分散式充電樁接入對低壓配電網運行及規劃影響分析

國網江蘇電力有限公司南京供電分公司 袁 蓓 陸柳敏 徐正安

近年來，電動汽車在全球范圍內得到了快速發展，銷量逐年上升。據統計，僅南京市目前便有充電站點1746個，充電樁22898個。電動汽車的充電模式通常可分為快充和慢充兩種模式，一般情況下，快充是在充電站進行，用于滿足用戶迅速補充電能，但充電功率較大對電動汽車的電池有一定損害。因此，一版電動私家車多以慢充的模式進行充電。而當電動汽車進行慢充時，通常是通過分散式充電樁直接接入低壓配電網。

配電變壓器是低壓配電網中最重要的配電設備，隨著電動汽車規模化接入配電網，充電負荷需求也會隨之增大，將會對配電變壓器的安全經濟運行帶來挑戰。因此，當電動汽車規模發展到一定程度，有必要在規劃配電變壓器的新建和擴容改造時考慮充電負荷的需求及其負荷特性。因此，了解電動汽車充電負荷特性，可以發揮其在配電網系統中削峰填谷、消納可再生能源等積極關鍵的作用；分析充電對配電網的影響，利于及時制定相關的策略或措施來應對，防患于未然，保證客戶可靠用電。

1 充電負荷特性研究

充電負荷特性諸多影響因素有關，各因素直接具有隨機性和關聯性，在此按出行功能可分為私家車、公交車、出租車和公務車等類型。隨著電動汽車正在快速發展，預計2030年的各類電動汽車數量是2020年的5-6倍，其中私家車數量最多，達到4744.41-5835.3萬輛，這樣大規模的接入電網充電，將會對配電網系統產生一定的沖擊[1]，因此研究充電負荷特性對于未來的電力規劃和建設具有重大意義，同時，也為入網充電制定相關的策略，實現供用電雙方利益的最大化。

在影響電動汽車負荷特性因素中，可分為起始充電時間、充電功率以及日行駛里程等三個方面。針對起始充電時間，充電集中時間段由決定起始充電時間，借鑒某市對電動汽車進行了實地調研的過程中，繪制的當地充電時間分布，如圖1所示[1]。從圖中可以看出：充電負荷會因為始充電時間的不同集中在不同時間段；同一類型的電動汽車充電負荷因出行目的不同在工作日和節假日也存在著差異。

圖1 各類電動汽車充電時間段分布圖

針對不同出行需求，車主的充電時間長短不同，例如白天運營的公交車和出租車只允許短時間的停留，所以需要在短時間內將電池充滿，而私家車一般夜間不會使用，有充足的時間進行小功率充電。國家標準中對交流和直流電壓電流規定如下[2-3]。

交流充電接口的額定值為，額定電壓250V，額定電流10/16/32A；額定電壓440V，額定電流6/32/63A；額定電壓750/1000V，額定電流80、125、200、250A。

針對日行駛里程，在每公里平均消耗電能一定的情況下，行程決定了用電量。目前，電動汽車日行程的統計數據尚不完善，電動汽車行駛規律與燃油車相似[4]，所以可以將燃油車日行駛里程數運用到電動汽車上。

2 充電負荷建模及無序充電對低壓配電網影響

2.1 基于出行鏈的充電負荷建模及無序充電對配電網的影響

2.1.1 電動汽車充電負荷的時空分布模型

在分析充電負荷特性及研究充電負荷對配電網影響過程中，必須首先建立電動汽車充電負荷的時空分布模型。其中，電動汽車的充電需求與其出行規律緊密相關，需要準確描述電動汽車的日常出行特征。目前，研究電動汽車出行時空分布特性的方法主要有交通起止點、停車生成率法、出行鏈理論和分析法等。鑒于出行鏈的概念可以相對準確地描述汽車的日常出行規律，結合從NHTS2017[5]數據庫中獲取得到的汽車出行統計信息，因此本文將基于出行鏈的概念對電動汽車出行的時空分布特性進行統計分析。

在NHTS2017數據庫中，電動汽車的出行目的分為回家、工作、購物/辦事、社交/娛樂和其他等5類。電動汽車的出行習慣決定了其行駛1及停駐情況，進一步影響汽車耗電量、可能充電地點和允許充電時段。同時，電動汽車的充電行為習慣則直接決定了充電負荷需求的時空特性。在“一日一充”的模式下，電動汽車用戶每天對電動汽車充電，且每次都將電池充滿以保證第二天出行需求。而“一日多充”模式下，電動汽車用戶一般在行程中在充電點暫時停留進行充電，一般是公共停車場或集中充電站。圖2統計了電動汽車起始充電時的荷電狀態，可以看出電動汽車用戶對于“低SOC”的判斷是相對保守的，并大致服從正態分布[6]。

圖2 充電起始荷電狀態統計

根據上文對于電動汽車充電行為的分析，文本主要考慮居民區為主的充電場景。在此情況下，充電頻次為“一日一充”和“多日一充”，即車主每天在行程結束后，根據電動汽車荷電狀態來判斷是否需要對電動汽車充電。

2.2 電動汽車充電對低壓臺區的影響

需要指出的是，本文中所述低壓配電網定義為380/220V 的低壓臺區，區域中主要以居民負荷為主。電動汽車充電對于低壓臺區的影響主要分為電壓偏差、諧波電流損耗與網絡損耗以及配電變壓器容量規劃等方面。

