電動汽車對配電網負荷率影響的探討

摘 要：考慮到電動汽車充電行為的隨機性和不確定性，電動汽車的大規模接入會給電力系統的運行與控制帶來顯著的機遇和挑戰。本文利用可入網電動汽車的儲能功能和備用功能，從電網負荷率指標的角度，在我國電網負荷率趨勢分析的基礎上，采用定性與定量結合的方法研究電動汽車對配電網負荷率的影響。選擇電動汽車數量、充電時間兩個切入點，研究電動汽車使用與配電網負荷率的關系。研究表明，本文仿真模擬的結果對電動汽車的有序發展提供了重要的參考依據。

關鍵詞：負荷率電動汽車配電網負荷曲線

中圖分類號：TM714.3文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)05(a)-0042-02

為了節約能源、減少溫室氣體排放，世界汽車工業發展的重心正在發生轉移，發展具有環保、節能等特點的新能源汽車已成為業界共識。電動汽車便是技術最為成熟、普遍看好的發展方向之一[1，2]。國家層面，我國于2001年啟動了“863”計劃電動汽車重大專項，將純電動汽車、混合動力和燃料電池汽車3類作為整車的研發重點，建立了“三縱三橫”的開發布局。2009年2月，《汽車產業調整和振興規劃》出臺，提出到2011年，我國將形成50萬輛純電動、充電式混合動力和普通型混合動力等電動汽車產能。2010年6月1日起，上海、長春、深圳、杭州、合肥5個城市啟動私人購買新能源汽車補貼試點工作。按3000元/千瓦時給予補貼；純電動乘用車每輛最高補貼6萬元[3]。企業層面，國家電網公司于2010年開展了電動汽車充電設施建設第二批試點工程，在公司系統營業區的27個網省公司全面推進電動汽車充電設施建設，新建75個充電站和6209個交流充電樁，初步建成了電動汽車充電網絡；南方電網公司首批電動汽車充電站于2009年底在深圳龍崗區正式建成投入運營，其規模涵蓋了2個充電站、134個充電樁，充電容量總計達2480kV安[4-5]。

電動汽車的大規模商業化發展是建設堅強智能電網的重要內容之一，是落實我國科學發展觀，響應國家節能減排政策，提高電能占終端能源消費和使用比重的有效手段。然而，新技術的應用將給電網帶來機遇和挑戰。一方面，通過引導用戶在電網負荷高峰時利用電動汽車提供電能，在電網負荷低谷時段對電動汽車進行充電，可以減少電網負荷峰谷差，節約用戶電費支出，提高電網設備利用率和促進電網運行安全[6]。另一方面，大規模電動汽車的接入將影響電力系統的暫態穩定性、調峰能力和經濟調度政策，對電網的備用容量也帶來影響[7]。因此，如何推動電動汽車的發展同時又能滿足日益增長的電動汽車的用電需求；如何利用電動汽車作為移動式分布儲能單元來縮小日益增長的電力峰谷負荷差，以提高輸配電設備負荷利用率和減緩新發電廠建設等是當前研究的熱點問題。

在上述背景下，本文從電網負荷率的角度，分析電動汽車大規模發展對電網負荷曲線及效率的影響。以上海市電網為例，采用負荷曲線疊加的方法，仿真模擬電動汽車的規模化應用對電網負荷率的影響。選擇電動汽車數量、充電時間兩個切入點，研究電動汽車使用與電網負荷率的關系。研究表明，本文模擬仿真的結果對電動汽車的有序發展提供了重要的參考依據。

1我國電網負荷率

1.1 負荷率的定義

負荷率是一個總的概念，是指某統計期內的平均負荷與最大負荷之比的百分數。而具體的負荷率又分為日負荷率、年負荷率、年平均日負荷率等等。一般而言，電網負荷率是以自然天為周期統計的日負荷率，即

