大規模電動汽車應用對城市電網負荷特性影響研究

魏 琦

（國家電網公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730050）

面對能源、環境和氣候問題日益突出，大規模發展電動汽車已成為國內外的共識。我國政府高度重視電動汽車產業發展，不斷加大推廣力度，出臺一系列支持政策。國務院發布的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012－2020年）》提出，到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷量力爭達到50萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產銷量超過500萬輛。2013年，國家啟動了新一輪新能源汽車推廣應用，重點在京津冀、長三角、珠三角區域加大推廣應用力度。隨著電動汽車大規模應用，其對電網負荷平衡的影響逐漸成為當前研究熱點，國內外多所高校和相關科研單位對此開展了研究。本文按照當前用電水平，從國家試點城市中選取三個典型城市，對私人用電動乘用車充電負荷特性進行仿真計算，研究對城市電網負荷的影響，暫不考慮公交、環衛、出租等集團用戶的專用車輛。

一、電動汽車充換電負荷模型建立

（一）電能供給方式

當前，電動汽車電能供給方式主要有交流慢充、直流快充和電池更換等三種。

1.交流慢充

由交流充電樁提供交流電能，車載充電機完成交直流變換，充電功率一般不大于7千瓦。用戶需要在長時間停駛時進行電能補充，用戶通常會在一天行程結束后進行充電，如下班返回住所后，充電通常集中于傍晚和夜間時段。

2.直流快充

由非車載充電機完成交直流變換，為電動汽車提供直流電能，充電功率從幾十千瓦到百千瓦。用戶充電行為具有較強的隨機性。假設快速充電設施可以覆蓋用戶日常行駛范圍，用戶將更傾向于在行駛途中進行電能補給。

3.電池更換

由充滿電的電池組更換車輛上的電能消耗完的電池組，可在5－10分鐘完成。假設換電站規模及布局合理，用戶換電行為將與現有燃油車加油情況類似，根據實際需求在行駛途中進行電能補給。

（二）電動汽車充換電模型

1.模型建立條件

為了便于研究，不考慮三種電能供給方式的相互影響，獨立分析三種方式下，電動汽車充換電負荷特性，分別建立負荷模型。假設電動汽車配置20千瓦時動力電池、百公里電耗16千瓦時、年行駛20000公里；交流慢充按照0.3C充電倍率，直流快充分別取3C和5C兩種充電倍率，電動乘用車充電功率和充電時間如表1所示。按照電動乘用車充電前SOC服從均值為0.4，標準差為0.1的正態分布，車輛平均每1.4天進行一次充換電。

表1 電動乘用車各充電倍率的充電功率和充電時間

2.交流充電

假設用戶在一天行程結束后進行充電，假設開始充電時刻服從均值為17：30，標準差為3.4小時的正態分布，即：

當前電動汽車采用的動力電池類型多為鋰離子蓄電池，常規采用恒流－恒壓兩階段充電方法。經實際測量，典型的交流充電曲線如圖1所示。

可以看出，交流慢速充電過程中，充電的起始和下降階段較短，大部分電量在恒流階段完成，本文將交流充電過程近似為恒功率過程。

3.直流快充

由于用戶更傾向于行駛途中進行充電，具有較強的隨機性。泊松分布常用于描述一定時間內到達的用戶數量，其描述了“完全隨機”的用戶行為，即用戶到達的時間間隔與前一用戶的到達時刻無關。假定用戶充電的行為規律服從泊松分布，即在一定時間范圍t內，到達快速充電站的電動汽車數量s滿足：

其中，λ為電動汽車抵達充電設施的到達率，λt為充電車輛的期望值。參考加油站的統計數據，車輛達到數量分別在上午7：00－9：00，下午16：00－18：00形成高峰，某日各時段車輛到達數量占全天車輛數的比例如圖2所示［15］。

圖2 各時段的車輛達到數量比例

經實際測量，直流快速充電的典型充電曲線如圖3所示。對于直流快速充電，充電功率在快速上升至最大功率后，開始逐漸下降，大部分電量在功率下降階段完成。

圖3 典型直流快速充電曲線

本文假定充電功率上升至額定充電功率PN后以式3所示的指數函數逐漸降低。

4.電池更換

電池更換模式下，充電機通常采用較低的充電功率對電池組進行充電，本文將該模式下的充電過程也近似為恒功率過程。對于充換電站的整體負荷，考慮充換電站有充裕的電池和充電機［16］，可對充電負荷進行有效控制，城市整體充電負荷近似為24小時平均分布，充電負荷模型如式4：

（三）電動汽車充換電負荷計算

在若干輛電動汽車整體充電負荷的計算中，需要考慮電動汽車充電負荷的隨機性，難以得到整體充電負荷的解析表達式。本文通過蒙特卡羅仿真方法得到總充電負荷曲線的分布特性。在給定條件和隨機特性下，應用計算機產生若干個充電事件，對于一日中的某一時刻，該時刻的充電功率將作為一個樣本。蒙特卡羅仿真中樣本數量n和實驗次數N越大，仿真結果越加可靠。設U和s為各次實驗的均值和標準差，樣本均值U與期望值的誤差為：

