電動汽車充電設(shè)施接入對配套電網(wǎng)建設(shè)的影響

戴詠夏，劉敏

(1.國網(wǎng)杭州供電公司，杭州市 310009；2.杭州市電動汽車服務(wù)有限公司，杭州市 310012)

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電動汽車充電設(shè)施接入對配套電網(wǎng)建設(shè)的影響

戴詠夏1,2，劉敏1

(1.國網(wǎng)杭州供電公司，杭州市 310009；2.杭州市電動汽車服務(wù)有限公司，杭州市 310012)

電動汽車在減少化石燃料消耗和CO2排放方面有著重要的意義。越來越多的電動汽車接入電網(wǎng)，對電力系統(tǒng)配套電網(wǎng)及電能質(zhì)量將產(chǎn)生不可忽視的影響。通過分析充電設(shè)施接入配電網(wǎng)的典型方式，預(yù)判充電設(shè)施用電需求、電力負(fù)荷總量并分析電網(wǎng)接納能力，對比分析了居民區(qū)、公共停車場、公交專屬場站、出租車專屬場站等不同場景下充電負(fù)荷對原負(fù)荷的影響情況，進(jìn)而提出配套電網(wǎng)建設(shè)改造規(guī)劃的原則，為大規(guī)模電動汽車充電設(shè)施接入配套電網(wǎng)建設(shè)提供參考。

電動汽車；充電設(shè)施；充電負(fù)荷；配套電網(wǎng)

0 引 言

電動汽車作為新一代的交通工具，在節(jié)能減排、減少人類對傳統(tǒng)化石能源的依賴方面具備傳統(tǒng)汽車不可比擬的優(yōu)勢。國家及地方關(guān)于電動汽車的利好政策頻頻出臺，為電動汽車行業(yè)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。各地的新能源汽車充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)布局日趨完善。隨著未來電動汽車的普及，電動汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)充電，將對電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)及電能質(zhì)量產(chǎn)生不可忽視的影響。

電動汽車接入電網(wǎng)無疑將首先對電網(wǎng)的負(fù)荷特性產(chǎn)生影響。與其他的分布式電源類似，電動汽車的接入使電網(wǎng)從簡單的網(wǎng)絡(luò)變成了具有多電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，電動汽車的接入位置、容量以及運(yùn)行模式對配電網(wǎng)接入?yún)^(qū)域綜合負(fù)荷、電網(wǎng)增容改造都有較大的影響，因此對電動汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行全面、細(xì)致的研究，對電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行目標(biāo)的實現(xiàn)有著重要的意義。文獻(xiàn)[1]通過仿真實例及對不同價格機(jī)制下充電電費的測算，分析了規(guī)模充電設(shè)施接入對城市配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[2]將電動汽車負(fù)荷接入到某地區(qū)電網(wǎng)中進(jìn)行具體的算例仿真分析。文獻(xiàn)[3]研究了電動汽車充電模式對配電網(wǎng)負(fù)荷曲線波動特性的影響。文獻(xiàn)[4]分析了電動汽車對配電網(wǎng)電能質(zhì)量、配電網(wǎng)規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面的影響。文獻(xiàn)[5]分析了不同滲透率的電動汽車充電負(fù)荷對配電網(wǎng)負(fù)荷的影響及換電池充電方式不同比例下對配電網(wǎng)負(fù)荷的影響。文獻(xiàn)[6]研究了不同滲透率的電動汽車充電對配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度造成不同程度的影響。文獻(xiàn)[7]提出了大量充電設(shè)施可能改變傳統(tǒng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)和特性，影響配網(wǎng)規(guī)劃準(zhǔn)則及影響電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[8]提出了含新能源的主動配電系統(tǒng)規(guī)劃體系?？傊?，大規(guī)模電動汽車的充放電行為將給電網(wǎng)帶來較大影響[9]，而電動汽車的儲能特性也將為含可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供新的機(jī)遇。

電動汽車充電設(shè)施的規(guī)劃應(yīng)納入城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃、綜合交通規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、城市電網(wǎng)的建設(shè)與改造規(guī)劃等專項規(guī)劃。鑒于目前電動汽車的政策及充電設(shè)施的規(guī)劃尚未十分明確，有必要分析充電設(shè)施接入配電網(wǎng)的典型方式，預(yù)判充電設(shè)施用電需求、電力負(fù)荷總量及其分布，進(jìn)而分析電網(wǎng)接納能力，提出配套電網(wǎng)建設(shè)改造規(guī)劃的原則及配套項目規(guī)模。研究電動汽車充電設(shè)施的接入對配套電網(wǎng)建設(shè)的影響，可提高電動汽車充電設(shè)施的接入電能供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性，為電動汽車運(yùn)營提供可靠的電力供應(yīng)保障。

