智能配电网背景下的电动汽车有序充电策略研究

2020-09-11丁鹏云彭俊春王秋银黄孟阳

云南科技管理 2020年4期

刘俊，方豪，丁鹏云，李健，彭俊春，王秋银，黄孟阳

（1.云南省能源研究院有限公司，云南昆明 650599；2.云南省配售电有限公司，云南昆明 650228）

0 前言

随着新能源电动汽车的加速发展，新能源电动汽车充电负荷规模越来越大，将会对区域电力系统的运行与规划产生巨大的影响。这些影响主要包括：电力负荷发展加快，对供电系统负荷预测和现有电网规划提出新的要求，需要改进现有的供电系统负荷预测方法，并要求现有电网规划还必须满足新能源电动汽车大规模接入的要求；新能源电动汽车充电网络具有较大的偶然性和不可预测性，将加大电网控制的难度；影响传统配电网安全、可靠及经济供电；大量新能源电动汽车充电系统直接接入配电网，将影响配网供电设备的利用率、配网损耗、配网供电质量、配网静态安全以及暂动态稳定等［1］。

能源短缺和环境污染等问题日益受到各国重视，世界各国都在加大对清洁能源的大规模开发和传统能源的高效利用，在此背景下，智能电网技术（Smart Distribution Grid，简称SDG）应运而生。智能配电网作为智能电网的重要组成部分和关键环节，目前正在世界范围内快速发展和建设。

图1 智能配电网示意图

1 智能配电网背景下的电动汽车有序充电

1.1 智能配电网的基本概念

智能配电网（图1）系统是聚集通信技术、现代电子技术、计算机技术及网络技术，通过整合配电网中的所有数据信息，来实现配电网在正常运行和非正常运行状态下的监测、控制、保护、优化、自愈及智能化管理，促进分布式电源的大规模接入和消纳，支持配网与用户之间的互动，以便保证提供用户更加安全可靠、优质、经济、清洁的电能［2］。

1.2 智能配电网的特征

与传统配电网相比，SDG 的主要特性体现在：支持大量分布式电源的接入；支持与用户互动，创新用户服务的着眼点在配电网；具有更高的安全性，能够很好地抵御非自然损坏与自然灾害的破坏，避免出现大面积停电；具有更高的安全性、可靠度，供电可靠率达到99.99%，重点区域达99.9999%。尽可能地减少短时供电中断；支持 DER 的大量接入，解决新能源发电并网问题、支持分布式电源大量接入，允许的可再生能源发电、分布式电源渗透率大于50%；互动性较高。支持能量互动，用电信息互动。

1.3 智能配电网关键技术

智能配电网需要有电力系统和通信网络的物理支持，还需要集成多种高端计算分析软件［3］。智能配电网关键技术包括：配电自动化、配电网自愈、有源配电网、微电网、柔性交流配电（DFACTS）、高级量测体系（AMI）、用户互动技术。

1.4 智能配电网的典型模式

目前，智能配电网的典型模式有：泛能网、主动配电网等。

1）泛能网：在泛能理念的指导下，利用智能数字技术，将能源网络、物质网及互联网耦合形成的“能源互联网”。将风能、太阳能、电能等多种能源，根据客户需求进行合理匹配和调度。泛能网打破传统能源与可再生能源简单的并列模式，转变为相互支撑模式，形成高度有序的能源利用方案，实现能效利用的最大化。

2）主动配电网：传统配网模式下，用户负荷是刚性不可控的，电网只能被动的作出调整。主动配电网通过用户的需求侧响应及反馈，通过灵活的网络拓扑结构调控潮流，主动控制和充分利用用户侧的分布式能源及储能设备，实现大规模分布式能源的消纳，适应随机性和间歇性较强的用户负荷接入。主动配电网可以通过多种市场化激励机制实现电力系统安全、稳定、经济有效运行，提高能源利用效率。

2 智能配电网背景下的电动汽车有序充电策略

当今，电动汽车的充电策略主要是自由充电模式。大规模电动汽车接入配电网自由充电时，会产生电网高峰负荷增加、电压偏移及波动加大、供电效率及经济性下降、影响配网安全稳定等一系列问题。但是，电动汽车充电负荷具有可控、响应速度快和电能利用效率高等优点。因此，在智能配电网背景下，可以通过用户和电网之间有效互动，引导电动汽车有序充电，减弱其对配网的不利影响。

2.1 电动汽车的有序充电策略

当前，电动汽车主要有2 种典型的有序充电策略：电网智能控制模式和双向互动模式。

2.1.1 电网智能控制模式下有序充电

电网智能控制模式，也称V1G 模式，电网智能化程度一般。电动汽车与电网进行单向电能交换，即只在电网允许时间内进行充电，无法向电网反馈电能。该模式能够充分利用电动汽车充电负荷可控、响应速度快等特点，结合电网负荷特性合理安排充电时间，提高配网供电效率和供电经济性。该模式的充电设备仍然采用单向逆变技术，研究比较成熟，目前已进入示范运营阶段。

