銜接配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的充換電設(shè)施規(guī)劃擴(kuò)展研究

張云飛 徐 成 徐藝鳴 宗祥華

（1.國網(wǎng)睢寧縣供電公司，江蘇徐州 221200；2.上海博英信息科技有限公司，上海 200240）

0 引言

對電動汽車行業(yè)來講，充換電設(shè)施的建設(shè)發(fā)展相對落后，導(dǎo)致電動汽車用戶經(jīng)常遇到無處充電的窘境，需要進(jìn)行大規(guī)模充換電設(shè)施建設(shè)，按需求進(jìn)行規(guī)劃，因此有必要對充換電設(shè)施進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃研究[1]。充換電設(shè)施合理規(guī)劃關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定性。用戶的充換電行為可能會引起電量的增長、電網(wǎng)峰值負(fù)荷的增加等，電量的增長決定了電動汽車用戶的行為特性與能效參數(shù)，電網(wǎng)的峰值負(fù)荷與充換電設(shè)施的分布、用戶的充電行為等相關(guān)。合理選址規(guī)劃，有利于保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2]。本文基于上述研究基礎(chǔ)，將符合配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的充換電設(shè)施優(yōu)化與建設(shè)規(guī)劃問題相結(jié)合，合理規(guī)劃布局充換電設(shè)施，降低對配電網(wǎng)的影響，提升電動汽車用戶的使用體驗，推動電動汽車的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 充換電設(shè)施對配電網(wǎng)規(guī)劃影響

隨著電動汽車的普及和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，電力負(fù)荷的分布和需求發(fā)生變化，需要重新劃分供電分區(qū)來更好地滿足電力需求。電動汽車的充電行為具有隨機(jī)性與不確定性，造成充換電設(shè)施并網(wǎng)后負(fù)荷預(yù)測更加復(fù)雜，增加了供電區(qū)域精細(xì)化劃分的難度。

1.1 負(fù)荷預(yù)測影響

電動汽車保有量、充換電設(shè)施與用戶出行行為等方面會對負(fù)荷預(yù)測產(chǎn)生影響。電動汽車規(guī)模反映出市場保有量，保有量的數(shù)值直接決定當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)負(fù)荷增量的多少，因此保有量變化對負(fù)荷預(yù)測有直接影響[3]。同時，與之匹配的充換電設(shè)施空間布局對用戶的充電時間與地點有很大的影響，影響充電負(fù)荷的時空分布。再則，用戶出行隨機(jī)性很大，出行行為是電動汽車負(fù)荷具有時空分布特性的原因。電動汽車的日行駛里程反映用戶一天的出行，隨機(jī)性更大，里程的長短決定電動汽車的耗電量，影響電動汽車的充電需求；用戶的充電習(xí)慣也會影響汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)的時間與地點[4]。

1.2 供電區(qū)域劃分影響

電動汽車與充換電設(shè)施處于快速增長階段，電力負(fù)荷隨之相應(yīng)增加，對現(xiàn)有的供電分區(qū)產(chǎn)生影響。充換電設(shè)施的接入使得電力負(fù)荷出現(xiàn)新的特征。由于電力負(fù)荷的分布和需求發(fā)生變化，現(xiàn)有的供電分區(qū)需要重新精細(xì)化劃分，滿足電力需求[5]。供電區(qū)域的劃分也直接影響到電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和供電質(zhì)量。若供電區(qū)域的劃分不合理，會導(dǎo)致電力供應(yīng)不均勻，導(dǎo)致某些區(qū)域的電力供應(yīng)不足，其他區(qū)域的電力供應(yīng)過剩，不僅會影響到電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還會影響用戶的用電體驗。

1.3 變電站規(guī)劃技術(shù)原則影響

充換電設(shè)施的接入需使用不同的電力設(shè)備與線路，會改變變電站的設(shè)備選型和配置，電動汽車的充電和換電需求通常比較集中，要求變電站不僅高峰期能夠提供穩(wěn)定的電力輸出，還需要滿足更高的供電質(zhì)量，以避免對電網(wǎng)造成過大的壓力[6-7]。

由于供電區(qū)域劃分的影響，規(guī)劃中變電站的配置和布局可能會發(fā)生相應(yīng)的改變。需要對現(xiàn)有的變電站進(jìn)行擴(kuò)建或新建，更好地滿足充換電設(shè)施的接入需求。變電站的選址也需要考慮充電設(shè)施和電動汽車用戶的分布情況。

2 計及充換電設(shè)施的配電網(wǎng)規(guī)劃擴(kuò)展分析

在電動汽車充電時，會出現(xiàn)較大的諧波電流與沖擊電壓，影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，需要統(tǒng)籌考慮充換電設(shè)施的區(qū)域配電網(wǎng)規(guī)劃，確保充換電設(shè)施能提供穩(wěn)定充足的電能，并滿足其他用戶的用電需求。為確保電動汽車在充電過程中不出現(xiàn)意外，進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃時要與城市發(fā)展建設(shè)的整體規(guī)劃相統(tǒng)一。