1 充電設(shè)施接入典型方式分析

電動汽車充電設(shè)施接入配電網(wǎng)主要有集中式充電站和分散式充電樁2種典型方式。充電樁分散分布，在接入條件許可的情況下，就近接入附近0.4 kV電網(wǎng)獲取工作電源。充電站可以分為專變接入和專線接入，專變接入直接將上級電源降壓10 kV后直接向充電站提供電能；專線接入則通過10 kV線路將充電站接入電網(wǎng)，同時，充電站站內(nèi)配置10/0.4 kV配電變壓器向充電機(jī)提供工作電源。電動汽車充電設(shè)施接入配電網(wǎng)典型方式如圖1所示。

圖1 電動汽車充電設(shè)施接入配電網(wǎng)典型方式

電動汽車充電設(shè)施的建設(shè)，首先會引入一定量的諧波，諧波的存在將影響充電設(shè)施附近居民的電能質(zhì)量，導(dǎo)致部分家用電器不可用或者可靠性降低，給當(dāng)?shù)鼐用駧砝_。其次，大量建設(shè)充電設(shè)施，必須考慮到轄區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)現(xiàn)有電力容量是否能夠支撐新建的充電設(shè)施容量，如不能則要升級配電容量。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃方面，需要充分考慮電動汽車充電負(fù)荷的時間和空間分布，權(quán)衡電網(wǎng)投資的經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)運(yùn)行的安全性[10]。

(1)充電站的充電機(jī)數(shù)量較小時對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量影響僅涉及變壓器臺區(qū)范圍，相對易于控制。但當(dāng)充電站規(guī)模較大時，對10 kV及以下配電網(wǎng)電能質(zhì)量將產(chǎn)生巨大影響。

(2)較大規(guī)模充電站產(chǎn)生的諧波對380 V母線電壓質(zhì)量影響較大，電壓畸變率嚴(yán)重，且注入380 V母線的5、7次諧波電流超標(biāo)，此類充電站不適宜于直接接入公共380 V母線。為避免對公用用戶的影響，宜采用專用變壓器供電，并采用較高電壓等級(10 kV)供電，與公用用戶隔離。

(3)充電站10 kV母線電壓質(zhì)量與充電站并網(wǎng)線路長度以及上級110 kV母線短路容量有關(guān)，宜采用較短線路接入短路容量較大的系統(tǒng)母線。對于產(chǎn)生諧波較高，且采用長線路接入短路容量較小的系統(tǒng)母線的充電站，其10 kV母線電壓質(zhì)量受充電站諧波影響較大，公共連接的10 kV母線諧波電壓畸變率超標(biāo)概率增大。對此情況可集中安裝濾波裝置，改善公共連接點電壓質(zhì)量。

(4)充電設(shè)施的諧波具有累積效應(yīng)，其設(shè)施規(guī)模越大，所產(chǎn)生的諧波越大，最終會導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴(yán)重下降，影響各種用電設(shè)備。故在建設(shè)初期應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與適用范圍，并加強(qiáng)設(shè)備的入網(wǎng)性能檢測。

2 充電設(shè)施接入影響分析

電動汽車本身具有以下特性：

(1)本質(zhì)上是用戶的交通代步工具，充電行為需要以滿足用戶出行為前提，即電動汽車的可用時間是有限的；

(2)充電行為在時間及空間上都具有不確定性，主要依托于城市規(guī)劃和社區(qū)建設(shè)。

這使得單輛電動汽車的充電行為在時間上的分布具有極大的隨機(jī)性。而隨著數(shù)量的增加，電動汽車充電行為特征將符合一定的概率模型[3]。本文選取居民區(qū)、公共停車場、公交專屬場站、出租車專屬場站等不同場景，進(jìn)行典型的電動汽車接入可行性及接納能力影響分析?？紤]到對于不同場景來說，充電負(fù)荷占該場景下總體用電負(fù)荷比例不同，因而在分析時設(shè)定充電負(fù)荷占不同比例。

