電動汽車充放電行為對配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響

楊思斯

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410000）

電動汽車充放電行為對配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響

楊思斯

（湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410000）

環(huán)境惡化和資源枯竭等問題為可持續(xù)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)，而電動汽車是調(diào)和上述矛盾的有效手段。從市場的角度來看，電動汽車也在逐步成為未來主要的城市交通工具。對于配電網(wǎng)，當(dāng)電動汽車放電時，可視為配電網(wǎng)的分布式電源；當(dāng)電動汽車充電時，可以視為配電網(wǎng)的負(fù)荷。為此，分析大規(guī)模電動汽車無序充放電行為對配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響，對于利用電動汽車實現(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的削峰填谷具有非常重要的意義。

配電網(wǎng)；電動汽車；充放電行為；負(fù)荷曲線

0 引言

發(fā)展電動汽車是解決環(huán)境惡化和資源枯竭等問題、實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有效手段。對于配電網(wǎng)，電動汽車既是電源又是負(fù)荷，當(dāng)電動汽車放電時，可以視為配電網(wǎng)的分布式電源；當(dāng)電動汽車充電時，可以視為配電網(wǎng)的負(fù)荷。大規(guī)模電動汽車的無序充放電行為將會增加配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的峰谷差；而電動汽車充放電行為的可調(diào)特性，又為配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的削峰填谷提供了新的方法。為此，分析大規(guī)模電動汽車無序充放電行為對配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響具有非常重要的意義。

1 電動汽車接入電網(wǎng)模型

電動汽車通過轉(zhuǎn)換電能的形式來實現(xiàn)與電網(wǎng)的互動。圖1為電動汽車與電網(wǎng)連接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中主要包括電動汽車，變流器、變壓器和電網(wǎng)4個部分，其中變流器包括升壓器和逆變器。充電機是指圖中變壓器和變流器部分。電動汽車放電過程：升壓器將電動汽車的低壓直流電壓升為高壓直流電壓，然后通過逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流，再通過變壓器接入電網(wǎng)。充電過程：電網(wǎng)通過變壓器、逆變器將交流轉(zhuǎn)換成直流，再通過升壓器逆向降壓給電動汽車充電。電動汽車接入電網(wǎng)的電路原理如圖2所示。

圖1 電動汽車與電網(wǎng)連接示意圖

圖2 電動汽車接入電網(wǎng)的電路原理

圖2中，電動汽車可以等效為一個理想的電壓源，U1是電壓源的電壓幅值，θ是電壓的相角。R、L是總的功率損耗，主要是來自變流器的損耗，還包括電池?fù)p耗和變壓器損耗。IL、φ為電動汽車通過變流器注入電網(wǎng)的電流及其相角。US、δ是指電流注入點（接入點）的電壓幅值和相角。在充放電過程中，通過控制電動汽車的電壓幅值U1和θ相角來實現(xiàn)有功和無功的注入。當(dāng)需要調(diào)節(jié)有功功率時，只需要調(diào)整θ，使得θ＜δ，即電動汽車的相角θ落后接入點電網(wǎng)的電壓相角δ，可以實現(xiàn)電網(wǎng)將有功功率注入電動汽車；反之，θ＞δ，即電動汽車的相角θ超前接入點電網(wǎng)的電壓相角δ，可以實現(xiàn)電動汽車將有功功率注入電網(wǎng)。當(dāng)需要注入無功功率時，只需要控制U1＞US，即電動汽車的電壓幅值高于電網(wǎng)的電壓幅值，可以實現(xiàn)將無功功率從電動汽車注入電網(wǎng)；反之，U1＜US，即電動汽車的電壓幅值低于電網(wǎng)的電壓幅值，可以實現(xiàn)將無功功率從電網(wǎng)注入電動汽車。由此可知，充電機通過控制U1和兩個量就可以實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)之間有功和無功的交換。

