衔接配电网标准的充换电设施规划扩展研究

张云飞 徐 成 徐艺鸣 宗祥华

（1.国网睢宁县供电公司，江苏徐州 221200；2.上海博英信息科技有限公司，上海 200240）

0 引言

对电动汽车行业来讲，充换电设施的建设发展相对落后，导致电动汽车用户经常遇到无处充电的窘境，需要进行大规模充换电设施建设，按需求进行规划，因此有必要对充换电设施进行科学合理的规划研究[1]。充换电设施合理规划关系到电网的稳定性。用户的充换电行为可能会引起电量的增长、电网峰值负荷的增加等，电量的增长决定了电动汽车用户的行为特性与能效参数，电网的峰值负荷与充换电设施的分布、用户的充电行为等相关。合理选址规划，有利于保障电网的稳定运行[2]。本文基于上述研究基础，将符合配电网标准的充换电设施优化与建设规划问题相结合，合理规划布局充换电设施，降低对配电网的影响，提升电动汽车用户的使用体验，推动电动汽车的产业发展。

1 充换电设施对配电网规划影响

随着电动汽车的普及和能源结构的转型，电力负荷的分布和需求发生变化，需要重新划分供电分区来更好地满足电力需求。电动汽车的充电行为具有随机性与不确定性，造成充换电设施并网后负荷预测更加复杂，增加了供电区域精细化划分的难度。

1.1 负荷预测影响

电动汽车保有量、充换电设施与用户出行行为等方面会对负荷预测产生影响。电动汽车规模反映出市场保有量，保有量的数值直接决定当地电网负荷增量的多少，因此保有量变化对负荷预测有直接影响[3]。同时，与之匹配的充换电设施空间布局对用户的充电时间与地点有很大的影响，影响充电负荷的时空分布。再则，用户出行随机性很大，出行行为是电动汽车负荷具有时空分布特性的原因。电动汽车的日行驶里程反映用户一天的出行，随机性更大，里程的长短决定电动汽车的耗电量，影响电动汽车的充电需求；用户的充电习惯也会影响汽车负荷接入电网的时间与地点[4]。

1.2 供电区域划分影响

电动汽车与充换电设施处于快速增长阶段，电力负荷随之相应增加，对现有的供电分区产生影响。充换电设施的接入使得电力负荷出现新的特征。由于电力负荷的分布和需求发生变化，现有的供电分区需要重新精细化划分，满足电力需求[5]。供电区域的划分也直接影响到电力系统的运行效率和供电质量。若供电区域的划分不合理，会导致电力供应不均匀，导致某些区域的电力供应不足，其他区域的电力供应过剩，不仅会影响到电力系统的运行效率，还会影响用户的用电体验。

1.3 变电站规划技术原则影响

充换电设施的接入需使用不同的电力设备与线路，会改变变电站的设备选型和配置，电动汽车的充电和换电需求通常比较集中，要求变电站不仅高峰期能够提供稳定的电力输出，还需要满足更高的供电质量，以避免对电网造成过大的压力[6-7]。

由于供电区域划分的影响，规划中变电站的配置和布局可能会发生相应的改变。需要对现有的变电站进行扩建或新建，更好地满足充换电设施的接入需求。变电站的选址也需要考虑充电设施和电动汽车用户的分布情况。

2 计及充换电设施的配电网规划扩展分析

在电动汽车充电时，会出现较大的谐波电流与冲击电压，影响配电网的稳定性，需要统筹考虑充换电设施的区域配电网规划，确保充换电设施能提供稳定充足的电能，并满足其他用户的用电需求。为确保电动汽车在充电过程中不出现意外，进行配电网规划时要与城市发展建设的整体规划相统一。

2.1 供电区域划分方法

针对大规模电动汽车充换电设施的接入，除考虑土地利用特征和发展规律外，还应充分考虑电动汽车保有量的现有特征和增长规律以及电动汽车充换电设施的接入功率等因素进行负荷预测。应在电动汽车保有量的基础上对负荷进行预测，进而对配电网供电区域划分进行优化研究[8]。

2.1.1 计及电动汽车保有量的负荷预测

调研相应区域的汽车保有量，计算不同类型电动汽车渗透率，计算公式为：

式中：P为相应类型电动汽车渗透率；N为该区域所有汽车总数量；Ne为该区域相应类型电动汽车总数量。

电池有效容量计算公式：

式中：Ca（id）为电池有效容量；id为充电电流；Cp为电池的普克特容量；k为普克特系数，取值范围一般为1.1～1.3。

对于一个固定类型的电池，Cp和k都是定值。Cp的计算公式：

式中：CN为电池的标称容量；T为电池额定放电时间；CN/T为电池额定放电电流。

根据不同类型电动汽车的行车规律，得到不同类型电动汽车的出发时刻、行车速度，计算出不同类型电动汽车的开始充电时刻和相应时刻的SOC电池余量。

式中：S（t1）和S（t2）分别表示t1和t2时刻电池的荷电状态，以百分比形式表示。

随着电池容量的变化，充电电压也会发生改变，由电动汽车产生的充电功率也是变化的。为预测电动汽车充电产生的功率，将充电时间分成若干时间段。在每一时间间隔开始时，其电池容量为：

式中：tk-、tk+分别表示第k时间段的开始和结束；S（tk-）和S（tk+）分别表示tk-和tk+时刻电池的荷电状态；SOCi表示电池充电的起始SOC；j表示j辆电动汽车。

