規模化電動汽車入網對配電網的影響

王旻瑋，孫景文，魏大洋

（國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

隨著能源和環境問題的日益嚴峻，推廣電動汽車成為必然趨勢，電動汽車在汽車市場的占有率也不斷提升。規模化電動汽車的接入勢必對配電網產生重要的影響。因此，了解并準確評估電動汽車充電對配電網產生的影響對配電系統的升級和充電基礎設施的配建具有重要意義。

目前，已有眾多學者在大規模電動汽車入網對配電網的影響和充電負荷建模領域進行了相關研究。文獻[1]對以負荷方差最小化為目標的優化控制策略進行了研究，證明負荷方差與網損有著緊密聯系，優化配電網的網損一定程度上可等價于負荷方差的優化。文獻[2]重點分析了電動汽車接入電網對電網諧波的影響。文獻[3]以電動汽車充放電效益最大為目標函數，探討了利用電力價格彈性杠桿調度電動汽車進行充放電的可行性。文獻[4]對電動汽車進行分類，利用概率統計學和蒙特卡洛模擬方法提出了基于時刻充電概率的負荷預測模型。文獻[5]提出了考慮隨機因素，以負荷方差最小化為目標的優化充電策略。

本文在借鑒以上研究成果的基礎上以常規充電為研究對象，結合汽車行駛規律，建立計及時空分布特性的電動汽車充電負荷需求模型。統籌考慮電網側和用戶側的雙邊利益，以配電網絡損耗最小和用戶充電支出最低為目標函數，建立了規模化電動汽車入網的優化充電控制模型，對比了隨機和分時電價引導方式下電動汽車充電對配電網網絡損耗及節點電壓的影響。

1 充電負荷需求模型

1.1 用戶行駛規律建模

本文以傳統汽車的出行調查數據為分析基礎，考慮到用戶出行行為的多樣化，模擬得到日行駛里程d近似服從對數正態分布或韋伯分布，從而可以采用蒙特卡洛法生成基于各出行目的的出行距離，以滿足車輛使用習慣的多樣性。

考慮到電動汽車用戶在居民區和工商業區的行車規律不同，工商業區的車輛停放時間一般是白天08：00—18：00，居民區的車輛停放時間一般是18：00至次日07：00。根據出行調查數據分析可得抵達工作地點時間和出行結束返回住所時間均近似服從正態分布。

1.2 EV充電負荷需求模型

本文采用鋰電池為研究對象，充電功率Pi近似為一定值Pc。

假設電動汽車在給定時刻k開始充電的概率為Φ（k），不同引導方式下Φ（k）的分布不同。對于某區域內數量為n的電動汽車，一天內任一時刻t的充電功率平均值為：

2 規模化電動汽車充電對配電網的影響

電動汽車充電涉及到電網和用戶兩方面。一方面，從用戶的利益出發，實施分時電價政策能夠對用戶充電行為進行合理的引導，有利于配電網的經濟穩定運行。另一方面，作為充電主體的用戶，可以根據自身情況通過自主選擇充電時段，節約充電支出。

本文探討了分時電價政策下，用戶充電行為的改變，通過設置不同的滲透率和用戶響應度，以用戶充電支出最低和負荷波動方差最小為目標函數，建立優化模型，對比分析了隨機充電和分時電價引導方式下電動汽車接入對配電網的影響。

2.1 隨機充電

在沒有任何政策引導的情況下，電動汽車用戶的充電行為比較隨意，一般在用戶結束用車停車的同時開始充電。其充電開始時刻根據分布函數式隨機選取，根據充電負荷需求模型可以計算出各個時刻的電動汽車充電需求。在隨機充電方式下，工、商業區電動汽車數量按各區域負荷比例分配，電動汽車隨機接入充電區域的各節點。

2.2 分時電價引導下的優化充電

分時電價的含義是依據電網在不同時間段的實際負荷水平的差異，而將全天劃分為不同的時間段，對每個時間段設定相應的電價，來引導用戶避開電網負荷高峰期，有選擇性地合理支配用電時段，以減輕電網高峰負荷水平。借鑒國內工業用電分時電價的形式，設定目標函數為：

式（1）中：n為電動汽車數量；Ct為t時刻的充電電價；Pi，t為t時刻第i輛電動汽車的充電功率；LT，t是t時刻包含電動汽車的配電網等效負荷；μ為1 d內系統的平均負荷；ω1、ω2分別為目標函數F1、F2的權重系數，且ω1+ω2=1；F1max為隨機充電情況下電動汽車用戶需支出的費用；F2max為隨機充電情況下的等效負荷波動總方差。

約束條件為：

式（2）中：xk為各整點時刻開始充電的可調度電動汽車數量，其中居民區充電時間段為18：00至次日02：00，工商業區充電時間段為08：00—13：00；n為可調度的電動汽車數量，nH和nW分別為1 d內在居民區和工商業區進行充電的可調度電動汽車總數。

3 算例分析

3.1 參數設置

將ⅠEEE33節點系統作為仿真對象，按照圖1的區域劃分將電力負荷分為居民用電、工業用電和商業用電。標準化日負荷曲線如圖2所示。借鑒國內工業用電分時電價的形式，本文中的充電電價及其時段劃分如表1所示。

圖1 ⅠEEE33節點配電網單線圖和負荷分區

圖2 3種典型負荷的標準化日負荷曲線

表1 電價參數設置

3.2 仿真結果與分析

通過仿真可以得到隨機充電和分時電價政策引導下的充電各時刻節點電壓值和平均日網絡損耗曲線，分別如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，與隨機充電方式相比，分時電價方式可以利用凌晨時段的低電價有效地將充電負荷轉移到低谷時段，從而有效地降低配電網負荷的峰谷差，實現削峰填谷的目的。通過分時電價利益的驅動引導，用戶主動選擇在凌晨電價最低時間進行充電后，能夠有效地改善節點電壓最低值，同時網絡損耗在全天各時段的分布也更加均勻，從網損曲線與橫縱坐標圍成的面積來看，也降低了全天的總網損值。并且隨著用戶響應度的提高，對節點電壓水平的改善和網損值的降低效果均越明顯。因此，應該鼓勵廣大電動汽車用戶積極響應分時電價政策，盡可能在電價低谷期進行充電，這樣既可以節省自身充電成本，同時也有助于提高電力系統運行的安全經濟性。

圖3 隨機充電方式與分時電價方式18節點各時刻電壓值

圖4 隨機充電方式與分時電價方式平均日網絡損耗曲線