電動汽車充電對電網電能質量影響研究

趙志剛

摘要：目前能源和環境是制約經濟社會發展的重要因素，也是當今全球范圍內關注的熱點問題，汽車產業作為現代社會化大工業的產物得到迅速發展，新增汽車的數量逐年加大，特別是私家車增速顯著。汽車給人們的日常交通出行帶來舒適和便捷的同時，也使能源和環境面臨危機。隨著未來電動汽車的普及，電動汽車大規模接入電網充電，將對電力系統的運行與規劃產生不可忽視的影響。文本在綜合考慮現電網結構及電動汽車滲透率情況下，針對規?；妱悠嚦潆娕c電網的影響進行研究，對于緩解未來規?；妱悠嚦潆娊o電網帶來的影響具有重要的理論和實際意義。

關鍵字：智能變電站;監控體系;智能評估;一體化調度

0引言

我國對電動汽車領域的探索起步較晚。然而，在最近十年里，通過國家項目持續、大力的研發支持，我國的電動汽車產業已取得了突破性的進展。2013年9月17日，科技部、工信部等四部委聯合發布《關于繼續開展新能源推廣應用工作的通知》，通知中提出：2013至2015年，特大型城市或重點區域新能源汽車累計推廣量不低于1萬輛，其他城市或區域累計推廣量不低于5000輛，政府機關、公共機構等領域車輛采購要向新能源汽車傾斜，新增或更新的公交、公務、物流、環衛車輛中新能源汽車比例不低于30%。到2019年電動汽車配套能力明顯增強，充電設施建設與新能源汽車產銷規模相適應，滿足重點區域內或城際間新能源汽車的運行需要。

1研究必要性

隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國政府及汽車企業普遍認識到節能和減排是未來汽車技術發展的主攻方向。電動汽車作為新一代的交通工具，在節能減排、減少人類對傳統化石能源的依賴方面具備傳統汽車不可比擬的優勢，但是隨著未來電動汽車的普及，電動汽車大規模接入電網充電，將對電力系統的運行與規劃產生不可忽視的影響。

2電動汽車充電負荷建模

為了對電動汽車接入電網影響進行定量分析，或進行配電網規劃、定容選址、控制策略研究，首先需要有適當的模型來表征充電負荷的特性。影響負荷建模的主要因素有：

1）充電方式

電動汽車充電負荷特性與其充電模式密切相關。不同的充電方式對電動汽車負荷模型會有不同的影響。按照電動汽車與電網的互動程度，其充電模式可分為：

集中式充電：集中式充電主要是指某個特定時段進行集中充電，主要包括電池交換站和快速充電站。

智能充電：根據是否向電網返送電力分為智能單向有序充電和智能雙向有序充放電模式。

2）電池特性

電池的電路模型是研究充電特性的基礎，動力電池組充電模式一般采用“恒流-恒壓”兩階段充電模式。綜合考慮電動汽車制造工藝，未來廣泛使用的電池是鋰電池。鋰電池的充電特性主要受充電電流、SOC、健康狀態（state of health， SOH）、循環充放電次數的影響。除此之外，環境溫度對鋰電池的容量也有很大的影響。在分析充電負荷對電力系統影響時，大多數的研究假設各用戶釆用相同規格型號的充電電池以簡化研究。

3）用戶行為習慣

用戶行為是影響電動汽車功率需求的關鍵因素，具有隨機性。對電動汽車產生影響的用戶行為主要包括開始充電時刻和日行駛里程兩個方面，用戶充電時間越集中，電網需提供的充電功率越大;而日行駛里程反映了用戶當日的耗電量，在一定充電功率下，行駛里程與充電持續時間相關。對用戶行為研究和功率需求的統計模型建立，通常依據交通部門或統計部門的調查數據，或利用車載在線，全球定位系統（global positioning systems，GPS）、住宅區配置的信息采集器等對電動汽車行為進行跟蹤記錄。

3電動汽車接入對配電網的影響

電動汽車充電對輸電網的影響是間接的，輸電線路和變電站等容量可滿足要求，因此不作為研究重點。電動汽車大量無序、隨機充電負荷與原有峰值疊加，將形成新的負荷，對配電網帶來巨大影響，對配電網的影響，主要分為三方面：電能質量（諧波電流、電壓偏移、電壓不平衡）電網經濟性（網絡和變壓器功率損耗、線路及變壓器負載），安全穩定運行（電壓波形、峰值負荷、電器設施壽命）。

4電動汽車規模化充電控制策略研究

電動汽車無序充電會對電力系統產生負面影響，因此研究電動汽車的充電策略非常重要。非協調的充電策略會影響系統的穩定性和可靠性，而智能充電策略卻會增強系統的穩定性和可靠性。最基本的充電策略是削峰填谷策略。目前國內外研究充電控制策略主要集中在以下幾個方面：

1）基于分時分段電價的電動汽車充電策略

利用國家激勵政策和分段電價，引導大量用戶利用晚間低谷進行夜間充電或延遲充電，避開高峰時段，這一方法在近期可有效實現大量充電負荷的轉移，但存在一定局限性。

2）電動汽車智能充電策略

在研究電動汽車智能充電策略時要考慮到所研究地區的電網和私家車行駛特性，以及充電時在時間和空間上的不確定性，結合配電網具體運行情況，研究電動汽車充電布點問題，以提高電網運行的經濟性，使電動汽車智能充電策略更靈活更人性化，甶于輸電系統調度人員無法對大量的電動汽車進行調度所以比較實際的方法是采用分層分區調度方法，故需以某個優化目標，如用戶獲利最大、電網負荷變化率最小、電網峰值負荷最小、配電損耗最小或電壓偏移最小等作為目標函數，同時考慮一定約束條件，最終實現用戶側和供電側的雙贏。

3）電動汽車充電與新能源接入相結合的控制策略研究

電動汽車因響應了我國的節能減排政策而發展迅速。另一方面，傳統的化石燃料資源日益枯竭，風能和太陽能作為較有前景的可再生能源被人們廣泛研究和利用。但同時也衍生出一些問題，首先，大規模的電動汽車入網充電時，會導致局部地區的負荷緊張，尤其會加重高峰時段的電網負擔，如何通過協調控制電動汽車的充電過程來減小其對電網的影響是值得研究的問題。其次，風能、太陽能等可再生能源發電入網時會產生相應的功率波動，當大規模可再生能源接入電網時，如何平抑其對電網造成的功率波動并提高電網對其的消納能力也是亟待解決的問題。結合以上兩點問題，通過引導電動汽車進行有序充電，能夠減少大規模無序充電對電網造成的沖擊，通過對充電負荷時間和數量上的控制能夠平抑風、光等新能源對電網造成的波動，優化區域電網峰谷差。

5總結

本文的研究具有良好的應用前景，填補了電網對未來大規模增加電動汽車充電站后對電網影響的適應性研究的空白，對于緩解未來規?；妱悠嚦潆娊o電網帶來的影響具有重要的理論和實際意義。從一定程度上促進我國智能電網的發展，研究過程中建立充電站負荷模型，為充電站其它方面的研究奠定理論基礎;而有序充電控制策略的研究，能夠提高電網的穩定性，改善電網的使用效率，并且為電網、電動汽車充電站與用戶之間的運營模式提供參考依據。