其中s為N次重復實驗的標準差，α為誤差的置信水平。

由中心極限定理可知，大規模電動汽車在各時刻的疊加充電負荷服從正態分布，則k輛電動汽車各時刻的疊加充電負荷滿足，k輛電動汽車疊加充電負荷期望的置信區間為：

在制造業轉型升級的過程中，政府在產業規劃、政策引導、創造良好的經營與投資環境、提供信息與科技服務、制定法律法規維護市場秩序等方面發揮著重要作用。因此政府應增強其在經濟管理體制改革中推動和調整產業結構體系的能力，以科學發展觀為核心思想理念，遵從基本的科學規律，促使制造業經濟逐步向集約、增長模式轉變，制定出對于制造業發展核心環節有較強支持能力、有益于行業功能的調整和優化、兼顧傾斜投入的政策，構建適合本產業發展的政府協調以及管理機制體系。

若考慮6σ法則，可得到k輛電動汽車疊加充電負荷分布區間可估計為：

利用式（7），可以得到一定規模電動汽車整體充電負荷期望的一定置信區間，為了得到較保守的結果，本文采用置信區間的上限。

二、充換電負荷仿真計算

（一）典型城市選取

參照 GB/T 50293－1999《城市電力規劃規范》中的人均綜合用電量規劃水平，分別選取用電水平高、中、低三類典型城市進行計算，三座城市機動車保有量及用電水平如表2。

表2 典型城市用電水平及機動車保有量

對城市A電動汽車保有量分別達到20萬、50萬和100萬輛進行分析，約占其機動車總量的4%、10%和20%，同時按照相同的比例，對城市B、城市C進行分析。三座城市電動汽車保有量如表3，典型日負荷曲線如表4。

表3 典型城市電動汽車保有量情況 單位：萬輛

表4 典型城市典型日負荷特性

（二）計算結果

按照計算條件，通過蒙特卡羅仿真，分別得到交流慢充、直流快充、電池更換方式下，疊加電動汽車充電負荷后電網的日負荷曲線。

1.交流慢充

疊加電動汽車充電負荷后，對電網總負荷及電網峰谷差的影響如表5、表6所示。各占比下，各城市負荷曲線變化如圖4所示。

表5 電動汽車交流慢充引起電網最大負荷增長情況

表6 電動汽車交流慢充引起電網峰谷差變化情況

圖4 交流慢充方式下計及充電負荷的日負荷曲線

2.直流快充

疊加電動乘用車充電負荷后，對電網總負荷及電網峰谷差的影響如表7、表8所示。充電倍率為5C時，各城市負荷曲線的變化如圖5所示。

3.電池更換

疊加電動乘用車充電負荷后，對電網總負荷及電網峰谷差的影響如表9、表10所示。各城市負荷曲線的變化如圖6所示。

圖5 直流快充方式下計及充電負荷的日負荷曲線（3C充電倍率）

表7 電動汽車直流快充引起電網最大負荷增長情況

表8 電動汽車直流快充引起電網峰谷差變化情況

圖6 電池更換方式下計及充電負荷的日負荷曲線

表9 電池更換方式充電負荷引起電網最大負荷增長情況

表10 電池更換方式充電負荷引起電網峰谷差變化情況

三、結論

（一）電動汽車用戶的充電行為、電動汽車的行駛特性、充換電設施的分布和充電功率是影響電網負荷的主要因素，由于快充充電時間短，充電同時率降低，充電總負荷不會隨快充功率的增大而增大。

（二）電動汽車充電負荷引起電網總負荷增長較小。5C直流快充方式下最大，當電動汽車占比達到當前機動車保有量的4%、10%、20%時，引起電網最大負荷增長0.71%、1.77%、3.54%。

（三）電動汽車充電負荷引起電網峰谷差增大。5C直流快充方式下最大，當電動汽車占比達到當前機動車保有量的4%、10%、20%時，最大引起電網峰谷差增大0.40%、0.98%、1.94%。

電動汽車規模化應用后，3種電能供給方式相互獨立下，研究充電對電網負荷的影響需進一步研究用戶電動汽車使用特性以及考慮3種電能供給方式相互組合下，充電對電網負荷的影響，以及電動汽車規模化應用對局部區域配電網絡的負荷影響和電能質量影響。同時，電動汽車具有可控負荷和儲能單元的雙重屬性，是未來電網可以利用的重要資源。通過改變用戶充電行為可以減少電動汽車對電網的不利影響，保障電網運行的安全性和可靠性，同時還可提高電網運行的經濟性。通過需求側管理手段，對電動汽車用戶實施有效的激勵和引導，改變電動汽車用戶的充電行為，保障規模化電動汽車的順利接入，實現電動汽車儲能能力的利用，是未來電動汽車充電技術發展的方向。評估電動汽車對電網的影響，可為電動汽車基礎設施建設和相關智能電網技術的應用提供依據和指導，是實現電動汽車與電網整合的基礎。

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