2.1 居民區(qū)

居民區(qū)A位于文教片區(qū)，小區(qū)總戶數(shù)1 000戶，配變總?cè)萘? 500 kVA；居民區(qū)B位于商圈，小區(qū)總戶數(shù)3 876戶，配變總?cè)萘?3 460 kVA。假定戶均汽車保有量為0.85輛/戶，電動汽車占比分別為4%、10%和20%時，按照每輛電動汽車配1臺7 kW交流充電樁，所有電動汽車均同時充電，電動汽車充電負(fù)荷情況如表1所示?？梢姡?dāng)電動汽車占比達(dá)到4%、10%、20%時，居住區(qū)A的交流慢充負(fù)荷占比為4.33%、10.82%、21.64%；居住區(qū)B的交流慢充負(fù)荷占比為6.85%、17.13%、34.27%。

表1 居民區(qū)交流慢充方式電動汽車充電負(fù)荷情況

Table 1 EV charging load of residential area in AC slow charge mode

圖2給出了居住區(qū)B在無電動汽車接入的常規(guī)負(fù)荷、占比20%電動汽車負(fù)荷及在電動汽車負(fù)荷接入時的各時刻配電網(wǎng)綜合負(fù)荷。從圖中可以看出，在無序充電模式下，電動汽車峰荷在19：00—21:00 時段，充電負(fù)荷峰谷期與配套電網(wǎng)負(fù)荷峰谷期相近，疊加充電負(fù)荷后綜合負(fù)荷峰谷差進(jìn)一步加大。由此，當(dāng)報裝接電負(fù)荷超過配變?nèi)萘亢途€路輸送能力限制時，應(yīng)及時對該居住區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行增容改造。這對上級電網(wǎng)的要求以及建設(shè)條件，包括變壓器布點增容和線路路徑、電纜通道等，均需要充分論證。

圖2 20%電動汽車負(fù)荷對原負(fù)荷曲線的影響

2.2 公共停車場

公共停車場停車位500個，直流充電樁配1臺40 kW充電機(jī)，交流充電樁配1臺7 kW充電機(jī)，按照直流充電樁與交流充電樁比例分別為7:3考慮，同時假設(shè)電動汽車有不同占比10%、20%、30%，所有電動汽車均同時充電，電動汽車充電負(fù)荷情況如表2所示。由表可見，當(dāng)電動汽車占比達(dá)到10%、20%、30%時，充電負(fù)荷分別為1 505，3 010，4 515 kW。

表2 公共停車場不同占比電動汽車的充電負(fù)荷

Table 2 EV charging load with different proportion in public parking

圖3給出了充電負(fù)荷對公共停車場原負(fù)荷的影響。設(shè)定電動汽車占比30%時，從圖中可以看出，疊加充電負(fù)荷后，電網(wǎng)峰值增大7.3倍，對公共停車用電負(fù)荷有較大程度的影響。一般而言，公共建筑配建的停車場以專變供電，業(yè)主方以專變形式申請接電。如果現(xiàn)有開關(guān)站接納能力和容量裕度能夠滿足，考慮可能的就近接入；不能滿足，則需考慮局部配電網(wǎng)的增容改造。

圖3 公共停車場站負(fù)荷對原負(fù)荷曲線的影響

2.3 公交車專屬場站

根據(jù)某建設(shè)充電站報裝的用電數(shù)據(jù)顯示，公交車專屬場站配建充電樁規(guī)格為80 kW的充電機(jī)。先期建設(shè)4個充電站基本已經(jīng)完成落點，如表3所示?？梢姡?dāng)公交車充電站的充電樁配建數(shù)量達(dá)到40，50，150臺及300臺時，充電負(fù)荷分別為3 200，4 000，12 000 kW及24 000 kW。

圖4給出了充電負(fù)荷對公交車專屬場站原負(fù)荷曲線的影響，從當(dāng)日23:00開始，電動公交車陸續(xù)進(jìn)入充電狀態(tài)，充電持續(xù)時間長，所有車輛的整個充電

