分散式充电桩接入对低压配电网运行及规划影响分析

国网江苏电力有限公司南京供电分公司 袁 蓓 陆柳敏 徐正安

近年来，电动汽车在全球范围内得到了快速发展，销量逐年上升。据统计，仅南京市目前便有充电站点1746个，充电桩22898个。电动汽车的充电模式通常可分为快充和慢充两种模式，一般情况下，快充是在充电站进行，用于满足用户迅速补充电能，但充电功率较大对电动汽车的电池有一定损害。因此，一版电动私家车多以慢充的模式进行充电。而当电动汽车进行慢充时，通常是通过分散式充电桩直接接入低压配电网。

配电变压器是低压配电网中最重要的配电设备，随着电动汽车规模化接入配电网，充电负荷需求也会随之增大，将会对配电变压器的安全经济运行带来挑战。因此，当电动汽车规模发展到一定程度，有必要在规划配电变压器的新建和扩容改造时考虑充电负荷的需求及其负荷特性。因此，了解电动汽车充电负荷特性，可以发挥其在配电网系统中削峰填谷、消纳可再生能源等积极关键的作用；分析充电对配电网的影响，利于及时制定相关的策略或措施来应对，防患于未然，保证客户可靠用电。

1 充电负荷特性研究

充电负荷特性诸多影响因素有关，各因素直接具有随机性和关联性，在此按出行功能可分为私家车、公交车、出租车和公务车等类型。随着电动汽车正在快速发展，预计2030年的各类电动汽车数量是2020年的5-6倍，其中私家车数量最多，达到4744.41-5835.3万辆，这样大规模的接入电网充电，将会对配电网系统产生一定的冲击[1]，因此研究充电负荷特性对于未来的电力规划和建设具有重大意义，同时，也为入网充电制定相关的策略，实现供用电双方利益的最大化。

在影响电动汽车负荷特性因素中，可分为起始充电时间、充电功率以及日行驶里程等三个方面。针对起始充电时间，充电集中时间段由决定起始充电时间，借鉴某市对电动汽车进行了实地调研的过程中，绘制的当地充电时间分布，如图1所示[1]。从图中可以看出：充电负荷会因为始充电时间的不同集中在不同时间段；同一类型的电动汽车充电负荷因出行目的不同在工作日和节假日也存在着差异。

图1 各类电动汽车充电时间段分布图

针对不同出行需求，车主的充电时间长短不同，例如白天运营的公交车和出租车只允许短时间的停留，所以需要在短时间内将电池充满，而私家车一般夜间不会使用，有充足的时间进行小功率充电。国家标准中对交流和直流电压电流规定如下[2-3]。

交流充电接口的额定值为，额定电压250V，额定电流10/16/32A；额定电压440V，额定电流6/32/63A；额定电压750/1000V，额定电流80、125、200、250A。

针对日行驶里程，在每公里平均消耗电能一定的情况下，行程决定了用电量。目前，电动汽车日行程的统计数据尚不完善，电动汽车行驶规律与燃油车相似[4]，所以可以将燃油车日行驶里程数运用到电动汽车上。

2 充电负荷建模及无序充电对低压配电网影响

2.1 基于出行链的充电负荷建模及无序充电对配电网的影响

2.1.1 电动汽车充电负荷的时空分布模型

在分析充电负荷特性及研究充电负荷对配电网影响过程中，必须首先建立电动汽车充电负荷的时空分布模型。其中，电动汽车的充电需求与其出行规律紧密相关，需要准确描述电动汽车的日常出行特征。目前，研究电动汽车出行时空分布特性的方法主要有交通起止点、停车生成率法、出行链理论和分析法等。鉴于出行链的概念可以相对准确地描述汽车的日常出行规律，结合从NHTS2017[5]数据库中获取得到的汽车出行统计信息，因此本文将基于出行链的概念对电动汽车出行的时空分布特性进行统计分析。

在NHTS2017数据库中，电动汽车的出行目的分为回家、工作、购物/办事、社交/娱乐和其他等5类。电动汽车的出行习惯决定了其行驶1及停驻情况，进一步影响汽车耗电量、可能充电地点和允许充电时段。同时，电动汽车的充电行为习惯则直接决定了充电负荷需求的时空特性。在“一日一充”的模式下，电动汽车用户每天对电动汽车充电，且每次都将电池充满以保证第二天出行需求。而“一日多充”模式下，电动汽车用户一般在行程中在充电点暂时停留进行充电，一般是公共停车场或集中充电站。图2统计了电动汽车起始充电时的荷电状态，可以看出电动汽车用户对于“低SOC”的判断是相对保守的，并大致服从正态分布[6]。

图2 充电起始荷电状态统计

根据上文对于电动汽车充电行为的分析，文本主要考虑居民区为主的充电场景。在此情况下，充电频次为“一日一充”和“多日一充”，即车主每天在行程结束后，根据电动汽车荷电状态来判断是否需要对电动汽车充电。

2.2 电动汽车充电对低压台区的影响

需要指出的是，本文中所述低压配电网定义为380/220V 的低压台区，区域中主要以居民负荷为主。电动汽车充电对于低压台区的影响主要分为电压偏差、谐波电流损耗与网络损耗以及配电变压器容量规划等方面。