2 電動汽車充放電行為分析

電動汽車充放電行為具有隨機性。其隨機性主要是由車主的行駛習(xí)慣、初始荷電狀態(tài)SOC0、日行駛里程和開始充放電時刻等決定的［1］。未來電動汽車的主要功能是替代化石能源汽車，故選取化石能源汽車的日行駛里程和最后返回時刻作為參考來分析未來電動汽車的行為特性。圖3和圖4分別是日行駛里程概率分布圖和最后返回時刻概率分布圖，這兩幅圖是根據(jù)某大城市公布的家庭車輛行駛行為的統(tǒng)計數(shù)據(jù)做出直方圖，然后對直方圖進行擬合，得到日行駛里程分布和最后返回時刻的擬合圖［2］。

由圖3可知，80%的車日行駛里程都小于40 km。由圖4可知，以1天為周期，最后返回時刻近似服從正態(tài)分布。大多數(shù)電動汽車在車主下班回家以后完成了當(dāng)天的行駛里程，此時也是電動汽車1天中電池荷電狀態(tài)值最小的時候。車主會選擇在這個時間將電動汽車接入電網(wǎng)并開始充電。故一般情況下1天中最后返回時刻非常接近開始充電時刻。為了方便研究，假設(shè)車主返回家中就立馬將電動汽車接入電網(wǎng)開始充放電，即開始充電時刻等于最后返回時刻，則開始充電時刻滿足正態(tài)分布［3］，而日行駛里程滿足對數(shù)正態(tài)分布［4］。

圖3 日行駛里程概率分布

圖4 最后返回時刻概率分布

3 電力系統(tǒng)自然負(fù)荷曲線及其特點

配電網(wǎng)自然負(fù)荷的峰谷時段具有周期性。圖5是某市區(qū)大型居民區(qū)的自然負(fù)荷曲線圖，圖中呈現(xiàn)出雙峰三谷（雙峰為早尖峰、晚尖峰，三谷為前后夜低谷、中午低谷）。早尖峰出現(xiàn)在8∶00—12∶00時段，負(fù)荷上升的速度快，負(fù)荷上升到最大后迅速下降，尖峰持續(xù)的時間不長、尖峰的形狀比較陡；晚尖峰出現(xiàn)在15∶00—20∶00時段，其時間規(guī)律、負(fù)荷上升的速度、尖峰的形狀和大小與早尖峰相似，只是在尖峰持續(xù)的時間比早尖峰長。這兩個時段多與用戶家用電等負(fù)荷開始上升有關(guān)。21∶00—7∶00時段、13∶00—15∶00時段都是電網(wǎng)的低谷期，因為這段時間人們的很多生活生產(chǎn)都處于休停狀態(tài)。

圖5 自然負(fù)荷曲線

對配電系統(tǒng)而言，家庭用戶往往表現(xiàn)出相同或者類似的電動汽車使用習(xí)慣，如大概都為17∶00—18∶00時段開始停止使用電動汽車并對其進行放電，這一行為將可能增加電動汽車接入對系統(tǒng)的負(fù)面影響。以圖5所示負(fù)荷為例，如果僅僅考慮將所有家用電器的負(fù)荷簡單疊加，其高峰負(fù)荷可能超過1000MW，但在絕大部分情況下，不會出現(xiàn)所有電器同時運行的情況，因此從整個配電網(wǎng)的角度看，用戶用電習(xí)慣的不同會降低峰荷水平。然而，若在其它電器正常使用的情況下居民無序、大量接入電動汽車，由于電動汽車充電持續(xù)時間較長，且可能存在大部分家庭的電動汽車在同一時間處于充電狀態(tài)的情況，造成整個配電系統(tǒng)的峰荷超出預(yù)想水平，即峰谷差將更加明顯。