表3 不同規(guī)模公交車專屬場站充電負(fù)荷情況

Table 3 Charging load of exclusive bus stations in different scales

過程一般持續(xù)到次日凌晨6:00，充電負(fù)荷較為固定。以配建50臺充電樁為例，50臺充電樁一天之中最大充電負(fù)荷為4 000 kW，遠(yuǎn)大于公交車站自身用電負(fù)荷最大值47 kW，約為其85倍?？梢?，當(dāng)電動公交車規(guī)?；l(fā)展時，充電負(fù)荷將比公交車站自身負(fù)荷大得多。由此，單站報裝容量在10 000 kW以上的，電網(wǎng)接入相對困難。如果采用110 kV電壓等級接入電網(wǎng)，勢必大幅增加建設(shè)投資。

圖4 電動公交車負(fù)荷對原負(fù)荷曲線的影響

2.4 出租車專屬場站

出租車專屬場站配建充電樁規(guī)格為40 kW的充電機(jī)，考慮不同規(guī)模場站，所有電動汽車均同時充電，電動汽車充電負(fù)荷情況如表4所示。可見，當(dāng)出租車充電樁配建數(shù)量達(dá)到30，40臺及50臺時，充電負(fù)荷分別為1 200，1 600 kW及2 000 kW。

表4 不同規(guī)模出租車專屬場站充電負(fù)荷情況

Table 4 Charging load of exclusive taxi stations in different scales

圖5給出了充電負(fù)荷對出租車專屬場站原負(fù)荷曲線的影響，設(shè)定接入充電樁50臺，從圖中可以看出，疊加充電負(fù)荷后，電網(wǎng)峰值增大5.6倍，對出租車專屬場站用電負(fù)荷有較大程度的影響。由此，該類設(shè)施考慮專變接入就近開關(guān)站。

圖5 出租車場站負(fù)荷對原負(fù)荷曲線的影響

3 配套電網(wǎng)建設(shè)與改造規(guī)劃原則

原有或新建住宅小區(qū)停車庫、原有或新建公共停車庫配建充電樁，建設(shè)獨立或大型充電設(shè)施等應(yīng)該遵循一定的建設(shè)與改造原則。

(1)原有住宅小區(qū)停車庫新添充電樁的改造。在電動汽車規(guī)?；瘧?yīng)用的初級階段，原有住宅小區(qū)停車庫新添充電樁的改造基本可接入充電設(shè)施。但當(dāng)報裝接電負(fù)荷超過配變?nèi)萘亢途€路輸送能力限制時，應(yīng)及時對該居住區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行增容改造。由業(yè)主委員會或物管公司統(tǒng)一申請，供電企業(yè)的專業(yè)人員進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)評估，嚴(yán)禁個別住戶私自亂接，出現(xiàn)電器設(shè)備超載、故障、火災(zāi)等；要求每個充電樁能進(jìn)行獨立計量，若不能單獨計量，不得拒絕合表用電；對應(yīng)的公共變電所(可能增容)考慮該部分的電壓及諧波監(jiān)測，保證滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；享受峰谷電價，運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段，調(diào)節(jié)用電負(fù)荷；改造出資費用按照國家或行業(yè)規(guī)定辦理；原則上采用小區(qū)住宅公變低壓供電。

(2)新建住宅小區(qū)停車庫充電樁的配置。新建住宅小區(qū)建委和規(guī)劃局在批復(fù)中，應(yīng)明確停車庫充電樁作為一個獨立系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及布局，原則上采用小區(qū)住宅公變低壓供電，適用范圍為市區(qū)。

(3)原有公共停車庫新添充電樁的改造。在電動汽車規(guī)?；瘧?yīng)用的初級階段，原有公共停車庫新添充電樁的改造基本可接入充電設(shè)施。但當(dāng)報裝接電負(fù)荷超過配變?nèi)萘亢途€路輸送能力限制時，應(yīng)及時對該區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行增容改造。要求資產(chǎn)單位統(tǒng)一申請，并由專業(yè)人員進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)評估，嚴(yán)禁私自亂接，出現(xiàn)電器設(shè)備各類故障等；原則上設(shè)置一個計量單元；對應(yīng)的專用變電所(有增容)考慮該部分的電壓及諧波監(jiān)測，保證滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

(4)新建公共停車庫充電樁的配置。建設(shè)委員會和規(guī)劃局在批復(fù)中，應(yīng)明確停車庫充電樁作為一個獨立系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及布局，原則上采用專用變電所10 kV供電。