2.2.1 谐波危害

由于充电桩是一种非线性负荷，其接入会给电网带来严重谐波污染。主要表现在增加电气设备的额外损耗、供电设施线路的损坏率增加以及低压台区线损率升高等等。

2.2.2 电压偏差

由于现阶段大部分零散式充电桩属于居民申请安装在小区公共停车区域，使用电价为开通分时的为民居电价，因此，大量充电负荷将转移至用电低谷时段，与原本的基础用电曲线叠加下，会对原本配网产生一定的影响，造成电压偏差。

2.2.3 网络损耗

一般情况下，充电负荷的波动越大，网损率越高，即当一天的充电电量相同的情况下，充电的负荷波动越大，网络损耗越多。意味着在相同充电量的情况下，需要保持充电需求曲线的平稳，尽量避免充电负荷曲线出现大幅波动，以减小此类负荷带来的网络损耗[7]。

2.2.4 配电变压器容量规划

在考虑充电负荷对配电变压器负载率和负荷率的影响时，因为配电变压器是低压台区中最重要的配电设施之一，其负载率和负荷率直接影响配变运行的安全性和经济性。配变负载率可以衡量配电变压器剩余容量裕度状态，判断变压器是否过载。

配变负载率表达式如式（1）所示。

3 计及电动汽车的配电变压器容量规划方法

下面，假设以某市某个普通居民区作为低压台区的代表，研究电动汽车充电负荷对配变负载率和配变负荷率的影响。该低压台区由一台配电变压器供电，配变的容量为500kVA，功率因数为0.9。台区内共有150户居民用户，当电动汽车数量分别为50辆、100辆、150辆时，计算其对应的充电负荷并叠加到居民负荷上，最后得到的配变日负荷曲线如图3所示。

图3 不同电动汽车数量下的配变日负荷曲线

对不同电动汽车数量下的配变负载率和配变负荷率进行计算，结果如下。

不同电动汽车数量下的配变负载率和负荷率：电动汽车数量0辆，配变负载率80.0%，配变负荷率60.1%；电动汽车数量50辆，配变负载率89.2%，配变负荷率58.1%；电动汽车数量100辆，配变负载率98.4%，配变负荷率56.5%；电动汽车数量150辆，配变负载率107.6%，配变负荷率55.2%。

根据结果可知，随着低压台区内电动汽车数量增加，台区内配变负载率显著升高；同时，配变负荷率下降。当低压台区内的电动汽车的数量达到150辆时，配变负载率将从接入充电负荷前的80%上升到107.6%，出现过载[8]。因此，电动汽车无序充电会造成低压台区配变负载率升高及配变负荷率下降，从而造成配电变压器的安全性和经济性下降。

由于配电变压器所服务的低压台区主要由居民负荷组成，在预测负荷需求过程中，一般采用需要系数法进行计算。

使用需要系数法进行居民负荷预测的计算公式如式（2）所示。

式中，Ppre表示预测的台区最大负荷需求，Kx表示需要系数，Ptoc为台区内用电设备的总容量。确定配变参数时，包括选取配变容量和配变数目。在民用建筑中，配变容量大小可以用式（3）所示：

式中，ST为配电容量，β 为配变负载率，cosφ为补偿后的平均功率因数。

在常规的配电变压器容量规划方法的基础上，本文针对居民区为主的低压台区，提出了计及电动汽车的配电变压器容量规划方法。

首先估计低压台区内的电动汽车数量。由百户汽车保有量和电动汽车渗透率，计算出低压台区内的电动汽车保有量水平。再由电动汽车渗透率，计算得到电动私家车保有量。

低压台区的电动汽车保有量可以由式（4）得到：

接下来，对低压台区内电动汽车的充电负荷特性进行描述。同时，根据低压台区内居民用户的组成情况，用需要系数法对台区内的居民负荷进行估算。

4 计算验证

低压台区以居民负荷为主，因此本文以居民区为研究对象，对本文所提出的计及电动汽车的配电变压器容量规划方法进行计算分析。

在算例中，参考文献[9]对各类居民区的配变负载率进行选取，得到了不同档次居民区在不同的电动汽车发展情况下，配电变压器的容量规划结果，具体如表1所示。

表1 各类居民区配变容量规划结果[7]

5 结语

本文针对分散式充电桩大规模接入对低压配电网造成的影响进行了分析，提出了一种考虑分散式充电桩接入的配电变压器容量规划方法。在研究充电负荷特性的基础上，对充电负荷进行了建模。同时，分析了无序充电情况下充电负荷对低压配电网的影响。以居民区为研究对象，对本文所提出的计及电动汽车的配电变压器容量规划方法进行计算分析。结果表明，电动汽车的发展规模和充电行为将会对配电变压器的规划结果产生明显的影响。随着电动汽车渗透率的扩大，配变容量需求也随之增大；接入对不同档次居民区的配变容量规划结果影响也有区别，对高档居民区的影响相对而言更大；电动汽车的有序充电有利于减小配变容量需求。