V1G 模式主要通过分时电价等激励措施来引导电动汽车进行有序充电。V1G 模式下电动汽车有序充电方案（图2）所示，图2 中智能用电预测及管理系统预测配网用电需求，实时通信网络为电网和用户提供互动平台，通过发布实时电价信息，引导电动汽车充电。

图2 V1G模式下电动汽车有序充电方案

2.1.2 双向互动模式下电动汽车有序充电

双向有序充放电模式，简称V2G 模式。即可把电网的交流电变成直流电实现充电，又能把电池里的直流电反向变成交流电对电网进行供电，实现削峰填谷。在该模式下，电动汽车成为一个分布式移动储能单元，可以避开用电高峰时段在用电低谷时段充电，减小电网峰谷差，大幅增加电网的调峰能力。V2G 功能的实现需要电网具有很高的智能化技术水平，同时还需要有先进的双向逆变充放电技术、精确的信息通信技术和电能双向计量技术等。目前，V2G 技术尚处于实验阶段，还未在进行商业化试运行。

V2G 模式下，电动汽车不但可以作为交通工具，还可以作为移动式的分布式储能单元。V2G 模式下电动汽车有序充电方案（图3），V2G 模式下电动汽车有序充电主要由电池能量管理系统（BMS）、智能充放电设备和电网调控中心共同引导和控制。

图3 V2G模式下电动汽车有序充电方案

2.2 电动汽车有序充电的意义

配电网与电动汽车之间的双向互动，能够改善电网负荷特性，参与电网频率调节，也可以作为应急电源使用，此外，还能促进新能源分布式发电的消纳。

2.2.1 改善电网负荷特性

在配电网中，负荷峰谷差会比较大。在电网负荷的高峰时段，需要有足够容量的电厂来调节负荷变化，在低谷时则会有很多闲置容量，造成一定程度的浪费。采用有序充电策略时，电动汽车在负荷低谷进行充电，从电网吸收电能；在负荷高峰时段向电网输送电能。缩小电网峰谷差，起到很好的移峰填谷的作用。减少电网负荷波动，提高电网设备利用率，延缓电网投资，提高电网供电的效率和供电的经济性。

2.2.2 参与电网频率调节

电网必须利用调整频率来满足负荷与系统功率之间的平衡。在电动汽车有序充电模式下，可在用电低谷时段进行充电，在用电高峰时段则可以进行放电，能够代替效率较低的电厂进行调频。当电动汽车大规模进入电网时，电动汽车利用有序充电策略进行充放电及调频，能够大幅度提高电网调频的高效性和经济性。

2.2.3 用作应急电源

在采用有序充电策略时，电动汽车被看作一种移动的分布式储能设备，可以作为应急电源使用，可以保证重要负荷的应急供电，节省对应急供电装置的投资。

2.2.4 促进新能源分布式发电的消纳

新能源（如风电或光热光伏）发电具有随机性强、波动性大的特点，会对电网的安全、稳定运行产生不利影响。可以利用电动汽车充电负荷可控的特点，将新能源分布式电站、电动汽车充电站和一些其他控制保护设备等组成微网后并网，减小新能源分布式发电出力随机性对大电网的影响。

2.3 应用案例分析

下文以某市和某区配电网为例，假设呈贡某区电动汽车充电负荷渗透率为20%，简单分析电动汽车自由充电策略、V1G 有序充电策略、V2G 有序充电策略的差别。

2.3.1 负荷特性

图4 不同充电策略下电动汽车日充电负荷特性曲线

图4 给出了自由充电、V1G 有序充电、V2G 有序充电三种充电策略下电动汽车的日充电负荷特性曲线。由图中曲线分析可知：相比自由充电，V1G和V2G 有序充电策略均减小了白天9:00-17:00 时段内的充电负荷，加大了在03:00-06:00 时段内的充电负荷。

图5 不同电动汽车充电策略下某市日综合负荷特性曲线

图5 给出了在不同电动汽车充电策略下某市日综合负荷特性曲线，表1 给出了不同电动汽车充电策略下某市综合负荷的日负荷率和日负荷率。由图中曲线分析可知：V1G 和V2G 有序充电策略下，时段9:00-18:00 和21:00-01:00 内的综合负荷有所降低，03:00-07:00 时段内的综合负荷有所增加。由表中数据分析可知：相比自由充电，V1G 和V2G 有序充电策略下日负荷率略有增加，日最小负荷率则大幅增加。综上分析可知：有序充电模式下，减小了电动汽车在负荷高峰用电时段内的充电负荷，加大了在负荷低谷用电时段内的充电负荷。因此，减小了配网供电的峰谷差。

表1 不同电动汽车充电策略下某市综合负荷的日负荷率和日最小负荷率

2.3.2 电压水平和配网损耗

图6 不同电动汽车充电策略下某区变110kV侧24h平均电压变化情况

图6 和7 分别给出了不同充电策略下某区变110kV 和10kV 侧的24h 平均电压变化情况。表2给出了不同充电策略下某区配电网网损变化情况。由图中曲线由和表中数据分析可知：相比自由充电，V1G 和V2G 有序充电策略下，某区变在24h 内的平均电压波动相对较小；某区配电网有功损耗均减小，而且V2G 有序充电策略下配网有功损耗减小更多。