2.2.1 諧波危害

由于充電樁是一種非線性負荷，其接入會給電網帶來嚴重諧波污染。主要表現在增加電氣設備的額外損耗、供電設施線路的損壞率增加以及低壓臺區線損率升高等等。

2.2.2 電壓偏差

由于現階段大部分零散式充電樁屬于居民申請安裝在小區公共停車區域，使用電價為開通分時的為民居電價，因此，大量充電負荷將轉移至用電低谷時段，與原本的基礎用電曲線疊加下，會對原本配網產生一定的影響，造成電壓偏差。

2.2.3 網絡損耗

一般情況下，充電負荷的波動越大，網損率越高，即當一天的充電電量相同的情況下，充電的負荷波動越大，網絡損耗越多。意味著在相同充電量的情況下，需要保持充電需求曲線的平穩，盡量避免充電負荷曲線出現大幅波動，以減小此類負荷帶來的網絡損耗[7]。

2.2.4 配電變壓器容量規劃

在考慮充電負荷對配電變壓器負載率和負荷率的影響時，因為配電變壓器是低壓臺區中最重要的配電設施之一，其負載率和負荷率直接影響配變運行的安全性和經濟性。配變負載率可以衡量配電變壓器剩余容量裕度狀態，判斷變壓器是否過載。

配變負載率表達式如式（1）所示。

3 計及電動汽車的配電變壓器容量規劃方法

下面，假設以某市某個普通居民區作為低壓臺區的代表，研究電動汽車充電負荷對配變負載率和配變負荷率的影響。該低壓臺區由一臺配電變壓器供電，配變的容量為500kVA，功率因數為0.9。臺區內共有150戶居民用戶，當電動汽車數量分別為50輛、100輛、150輛時，計算其對應的充電負荷并疊加到居民負荷上，最后得到的配變日負荷曲線如圖3所示。

圖3 不同電動汽車數量下的配變日負荷曲線

對不同電動汽車數量下的配變負載率和配變負荷率進行計算，結果如下。

不同電動汽車數量下的配變負載率和負荷率：電動汽車數量0輛，配變負載率80.0%，配變負荷率60.1%；電動汽車數量50輛，配變負載率89.2%，配變負荷率58.1%；電動汽車數量100輛，配變負載率98.4%，配變負荷率56.5%；電動汽車數量150輛，配變負載率107.6%，配變負荷率55.2%。

根據結果可知，隨著低壓臺區內電動汽車數量增加，臺區內配變負載率顯著升高；同時，配變負荷率下降。當低壓臺區內的電動汽車的數量達到150輛時，配變負載率將從接入充電負荷前的80%上升到107.6%，出現過載[8]。因此，電動汽車無序充電會造成低壓臺區配變負載率升高及配變負荷率下降，從而造成配電變壓器的安全性和經濟性下降。

由于配電變壓器所服務的低壓臺區主要由居民負荷組成，在預測負荷需求過程中，一般采用需要系數法進行計算。

使用需要系數法進行居民負荷預測的計算公式如式（2）所示。

式中，Ppre表示預測的臺區最大負荷需求，Kx表示需要系數，Ptoc為臺區內用電設備的總容量。確定配變參數時，包括選取配變容量和配變數目。在民用建筑中，配變容量大小可以用式（3）所示：

式中，ST為配電容量，β 為配變負載率，cosφ為補償后的平均功率因數。

在常規的配電變壓器容量規劃方法的基礎上，本文針對居民區為主的低壓臺區，提出了計及電動汽車的配電變壓器容量規劃方法。

首先估計低壓臺區內的電動汽車數量。由百戶汽車保有量和電動汽車滲透率，計算出低壓臺區內的電動汽車保有量水平。再由電動汽車滲透率，計算得到電動私家車保有量。

低壓臺區的電動汽車保有量可以由式（4）得到：

接下來，對低壓臺區內電動汽車的充電負荷特性進行描述。同時，根據低壓臺區內居民用戶的組成情況，用需要系數法對臺區內的居民負荷進行估算。

4 計算驗證

低壓臺區以居民負荷為主，因此本文以居民區為研究對象，對本文所提出的計及電動汽車的配電變壓器容量規劃方法進行計算分析。

在算例中，參考文獻[9]對各類居民區的配變負載率進行選取，得到了不同檔次居民區在不同的電動汽車發展情況下，配電變壓器的容量規劃結果，具體如表1所示。

表1 各類居民區配變容量規劃結果[7]

5 結語

本文針對分散式充電樁大規模接入對低壓配電網造成的影響進行了分析，提出了一種考慮分散式充電樁接入的配電變壓器容量規劃方法。在研究充電負荷特性的基礎上，對充電負荷進行了建模。同時，分析了無序充電情況下充電負荷對低壓配電網的影響。以居民區為研究對象，對本文所提出的計及電動汽車的配電變壓器容量規劃方法進行計算分析。結果表明，電動汽車的發展規模和充電行為將會對配電變壓器的規劃結果產生明顯的影響。隨著電動汽車滲透率的擴大，配變容量需求也隨之增大；接入對不同檔次居民區的配變容量規劃結果影響也有區別，對高檔居民區的影響相對而言更大；電動汽車的有序充電有利于減小配變容量需求。