4 電動汽車特性分析

為了分析電動汽車充放電行為對配電網(wǎng)的影響，首先分析電動汽車的負(fù)荷特性、放電容量以及考慮電動汽車充放電行為后的放電綜合特性。

4.1 負(fù)荷特性

電動汽車的負(fù)荷特性取決于其在電網(wǎng)中的滲透率和充放電行為。為了分析電動汽車的負(fù)荷特性，需要得到電動汽車任意時刻充電功率的概率分布，圖6是以1 000輛電動汽車為例，在1天內(nèi)用蒙特卡羅仿真法對其充電功率概率密度函數(shù)進行抽樣，得到的充電負(fù)荷曲線。

4.2 放電容量

電動汽車放電容量是指1天內(nèi)某一時刻該城市或某區(qū)域所有電動汽車的放電能力的總和。電動汽車放電需要滿足兩個條件：有剩余電能；有相應(yīng)的激勵機制能夠刺激用戶同意向電網(wǎng)放電。由于1輛充滿電后的電動汽車?yán)m(xù)航里程可以達到100 km以上，而最新發(fā)布的特斯拉電動汽車?yán)m(xù)航里程可以達到800 km。而由圖3可知，80%的車日行駛里程都小于40 km?？梢?，還有大部分的電能可以在用戶回到家以后反饋給電網(wǎng)。對于配電網(wǎng)，時段19∶00—24∶00是負(fù)荷的高峰期，時段00∶00—07∶00是負(fù)荷的低谷期?？紤]激勵電價的存在，車主會選擇在負(fù)荷的高峰期向電網(wǎng)放電，而低谷期給電動汽車充電。如此，既能達到削峰填谷的作用，又能降低電動汽車運行的成本，實現(xiàn)用戶和電網(wǎng)雙贏。

圖6 充電負(fù)荷曲線

因此，電動汽車一天內(nèi)的放電容量主要包括19∶00—24∶00和00∶00—07∶00兩個時段。受激勵電價的影響，19∶00—24∶00時段電動汽車向電網(wǎng)放電，而00∶00—07∶00時段電動汽車充電。

假設(shè)電動汽車都在時刻24∶00放電結(jié)束，首先考慮一輛電動汽車的放電容量，然后以1 000輛電動汽車為例，分別在時段00∶00—07∶00和19∶00—24∶00內(nèi)采用統(tǒng)計法得到放電容量曲線，如圖7所示。

圖7 放電容量曲線

4.3 綜合特性

未來電動汽車將分為接受激勵電價參與電網(wǎng)調(diào)度和不參與電網(wǎng)調(diào)度兩大類，電動汽車的充放電行為對負(fù)荷曲線的影響是指這兩大類電動汽車充放電行為的綜合特性。根據(jù)本章前面的分析，參與電網(wǎng)調(diào)度的電動汽車是指在一天中最后返回時刻選擇向電網(wǎng)放電，其放電行為特性符合圖7放電容量特性。反之，其充電行為符合圖6的負(fù)荷特性。假設(shè)以1 000輛電動汽車為例，1 000輛電動汽車中參與電網(wǎng)調(diào)度和不參與電網(wǎng)調(diào)度的這兩類電動汽車的比例為1∶3，則根據(jù)圖6～7中的數(shù)據(jù)，可以得到可以反映其最終充電情況的綜合特性曲線如圖8所示。

圖8 綜合特性曲線

從圖8可知，受電動汽車車主意愿、當(dāng)日行駛里程和激勵電價等因素的影響，使得部分電動汽車愿意參與削峰填谷，從而得到電動汽車的綜合特性曲線，從曲線可以看出，一部分電動汽車參與調(diào)度后，其充電功率在時間段19∶00—24∶00出現(xiàn)了峰值，時間段00∶00—07∶00也出現(xiàn)了一個小高峰。其余時間段，由于很少有電動汽車的充放電行為，故曲線數(shù)值很小且趨于平穩(wěn)。

