电动汽车无序充电对电网的影响研究

康思佳

（长沙理工大学，湖南长沙 410114）

0 引言

电动车无序充电是指充电时间由电动车使用者按个人习惯决定，用户可根据需要随时终止充电，给车充电无需过多考虑电价等因素。给电动汽车充电，可能会导致输电线路堵塞、输送功率低等问题。不过如今电动汽车未得到大规模普及，可认为给电动车充电不会产生较大影响。但因配电网的电压级别较低，电动车的无序充电将给配电网产生一定的影响。图1 为ⅠEEE 33 节点的辐射状配网相应的拓扑结构及区域，其中节点1 连接电压标值为1.05 pu，是一种单电源供电方式，剩下的节点相应的电压标值为1.0 pu。在配电网拓扑结构图中，正方形、圆形、三角形分别代表工作区、居民区、商业区。电动车渗透率指充电负荷与系统负荷上限值之比[1,2]。

图1 ⅠEEE 33节点的配电网系统拓扑图

在用电水平方面，受到季节因素影响，不同用户的耗电量存在差异，相应的系统基础负荷曲线也不同。本研究以夏冬季节的配电网负荷状况作为对象。为有效体现出电动车充电给配电网带来的影响，对于选取的夏冬两季，考虑12种仿真情形，并分别将渗透率设置为0、20%、40%、60%、80%和100%。算出每种渗透率条件下电动车的充电功率，计算系统负荷与潮流，全面分析电动车充电对配电网的影响。假定基础负荷曲线和文献[3]相同，图2为ⅠEEE 33 节点的配电网在夏冬两季相应的基础日负荷曲线。在日负荷水平方面，冬季整体大于夏季，两者的负荷曲线特性存在显著差别。冬季晚上18:00 和19:00 为负荷峰值时段，夏季白天的12:00、14:00 以及15:00 为负荷峰值时段，夏季负荷峰值时间早于冬季，由此表明季节性负荷的差异性较显著。

图2 夏冬两季的日基础负荷变化曲线

2 电动车无序充电对电网的影响分析

电动车采用无序充电的方式，可能显著影响电网运行，包括给电网负荷带来冲击，造成电网出现网损和电压损耗，电动车数量增加，对电网的影响程度随之升高[4-5]。因此，研究电动车充电对电网的影响具有较大的研究意义。

2.1 对电网负荷的影响

电动汽车利用配电网充电时，直观体现为系统负荷水平的变化，图3 为夏冬季节在多种电动汽车渗透率条件下的电网负荷变化曲线。根据曲线可知，尽管夏季电动车充电负荷与基础负荷在峰荷上未出现重叠，但在晚上21:00 出现负荷高峰。除此之外，从图中还能看出，负荷峰值出现的时间相比电动车没有接入电网充电时明显往后推迟，原因在于夜间时段电动车充电达到高峰，在综合条件影响下，电网出现峰值的时间发生变化。冬季的系统负荷曲线与夏季对比有所差异，电动车导致的峰荷重叠出现在20:00。进一步发现，负荷在高峰时段的变化幅度显著大于其他时段的变化幅度，因此在高峰时段，电动车充电对系统的影响也更大，应该重点关注高峰时段的情况，以保证电网运行。

图3 电网负荷变化曲线

在不通过电动汽车渗透率条件下，夏冬两个季节的电网负荷参数存在显著差异。研究发现，电动汽车渗透率越大，不同负荷指标都表现出上升趋势。针对峰值负荷而言，冬季的负荷峰值超过了夏季的负荷峰值，因充电负荷在冬季时，充电负荷和负荷高峰期两者重叠，进一步推高冬季负荷的峰值，夏季时此种现象不明显。由此说明，当渗透率相同时，冬季负荷峰值高于夏季峰值。针对峰谷差而言，渗透率越大，峰谷差随之增大。研究发现，当渗透率相同时，冬季峰谷差还是一样高于夏季峰谷差值。然而峰谷差加大将导致备用容量需求提升，使电网运行的经济性变差。对于峰谷差率而言，当渗透率一样时，夏季高于冬季。当渗透率达到100%，夏冬季节相应的峰谷差率达到71.79%和68.21%。

