电机的特性，电动汽车在接网充电时会产生一定程度的谐波，进而影响电网供电质量[7]。

b.对配电网安全稳定经济运行的影响。规模化电动汽车同时接入配电网充电，会造成配电网设备损耗的增加，进而减少了线路、变压器等设备的使用年限，相当于额外增加设备投资，导致电网运行经济性下降。

c.对配电网规划的影响。电动汽车接网充电时间受随机性较大的用户行为影响，因而这部分接入配电网的负荷很难准确预测，进而给供需两侧平衡分析工作增加了难度。因此在规划过程中在保证配电网安全可靠运行前提下，应注意提高供电裕度。

3 电动汽车规模化充电控制策略研究

电动汽车无序充电会对电力系统产生负面影响，电动汽车充电负荷有序可控能有效避免对电网冲击甚至有益于电网经济运行。电动汽车充电控制策略一般是以电网运行经济性或稳定可靠性为目标，协调有效的充电控制策略会增强电网运行的经济性和可靠性。基本的充电控制策略是电网负荷削峰填谷，这也是电动汽车规模性接入电网能够实现电网经济可靠运行较为有效的手段。

3.1 电动汽车充电控制策略

基于分时分段电价的电动汽车充电控制策略是基于分段电价策略以及国家出台的激励政策，引导电动汽车用户在非用电高峰时段进行充电，从而实现错峰充电。该控制策略理论上可在短期内有效实现大量充电负荷的转移，从而降低对电网影响，是一种简单易行的调控措施，但缺少对电动汽车用户的应用分类，没有充分衡量电动汽车充电需求侧面对价格政策的敏感度，难免有机械性的缺陷，存在一定局限性。这种充电控制策略的研究应更多基于用户需求侧响应，充分考虑不同电动汽车用户对于充电时间的倾向性和时段电价的敏感度，并根据电动汽车充电负荷的渗透率以及充电在时间和空间分布的特性制定充电控制策略。

3.2 电动汽车智能充电控制策略

电动汽车智能充电控制策略是将电动汽车充电策略当作优化问题[8]，以需求侧充电成本最小、网内负荷曲线波动最小、电网峰值负荷最小或电网损耗最小等为控制目标进行优化分析，从而实现电网供需两侧的双赢。这种控制方法是在电动汽车经济性和便利性充电与电网经济可靠运行之间寻求平衡，因而在制定策略时需要兼顾具体电网运行特点以及电网覆盖区域电动汽车用户的行为特性，侧重考虑电动汽车的渗透率，使得充电控制策略具有更好的灵活性。

3.3 电动汽车充电与新能源接入相结合的充电控制策略

电动汽车的广泛应用是推广清洁能源、减少节能减排、维护友好环境的有效措施，风电、太阳能等可再生能源是实现能源战略转型、推动能源发展变革的根源支撑，电动汽车接入电网充电与新能源接入相结合的控制策略利用两者面临问题的互补性，能够有效解决两种清洁能源接网利用的困难，不失为一种双赢的控制策略，但是该控制策略的研究重点应该还是放在对大规模电动汽车有序充电需求侧响应控制和提高风电、太阳能等新能源发电预测监测准确性和即时性两个方面，从用电端和供电端分别做好量化控制，有了这个前提基础才能将两者有效结合。另外，可以结合电动汽车的V2G充放电模式，将接网充电的电动汽车看作主动分布式负荷，根据电网运行状态和新能源消纳需求适时充电或者向电网释放富余的电能，从而优化电网运行并提高新能源消纳能力。

4 结束语

面对能源危机和日益严重的环境污染，电动汽车大规模应用推广已经成为一种必然趋势。本文在介绍电动汽车充电负荷建模影响因素的基础上，分析了大规模电动汽车充电负荷接入电网造成的影响，并对近年来电动汽车充电控制策略的研究思路和重点进行了总结。电动汽车规模化充电控制的有效实施不仅能够限制大量新增充电负荷接网带来的不利影响，还能在保证电网安全稳定运行的同时兼顾用户侧的利益，甚至可以作为调度消纳新能源、维持系统平衡的辅助控制手段。今后需要在电动汽车充电控制相关领域进行更为深入的研究，不断推进电动汽车的应用普及。

[1] 李昊扬．基于需求侧响应的电动汽车有序充电研究[D]．天津：天津大学，2012．

[2] 胡泽春，宋永华，徐智威，等．电动汽车接入电网的影响与利用[J]．中国电机工程学报，2012，32(4)：1-10．

[3] 王 建．电动汽车充电对电网的影响及有序充电研究[D]．济南：山东大学，2013．

[4] 徐立中，杨光亚，许 昭.电动汽车充电负荷对丹麦配电系统的影响[J].电力系统自动化，2011，35(14)：18-23．

[5] 赵传立，刘 莉，孙 峰，等.电动汽车放电对配电网电能质量影响[J].东北电力技术，2016，37(9)：41-44．

[6] 郭 帅，李家珏，黄 旭，等.含电动汽车的电网负荷结构时序模型计算方法[J]．东北电力技术，2016，37(9)：1-5．

[7] 孙晓明．电动汽车充电电价时段划分方法及有序充电策略研究[D]．北京：北京交通大学，2014．

[8] 王 建，吴奎华，刘志珍，等．电动汽车充电对配电网负荷的影响及有序控制研究[J]．电力自动化设备，2013，37(8)：53-58．

Research on Influence Factors of Load Modeling and Charging Control Strategies of Electric Vehicles

ZHANG Xiaotian，SHANG Wenying，LI Hua，ZHU Heyan,WANG Youyin

(State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang，Liaoning 110015, China)

As a vigorously promoted means of using clean energy, electric vehicles can achieve energy conservation and emission reduction.It effectively alleviate the increasingly serious energy crisis and environmental pollution. The development and application of electric vehicles have become an inevitable trend, but the charging of large-scale electric vehicles will have a far-reaching impact on power system operation. The influence factors of electric vehicle charging load model are discussed in detail, and the effects of electric vehicle charging on power grid operation are analyzed from the aspects of transmission and distribution network. Additionally, the research ideas and priorities of charging control strategies of electric vehicles are summarized, which would provide an effective theoretical guidance for the control strategy research of electric vehicles.

electric vehicle (EV); charging load; influence factor; charging control strategies

U469.72；TM910.6

A

1004-7913(2017)05-0040-03

张晓天(1987)，男，硕士，工程师，主要从事电网规划、能源规划工作。

2017-03-01)