2.1 供電區(qū)域劃分方法

針對大規(guī)模電動汽車充換電設(shè)施的接入，除考慮土地利用特征和發(fā)展規(guī)律外，還應(yīng)充分考慮電動汽車保有量的現(xiàn)有特征和增長規(guī)律以及電動汽車充換電設(shè)施的接入功率等因素進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測。應(yīng)在電動汽車保有量的基礎(chǔ)上對負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對配電網(wǎng)供電區(qū)域劃分進(jìn)行優(yōu)化研究[8]。

2.1.1 計及電動汽車保有量的負(fù)荷預(yù)測

調(diào)研相應(yīng)區(qū)域的汽車保有量，計算不同類型電動汽車滲透率，計算公式為：

式中：P為相應(yīng)類型電動汽車滲透率；N為該區(qū)域所有汽車總數(shù)量；Ne為該區(qū)域相應(yīng)類型電動汽車總數(shù)量。

電池有效容量計算公式：

式中：Ca（id）為電池有效容量；id為充電電流；Cp為電池的普克特容量；k為普克特系數(shù)，取值范圍一般為1.1～1.3。

對于一個固定類型的電池，Cp和k都是定值。Cp的計算公式：

式中：CN為電池的標(biāo)稱容量；T為電池額定放電時間；CN/T為電池額定放電電流。

根據(jù)不同類型電動汽車的行車規(guī)律，得到不同類型電動汽車的出發(fā)時刻、行車速度，計算出不同類型電動汽車的開始充電時刻和相應(yīng)時刻的SOC電池余量。

式中：S（t1）和S（t2）分別表示t1和t2時刻電池的荷電狀態(tài)，以百分比形式表示。

隨著電池容量的變化，充電電壓也會發(fā)生改變，由電動汽車產(chǎn)生的充電功率也是變化的。為預(yù)測電動汽車充電產(chǎn)生的功率，將充電時間分成若干時間段。在每一時間間隔開始時，其電池容量為：

式中：tk-、tk+分別表示第k時間段的開始和結(jié)束；S（tk-）和S（tk+）分別表示tk-和tk+時刻電池的荷電狀態(tài)；SOCi表示電池充電的起始SOC；j表示j輛電動汽車。

對應(yīng)于S（tk-）和S（tk+）的充電電壓分別為V（tk-）和V（tk+），第k時段充電電壓可表示為：

則第k時段電動汽車充電功率表示為：

式中：Pk為第k時段電動汽車充電功率；n表示第k時段內(nèi)同時充電的電動汽車數(shù)量；Vj（tk）和idj分別表示第k時段和第j輛電動汽車的充電電壓和充電電流；η為電動汽車充電的傳輸效率，設(shè)置為80%。

根據(jù)電動汽車開始充電時刻及選擇的相應(yīng)充電模式計算出充電時長，若充電時長即停車時長，得規(guī)模化電動汽車停車時長分布，利用單個電動汽車充電功率模型，通過蒙特卡洛仿真，得不同區(qū)域規(guī)模化電動汽車充電需求，進(jìn)行電動汽車多空間負(fù)荷預(yù)測。

利用滲透率-負(fù)荷配電網(wǎng)模型，得到不同滲透率的電動汽車負(fù)荷需求。不同滲透率下配電網(wǎng)日平均負(fù)荷如表1所示。

表1 不同滲透率下配電網(wǎng)日平均負(fù)荷

日平均負(fù)荷計算公式為：

式中：Pavg為配電網(wǎng)日平均負(fù)荷；Pi為第i個小時配電網(wǎng)負(fù)荷。

2.1.2 配電網(wǎng)供電區(qū)域劃分優(yōu)化分析

根據(jù)分析，在電動汽車滲透率達(dá)到50%時，配電網(wǎng)平均負(fù)荷可達(dá)原來的140.69%。滲透率逐漸增大，日平均負(fù)荷呈增長趨勢。當(dāng)日平均負(fù)荷呈非線性增長趨勢時，會給配電網(wǎng)容量帶來極大的負(fù)擔(dān)。故計及電動汽車充換電設(shè)施接入的區(qū)域負(fù)荷密度劃分邊界可設(shè)置為原來標(biāo)準(zhǔn)的2倍，以滿足電動汽車新增負(fù)荷需求，如表2所示。

表2 供電區(qū)域建議劃分標(biāo)準(zhǔn) 單位：MW/km2

2.2 變電站規(guī)劃技術(shù)原則修正分析

2.2.1 規(guī)劃指標(biāo)計算方法

1）負(fù)載率。建議線路最高負(fù)載率改為按照下式計算確定：

式中：T為線路負(fù)載率；P為對應(yīng)線路安全電流限值的線路容量；M為線路的預(yù)留備用容量；C為線路的預(yù)留電動汽車充電備用容量[9]。

2）容載比。根據(jù)DL/T 5729—2016《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》，容載比（MVA/MW）可按下式計算：