5 電動汽車充放電對負(fù)荷曲線影響

為了分析電動汽車充放電對負(fù)荷曲線影響，采用如圖9所示的配電線路結(jié)構(gòu)進行模擬。假設(shè)該條線路只有1個電源點，89個負(fù)荷節(jié)點，其中39個是電動汽車充放電負(fù)荷節(jié)點，線路配變總?cè)萘?5 000 kVA。圖10是不參與調(diào)度和參與調(diào)度電動汽車的比例為1∶3的情況下，不同規(guī)模電動汽車充放電行為對日負(fù)荷曲線的影響。

圖9 配電線路結(jié)構(gòu)圖

圖10 不同規(guī)模電動汽車充放電行為對日負(fù)荷曲線的影響

圖10中不同規(guī)模電動汽車充放電行為對日負(fù)荷曲線的影響可以從3個時間段來分析：時間段09∶00—12∶00，不同規(guī)模電動汽車充放電行為對日負(fù)荷曲線沒有影響，原因是這個時間段電動汽車很少有充放電行為。時間段00∶00—07∶00，電動汽車的放電行為對負(fù)荷曲線起到了“填谷”的作用，且電動汽車的規(guī)模越大，效果越好。時間段17∶00—24∶00，電動汽車的充放電行為增加了日負(fù)荷曲線的峰值，且規(guī)模越大，峰值越大?？梢姡瑑H僅依靠激勵電價下調(diào)節(jié)電動汽車的充放電行為并不能使達到滿意的削峰填谷效果。

6 結(jié)語

建立電動汽車接入電網(wǎng)模型，介紹電力系統(tǒng)自然負(fù)荷曲線及其特點，分析電動汽車充放電行為對負(fù)荷曲線的影響，得出了電動汽車的無序充放電行為會增大配電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差的結(jié)論。算例表明如依靠激勵電價調(diào)節(jié)電動汽車的充放電行為，不能完全達到削峰填谷的目的。電動汽車的充放電行為增加了日負(fù)荷曲線的峰值，且規(guī)模越大，峰值越大。因此，針對電動汽車的充放電行為，需要進一步制定具體的調(diào)度策略，如聚類分區(qū)集中調(diào)度或者電動汽車通過分布式調(diào)度策略使電動汽車接入配電網(wǎng)參與調(diào)度，實現(xiàn)配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的削峰填谷。

［1］Srivastava A K，Annabathina B，Kamalasadan S.The challenges and policy options for integrating plug-in hybrid electric vehicle into the electric grid［J］.The Electricity Journal，2010，23（3）：83-91.

［2］熊腡成.基于多尺度空間的層次聚類的電動汽車優(yōu)化調(diào)度研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2013.

［3］王陸璐，熊一，石露，等.基于車流密度曲線的電動汽車充電站有功特性建模研究［C］.中國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第二十七屆學(xué)術(shù)年會論集，2011：1-5.

［4］孫鳳杰，尹國龍.電動汽車對配電系統(tǒng)負(fù)荷率影響的探討［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（13）：42-43，214.

Influence on the Load Curve of Distribution Network by Electric Vehicles

YANG Sisi
（Hunan Technical College of Water Resources and Hydropower，Changsha 410000，China）

Environmental degradation and depletion of resources and other issues have brought about severe challenge to sustainable development.Electric vehicles are one of the effective means to reconcile these contradictions.From the perspective of marketing，electric vehicles are becoming the next major transport in cities.For the distribution network，electric vehicles can be regarded as the distributed power sources when discharging and can be regarded as load when being recharged.Thus it is of crucial significance to analyze the influence on the distribution network load curve by disordered charge and discharge of large-scale electric vehicles.It is important both for scheduling policies of electric vehicles and for the realization of load shifting by means of the charging and discharging behavior of the electric vehicles.

distribution network；electric vehicles；charge and discharge behavior；load curve

TM910，TM714

B

1007－9904（2015）03－0053－04

2014-10-17

楊思斯（1983），女，講師，從事電氣工程類專業(yè)課程教學(xué)工作。