电动汽车对电网的影响及有序充电研究

黄舒宁

摘   要：文章首先介绍了电动汽车规模化充电对电网的影响，进而提出了电动汽车有序充电的控制策略，希望能对相关研究者提供有益借鉴。

关键词：电动汽车;有序充电;电网

1    电动汽车充电负荷影响因素

为了研究电动汽车充电对电网的影响，需要了解负荷特性。影响电动汽车电力需求的因素主要包括：电池特性、充电模式、用户行为习惯等，且这些充电负荷的时空具有不確定性[1]。

1.1  电池特性

电池是消费者重点关注的一个方面，如果本就无法预估的续航里程，再面临车辆续航里程衰减，这样电动汽车不仅不能满足人们日常需求，反而会成为拖累。虽然厂家对电池给予了较长时间的质量保证，甚至部分企业推出了电池以旧换新的前瞻式服务，但是消费者对电池衰减程度的判断和质量判断都缺乏公开、透明的支持，消费者仍对电池质量安全不放心，从而影响电动汽车的销量。因此，有必要对电池进行简单的了解。

燃料电池电动车价格昂贵、氢气难以储运、维护系统复杂、寿命不长，并且铂的资源不够利用。

太阳能电池电动车价格相对昂贵，受天气、昼夜等光照条件影响较大，仍然需要储能装置，但是在能量转化率上，国内的一般在14%，日本的光伏材料最高可以达到22%，差距明显。

纯电动车最节省油、制造简单、车身便宜，有资源优势和技术基础，是未来发展的方向和主力。

铅酸蓄电池最常用，且价格最低，中国也是铅酸蓄电池最大生产国，其含污染成分少、易回收，缺点是比容小。镍氢电池比容、寿命、充放电特性较铅酸蓄电池好，但过充电后易形成单体电池隔板熔化问题。镍镉电池的大电流特性和抗过充电性较镍氢电池好，生产量、可靠性较高，但存在镉污染。锂离子电池的比容和寿命比镍氢电池好，电阻大，过充电和过放电状态后会发生爆炸。

1.2  充电模式

电动汽车充电方式一般为快速充电方式、慢速充电方式。快速充电可以在短时间内将电池组进行快速补电，慢速充电的电流比较小，充电时间较长，是最常规的充电方式。

快充和慢充是相对概念，一般快充为大功率直流充电，半小时可以充满电池80%的容量，慢充指交流充电，充电过程需6～8 h。电动汽车充电快慢与充电机功率、电池充电特性和温度等紧密相关。

短时快充适合应急情况，充电电流大，一般为150～400 A，将对相关电力设备提出更高的要求，所以，最初的建设和运行投入成本都更高。慢充是一种实用、安全的充电方式，充电电流为10～15 A，电池充满需要的时间约为6个多小时，初装费用和运行维护费用较其他类低，可以有效延长电池的寿命。

1.3  用户行为

用户行为多样性，是影响电动汽车功率需求的关键因素，所以在电动汽车充电负荷表现上就具有随机性。由于不同用户对电动汽车的行为习惯和行驶特性不同，更凸显行为的不确定性。用户行为主要包括开始充电时刻和日行驶里程，充电时间越集中，此时接入电网的负荷功率越大，电网需提供大充电功率，如果是在用电高峰时期就难以保证。日行驶里程反映了当天耗电量，行驶里程越长，电量越低，需要充电的时间就越长。充电功率、充电开始时间和日行驶里程决定了用户对充电功率的需求。电动汽车用EV表示，随机抽取n辆电动汽车。

1.4  市场

目前，国家电网已建成“六纵六横两环”高速公路快充网络，覆盖1.4万公里，13个省，95个城市。高速公路快充站平均间距不超过50 km，每站配备4台直流充电桩，单台最大功率为120 kW。为深化“互联网+”充换电服务应用，采用包括大数据、云计算、物联网、移动互联网等一系列新技术，建成电动汽车车联网平台，为电动汽车客户的充电运营商提供信息服务。这些基础设施建设及国家政策势必会对市场起导向作用，随着智能电网建设，电力市场在引导电动汽车的有序应用和调控充电管理方面发挥重要作用。

2    电动汽车充电对配电网的影响

电动汽车充电对电网的影响集中表现在配电网方面，包括对配电网电能质量、可靠性和经济运行等方面的影响。其中，对电能质量的影响主要包括电压偏移、谐波含量、三相不平衡等，对电网经济运行的影响主要是系统网络损耗。

2.1  对负荷的影响

当电动汽车发展初级阶段时，数量很少，对电网影响并不大。但当电动汽车迅速发展、数量成几何增长时，势必会造成电力系统负荷增加，倘若在用电高峰期接入大量电动汽车，带来的结果就是电网负荷曲线峰谷差距明显，严重时导致配电网过载、电压偏低、配网损耗增加等问题，甚至超出配电网的可承受能力，影响配电网安全稳定运行。这时需要对配电网进行扩容，增加了配电网建设成本，所以应合理规划电网布局、适当合理接入，避免由于扩容后资源没有得到充分利用，多余的供电容量长期处于闲置状态，这样供电设施的利用率就大大降低了。

2.2  对电压的影响

对于专用设施的用电行为来说，其峰谷差别是较为明显的。尤其对于电动汽车充电行为，傍晚的充电峰值负荷将大大增加。当配电网接入电动汽车后，流动负荷发生变化，电压分布也发生了变化。一般而言，电动汽车的接入会使电网负荷增加，线路节点电压下降，尤其末端电压严重下降，此时对应的电压分布也随之发生偏移，影响用户正常用电需求。当负荷很少时，电压波动较小，但负荷较大时，就会引起配电网电压偏移。由于电网电压主要是由无功影响的，所以当负荷持续增加时，可以考虑新增发电系统，抵消掉部分负荷。依据我国电网规定，系统处于正常运行状态时，10 kV电压等级允许的电压偏移范围为7%，超出允许范围后，则要进行无功补偿措施调整。

2.3  对网损的影响

因为配网的量大且复杂，可靠性和居民生活息息相关，所以配网的接线方式显得尤为重要，配电网建设的网架和如何组织、提高可靠性和经济性，是必须考虑的。电动汽车充电负荷是非线性负荷，接入配网会产生谐波，造成线路或者变压器发热，损耗增加，影响设备使用寿命，危害电网安全运行。假设PTloss为T时刻线路功率损耗，PT为T时刻系统输送的功率值，配电网的网损率Rpl为一天的损耗值，通过统计计算，可得到配电网的网损率，计算公式如下：