对应于S（tk-）和S（tk+）的充电电压分别为V（tk-）和V（tk+），第k时段充电电压可表示为：

则第k时段电动汽车充电功率表示为：

式中：Pk为第k时段电动汽车充电功率；n表示第k时段内同时充电的电动汽车数量；Vj（tk）和idj分别表示第k时段和第j辆电动汽车的充电电压和充电电流；η为电动汽车充电的传输效率，设置为80%。

根据电动汽车开始充电时刻及选择的相应充电模式计算出充电时长，若充电时长即停车时长，得规模化电动汽车停车时长分布，利用单个电动汽车充电功率模型，通过蒙特卡洛仿真，得不同区域规模化电动汽车充电需求，进行电动汽车多空间负荷预测。

利用渗透率-负荷配电网模型，得到不同渗透率的电动汽车负荷需求。不同渗透率下配电网日平均负荷如表1所示。

表1 不同渗透率下配电网日平均负荷

日平均负荷计算公式为：

式中：Pavg为配电网日平均负荷；Pi为第i个小时配电网负荷。

2.1.2 配电网供电区域划分优化分析

根据分析，在电动汽车渗透率达到50%时，配电网平均负荷可达原来的140.69%。渗透率逐渐增大，日平均负荷呈增长趋势。当日平均负荷呈非线性增长趋势时，会给配电网容量带来极大的负担。故计及电动汽车充换电设施接入的区域负荷密度划分边界可设置为原来标准的2倍，以满足电动汽车新增负荷需求，如表2所示。

表2 供电区域建议划分标准 单位：MW/km2

2.2 变电站规划技术原则修正分析

2.2.1 规划指标计算方法

1）负载率。建议线路最高负载率改为按照下式计算确定：

式中：T为线路负载率；P为对应线路安全电流限值的线路容量；M为线路的预留备用容量；C为线路的预留电动汽车充电备用容量[9]。

2）容载比。根据DL/T 5729—2016《配电网规划设计技术导则》，容载比（MVA/MW）可按下式计算：

式中：Rs为容载比；Pmax为该电压等级全网或供电区的年最大负荷；∑Sei为该电压等级全网或供电区内公用变电站主变压器容量之和。

未来电动汽车将大量接入，电动汽车充电负荷将大规模增加，应适当提高容载比范围，使其满足未来电动汽车大规模增长的需求。

3）无功补偿和电压调整。在原有规定的基础上，针对电动汽车接入增加规定：电动汽车充换电站应按照电力系统有关电力用户功率因数的要求配置无功补偿装置，并不得向系统倒送无功。

2.2.2 电网结构

随着新能源汽车的渗透率不断提高，电动汽车的补电需求日益增加。早期电网规划未考虑新能源汽车的用电需求，电网容量通常较小。电动汽车用户的充电行为随机性大，若用户选择在用电高峰期进行充电，会增加电网负担。与充电设施相比较，换电设施的电池充电时间可以控制，可以选择在用电负荷较小时进行充电，在用电高峰期提供充满电的电池，实现错峰用电，分担电网压力，减少大功率随机波动对电网的伤害。根据上述分析，建议在规划配电网结构时，规定将电动汽车接入点设置在线路首端。

2.2.3 变电站配置

1）变电站选址。根据电动汽车充电设施的服务能力和设施利用率等因素可确定电动汽车充电设施的建设规模、数量，得到充电设施分期规划。电网层面与电动汽车充电设施进行协调配合，新增电网容量根据充电设施的新增计划数量和类型确定，若新增电网容量超过配电网的容量范围，需要考虑新建变电站/线路或变电站扩容等问题。

2）变电站容量配置。综合考虑A、B、C、D和E类充电桩布局区域的负荷大小、空间资源条件以及上下级电网的协调和整体经济性等因素，确定变电站的供电能力。按照Q/GDW 1738—2012《配电网规划设计技术导则》，同一规划区域中，相同电压等级的主变压器单台容量规格不宜超过3种，同一变电站的主变压器宜同一规格。

基于提出的A、B、C、D和E类充电桩布局区域，结合车桩配建比、同时率等参数（表3、表4），参考配电网变电站建设标准，给出各类充电桩布局区域变电站容量配置参考下的电动汽车数量参考范围，如表5所示。

表3 各类充电桩布局区域的车桩配建比参考标准

表4 各类充电桩布局区域的同时率选取参考标准

表5 各类充电桩布局区域变电站容量配置参考下的电动汽车数量参考范围

充电桩系统同时率：充电桩系统负荷峰值与各充电桩用户负荷峰值之和的比值。

式中：η为充电桩系统同时率；S为充电桩系统负荷峰值；Si为第i个充电桩用户负荷峰值；N为充电桩总数。

同时率是在对充电设施建设进行规划时的一个重要指标。不同布局区域规划目标不同，相应各个布局区域的同时率选取值也不同。同时率取值与各类充电桩布局区域的同时率选取参考标准如表4所示。

由表5可以看出，随着充电桩布局区域对车桩配建比要求越来越高以及电动汽车充电同时率的提升，变电站能满足的电动汽车数量的上限越来越低。

3 结束语

根据上述研究分析，电动汽车的保有量、充换电设施与用户出行的不确定性等会对负荷预测产生影响，由此本文计算了不同渗透率下配电网平均负荷及线性关系，以及负载率发生改变对变电站规划技术的配置要求。通过开展衔接配电网标准的充换电设施优化规划研究，可以使供电区域划分和变电站配置规划技术更加合理，从而提高充换电设施接入后电网的稳定性。