（1）

式中：為日負荷率；Pav為日平均有功負荷；Pmax為日最高有功負荷；為日功率曲線。

負荷率是一個小于1的數，是衡量在規定時間內負荷變動情況，以考核電氣設備利用或電力系統運行均衡程度的重要指標。負荷率高表明負荷曲線比較平緩，峰谷差較小，系統內需要的發電調峰容量小。從經濟運行角度考慮，負荷率愈接近100%，表明電力設備的利用率愈高，同時也更有利于降損和節能減排。影響電網負荷率大小的主要因素是電力負荷的結構（工業負荷、居民負荷、商業負荷、辦公負荷、農業負荷以及其他負荷等六大負荷）和天氣變化等用電狀況。提高負荷率的方法主要有削峰、填谷和移峰填谷，具體措施可以通過增加電網的調峰電源、儲能設施和分布式發電比例等。

1.2 我國電網負荷率趨勢

為保證電網安全穩定運行，合理利用能源，我國非常重視電網負荷率的提高。近年來，實施的電力需求側管理，減少了電能的不必要需求，優化了負荷特性，提高了需求的效率，并使得我國電網的負荷率有整體增長的趨勢。表1給出了我國各區域電網2010年11月最高負荷和月均負荷率，其中華東和西北地區負荷率最高均為88.72%。以華東電網為例，用電負荷率較高，與其區域內負荷特性、各發電能源結構和特性、電網中機組的性能不無關聯。根據華東電網數年電網運行記錄情況（2000~2009年）：冬季和夏季典型日日負荷率為79%至91%之間，季不均衡率為82.2%~90%。根據華東電網負荷特性的預測，2015年、2020年的年均日負荷率、季不均衡率、年日最低負荷率將會在現有的基礎上有所上升。研究表明，如果華東電網用電負荷率每上升1個百分點，就相當于增加了178萬千瓦的裝機容量，經濟效益和社會效益顯著。

2電動汽車對配電網負荷率的影響

2.1 電動汽車概述

(1)電動汽車的分類及特點。現階段主要有純電動汽車（Electric Vehicle，EV）、燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）、混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）以及外接充電式混合動力汽車（ Hybrid Electric Vehicle，PHEV）。當前我國發展的新能源汽車中電動汽車的發展最為成熟，基本完成了產業化的準備，初步形成了電動汽車完整地產業鏈。根據使用對象的不同，可以將電動汽車：1）集團用車——包括公交部門使用的各種公共交通客車、小巴等；環衛部門使用的街道清掃車、垃圾清運車、灑水車等；郵政部門使用的郵政配送車輛；電力供水等部門使用的電力工程車、工程搶修車等。特點：行駛特性有一定規律，有固定停車場所。2）社會車輛——包括公務車和出租車等。特點：隨機性較強，行使半徑大。3）私人乘用車——特點隨機性極大，行使里程短，停駛時間長。

(2)電動汽車充電模式分類。常規充電模式采用居民用電直接充電，充電電流相當低，約為15A，需要2～8小時。使用最多的電動汽車電池參數在310V/120Ah以上（續駛里程300km），普通家庭用電總功率約3kW，即使完全用于電動汽車充電，也需要12小時以上才能充滿。快速充電模式也可稱應急充電，是以較大的電流在短時間內對電動汽車進行充電，需要20分鐘～2小時。其提供短時間充電服務，一般充電電流大小為150~400A。這種充電模式適用情況如下：電動汽車續駛里程適中，即在車輛行駛的間隙進行快速補充電，以滿足運行需要；由于相應的大電流充電可能會對區域配電網產生有害的影響，因而快速充電模式只適用于專門的充電站。電池更換模式是指在電動汽車電池突然沒電時，可選擇附近的換電站或能源服務站把用完的電池卸下來，換上充滿電的電池。但是這種模式要求電池必須具有統一的標準，即車上電池只要是標準的，才可以更換，比較方便，不存在效率的問題。

2.2 電動汽車對負荷率影響總結

據資料表明，2015年我國電動汽車的預期產能目標為50萬至100萬輛。屆時我國將成為全球電動汽車和充電設施最大的市場之一。隨著電動汽車保有量的增加，大批量的電動汽車接入配電網充電將對電力系統正常運行產生一定的影響。

(1)充電時間選擇。在用電低谷對動力電池充電時，可以減少電網峰谷差，提高配電系統設備的實際利用率，拓寬終端電能消費市場。但是，在電動汽車大規模商業化應用之后，當電動汽車蓄電池在正常用電期或者用電高峰期充電時，額外的充電電流會加重供電系統的負擔。