(5)獨立或大型充電設(shè)施。獨立或大型充電設(shè)施，如出租車、郵政、物流、環(huán)衛(wèi)等專用車，政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位和公共建筑配建的充電設(shè)施，采用專用變電所供電，并進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測，保證滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；接入電壓等級遵循國網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；大型充電設(shè)施應(yīng)進(jìn)行供電可靠性評估；大型充電設(shè)施接入會引起電網(wǎng)電氣改造，需提前進(jìn)行規(guī)劃立項，落實資金計劃。

公交部門宜先行研究制定“電動公交車推廣應(yīng)用及專屬充電設(shè)施規(guī)劃方案”，進(jìn)而深化與電網(wǎng)現(xiàn)狀和規(guī)劃的銜接。公交專屬充電站適宜“中等容量、適量布點”，單站用電規(guī)模控制在3 000 kW為宜，實現(xiàn)就近開關(guān)站接入。

(6)充電設(shè)施的規(guī)劃與實施。充電設(shè)施的規(guī)劃應(yīng)列入城市發(fā)展規(guī)劃，并結(jié)合城市電力發(fā)展規(guī)劃，需分年度、有步驟地實施；充電設(shè)施的實施應(yīng)緊密結(jié)合城市電網(wǎng)的建設(shè)，做到“變電容量增加多少，充電設(shè)施容量開放多少”，使充電設(shè)施發(fā)展與電網(wǎng)發(fā)展和諧統(tǒng)一，以最大能力支持新能源汽車的發(fā)展。此外，可鼓勵新能源汽車在電網(wǎng)用電低谷時段充電，充電設(shè)施用電執(zhí)行峰谷分時電價政策，提高電力系統(tǒng)利用效率，降低充電成本。

4 結(jié) 論

電動汽車充電設(shè)施規(guī)劃布局過程中，在充電設(shè)施配套電網(wǎng)建設(shè)與改造方面，政府規(guī)劃相關(guān)部門與供電公司之間有必要深度銜接，建議供電公司在電動汽車充電設(shè)施業(yè)擴(kuò)報裝的技術(shù)規(guī)范、管理原則及電網(wǎng)規(guī)劃等方面掌握話語權(quán)，彰顯運(yùn)營重點。本文通過分析接入配套電網(wǎng)的影響，重點研究了居民區(qū)、公共停車場、公交專屬場站、出租車專屬場站等不同場景下電動汽車接入的可行性，對比分析了不同場景下充電負(fù)荷對原負(fù)荷的影響情況。結(jié)果顯示，隨著電動汽車充電設(shè)施規(guī)?；慕ㄔO(shè)應(yīng)用，充電負(fù)荷對電網(wǎng)的影響逐漸增大，其中電動公交車專屬場站負(fù)荷對電網(wǎng)的影響相對固定，而其他充電樁負(fù)荷疊加在電網(wǎng)負(fù)荷上具有一定的隨機(jī)性。不同場景下電動汽車充電設(shè)施接入，可通過相應(yīng)的專變接入和專線接入來實現(xiàn)，同時應(yīng)加強(qiáng)充電設(shè)備的入網(wǎng)性能檢測。

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戴詠夏 (1985)，男，碩士，工程師，主要從事電動汽車充換電運(yùn)營研究工作；

劉敏 (1986)，女，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)變電運(yùn)行研究工作。

(編輯： 劉文瑩)

Impact of Electric Vehicle Charging Integration on Distribution Network Construction

DAI Yongxia1,2, LIU Min1

(1.State Grid Hangzhou Power Supply Company, Hangzhou 310009, China;2.Hangzhou Electric Vehicle Service Co. Ltd., Hangzhou 310012, China)

Electric vehicles provide a significant opportunity for reducing the consumption of fossil energy and the emission of carbon dioxide. With more and more electric charging facility integrated in the power systems, the impact on the power system distribution network and power quality cannot be ignored now. This paper analyzes the typical mode of charging infrastructure integrating to the distribution network，the prediction of the power demand and power load of the charging infrastructure, and the acceptance ability of power grid. The influence of charge load in different scenarios is analyzed, including residential areas, public parking, exclusive bus stations and exclusive taxi stations, and then the principles of power grid construction planning are proposed, which will provide references to large-scale electric vehicle charging facility integrating to distribution network.

electric vehicle; charging infrastructure; charging load; distribution network

TM 910.6

A

1000-7229(2015)07-0089-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.07.012

2015-04-21

2015-06-09