2.2 对电网损耗的影响

受到电动汽车充电负荷的影响，电网用电负荷整体向上增长，电网的损耗将相应加大。以网损率衡量电网运行的经济性，即单日内配电网全部线路有功功率总消耗量与系统输出总功率的比值，具体计算如式（1）所示。

式中，r为网损率，ΔP为配电网全部线路单日总网络损耗，P为配电网单日内的系统负荷与网损总量，即系统输出总功率。

图4为电动汽车在夏冬两季基于不同渗透率条件下相应的日网络损耗情况。从曲线变化可知，电动汽车未充电时，配电网损耗曲线与日负荷曲线的变化趋势相似，表明配电网损耗程度与系统负荷值存在关联性，负荷越大的时段，损耗相应也越大。此外，还能发现夏季在21:00 时网络损耗出现最大值，而冬季在20:00 时出现最大值，分别对应于夏冬季节的负荷峰值时刻。进一步研究发现，当渗透率加大时，会导致网损与网损率同时提高。渗透率从0%增长到100%时，夏季网损相应提高2.456 8 MW，网损率提高1.667 0%；而冬季的网损和网损率将分别提高2.394 1 MW 和1.517 9%。因此，比较夏冬两季的网损和网损率可知，冬季的网损值高于夏季网损值，而冬季网损率涨幅却低于夏季。究其原因，冬季的总输入功率增加量超过夏季。

图4 不同渗透率下的夏冬两季日网络损耗变化曲线

2.3 对电压偏移的影响

夏冬季节的负荷峰值分别出现在21:00 和20:00，当负荷峰值出现时，电网的电压降落最显著。图5 为处于不同渗透率条件下的夏季21:00 和冬季20:00 的系统电压变化曲线。从图5 可知，夏季的系统电压高于冬季，原因在于冬季的系统负荷高于夏季的负荷值。对夏季而言，当电动汽车渗透率为80%时，电压最小值为0.898 7 pu；而冬季的系统电压最小值出现在渗透率为60%的情况，相应数值为0.934 9 pu。当配电网处于安全运行时，电压偏移允许范围为±7%，如果电压变化幅值大于1.07 pu 或小于0.93 pu，可认为电压越限。因此，当夏季和冬季出现电压越限时，将对电网的安全运行产生威胁。

图5 渗透率不同时各节点电压的变化曲线

为研究夏冬季节出现电压越限时，电网的整体电压变化趋势，选取夏季期间电动汽车渗透率为80%和冬季期间电动汽车渗透率为60%，分别研究两种情况下的电压变化如图6所示。

图6 夏季和冬季处于不同渗透率下的电压分布

从图6 可知，夏季出现8 个电压越限节点，时间处于20:00至22:00范围。冬季出现3个电压越限节点，时间处于20:00 至21:00 范围。由此可知，夏冬季节电压越限都出现在高负荷的时间段。

进一步分析得知，夏冬季节的电网节点电压最小值都位于节点18。主要原因在于该配电网属于辐射型电网，网络中存在电压损耗，导致节点电压减小。在功率流动方向上，电压不断减小。节点位置和电源点的距离越短，对应的电压降落越小，节点位置和电源点的距离越远，对应的电压降落越大。节点18处于电网最末端位置，与电源点之间的距离最远，因此电压损耗最大，相应的电压最低。节点2 和19 和电源点的距离较近，电压损耗较小，电压降幅较小，即使电动汽车以100%渗透率接入配电网，这两个节点仍然能够安全运行。电动车接入电网的节点位置与电源之间的距离越远，且充电的电动汽车量越多，电网运行电压越易受到影响。

3 总结

大量电动汽车采用无序充电时，将对电网的安全运行产生不利影响，给电网负荷带来冲击，导致电网出现网损和电压损耗。电动汽车的增加量越多，对电网的影响程度相应更大。