式中：Rs為容載比；Pmax為該電壓等級全網(wǎng)或供電區(qū)的年最大負(fù)荷；∑Sei為該電壓等級全網(wǎng)或供電區(qū)內(nèi)公用變電站主變壓器容量之和。

未來電動汽車將大量接入，電動汽車充電負(fù)荷將大規(guī)模增加，應(yīng)適當(dāng)提高容載比范圍，使其滿足未來電動汽車大規(guī)模增長的需求。

3）無功補(bǔ)償和電壓調(diào)整。在原有規(guī)定的基礎(chǔ)上，針對電動汽車接入增加規(guī)定：電動汽車充換電站應(yīng)按照電力系統(tǒng)有關(guān)電力用戶功率因數(shù)的要求配置無功補(bǔ)償裝置，并不得向系統(tǒng)倒送無功。

2.2.2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

隨著新能源汽車的滲透率不斷提高，電動汽車的補(bǔ)電需求日益增加。早期電網(wǎng)規(guī)劃未考慮新能源汽車的用電需求，電網(wǎng)容量通常較小。電動汽車用戶的充電行為隨機(jī)性大，若用戶選擇在用電高峰期進(jìn)行充電，會增加電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。與充電設(shè)施相比較，換電設(shè)施的電池充電時間可以控制，可以選擇在用電負(fù)荷較小時進(jìn)行充電，在用電高峰期提供充滿電的電池，實現(xiàn)錯峰用電，分擔(dān)電網(wǎng)壓力，減少大功率隨機(jī)波動對電網(wǎng)的傷害。根據(jù)上述分析，建議在規(guī)劃配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)時，規(guī)定將電動汽車接入點設(shè)置在線路首端。

2.2.3 變電站配置

1）變電站選址。根據(jù)電動汽車充電設(shè)施的服務(wù)能力和設(shè)施利用率等因素可確定電動汽車充電設(shè)施的建設(shè)規(guī)模、數(shù)量，得到充電設(shè)施分期規(guī)劃。電網(wǎng)層面與電動汽車充電設(shè)施進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，新增電網(wǎng)容量根據(jù)充電設(shè)施的新增計劃數(shù)量和類型確定，若新增電網(wǎng)容量超過配電網(wǎng)的容量范圍，需要考慮新建變電站/線路或變電站擴(kuò)容等問題。

2）變電站容量配置。綜合考慮A、B、C、D和E類充電樁布局區(qū)域的負(fù)荷大小、空間資源條件以及上下級電網(wǎng)的協(xié)調(diào)和整體經(jīng)濟(jì)性等因素，確定變電站的供電能力。按照Q/GDW 1738—2012《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》，同一規(guī)劃區(qū)域中，相同電壓等級的主變壓器單臺容量規(guī)格不宜超過3種，同一變電站的主變壓器宜同一規(guī)格。

基于提出的A、B、C、D和E類充電樁布局區(qū)域，結(jié)合車樁配建比、同時率等參數(shù)（表3、表4），參考配電網(wǎng)變電站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，給出各類充電樁布局區(qū)域變電站容量配置參考下的電動汽車數(shù)量參考范圍，如表5所示。

表3 各類充電樁布局區(qū)域的車樁配建比參考標(biāo)準(zhǔn)

表4 各類充電樁布局區(qū)域的同時率選取參考標(biāo)準(zhǔn)

表5 各類充電樁布局區(qū)域變電站容量配置參考下的電動汽車數(shù)量參考范圍

充電樁系統(tǒng)同時率：充電樁系統(tǒng)負(fù)荷峰值與各充電樁用戶負(fù)荷峰值之和的比值。

式中：η為充電樁系統(tǒng)同時率；S為充電樁系統(tǒng)負(fù)荷峰值；Si為第i個充電樁用戶負(fù)荷峰值；N為充電樁總數(shù)。

同時率是在對充電設(shè)施建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃時的一個重要指標(biāo)。不同布局區(qū)域規(guī)劃目標(biāo)不同，相應(yīng)各個布局區(qū)域的同時率選取值也不同。同時率取值與各類充電樁布局區(qū)域的同時率選取參考標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

由表5可以看出，隨著充電樁布局區(qū)域?qū)嚇杜浣ū纫笤絹碓礁咭约半妱悠嚦潆娡瑫r率的提升，變電站能滿足的電動汽車數(shù)量的上限越來越低。

3 結(jié)束語

根據(jù)上述研究分析，電動汽車的保有量、充換電設(shè)施與用戶出行的不確定性等會對負(fù)荷預(yù)測產(chǎn)生影響，由此本文計算了不同滲透率下配電網(wǎng)平均負(fù)荷及線性關(guān)系，以及負(fù)載率發(fā)生改變對變電站規(guī)劃技術(shù)的配置要求。通過開展銜接配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的充換電設(shè)施優(yōu)化規(guī)劃研究，可以使供電區(qū)域劃分和變電站配置規(guī)劃技術(shù)更加合理，從而提高充換電設(shè)施接入后電網(wǎng)的穩(wěn)定性。