電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

連恒輝，萬凌云，劉洪，屈高強(qiáng)

(1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市 300072；2. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶市400022；3. 國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，銀川市 750002)

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電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

連恒輝1，萬凌云2，劉洪1，屈高強(qiáng)3

(1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市 300072；2. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶市400022；3. 國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，銀川市 750002)

隨著電動(dòng)汽車數(shù)目的迅速增長，大量電動(dòng)汽車的充放電行為會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的規(guī)劃帶來較大的影響。合理利用電動(dòng)汽車的充放電行為，使其服務(wù)配電網(wǎng)的統(tǒng)籌規(guī)劃將是未來研究的重點(diǎn)。電動(dòng)汽車的類型、數(shù)量、充電模式以及政府關(guān)于電動(dòng)汽車的相關(guān)政策會(huì)使電動(dòng)汽車對(duì)配電網(wǎng)的影響發(fā)生變化，為此首先介紹了以上影響因素，在此基礎(chǔ)上分析了電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響及其合理利用，最后提出了電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃和適應(yīng)電動(dòng)汽車接入的配電網(wǎng)規(guī)劃方面的建議。

電動(dòng)汽車；充放電；配電網(wǎng)規(guī)劃；削峰填谷

0 引 言

隨著化石能源的過度消耗，全球能源危機(jī)不斷加劇，環(huán)境破壞愈發(fā)嚴(yán)重[1]。在自然資源緊張和環(huán)境污染加劇的雙重壓力下，在城市交通系統(tǒng)的節(jié)能減排方面具有優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)汽車受到了人們關(guān)注。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，電動(dòng)汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用必將成為未來城市交通系統(tǒng)的重要特征，是解決城市環(huán)境問題的最有效途徑[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在世界各國每年消耗的石油和天然氣等一次能源超過了30億t，隨著各國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)一次能源的需求進(jìn)一步加大，全球面臨能源危機(jī)的威脅。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車是石油的消耗大戶，每年消耗的石油占總量的30%以上。由于原油等一次能源的短缺，使得汽車行業(yè)需要積極尋找更為有效的解決辦法，電動(dòng)汽車的研發(fā)推廣越來越受到重視。同時(shí)，有資料顯示，城市中20%～30%的PM 2.5是由汽車尾氣產(chǎn)生的，并有高達(dá)80%的噪聲污染源來自傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車。由于電動(dòng)汽車具有零尾氣排放和極低的噪聲污染等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因而發(fā)展電動(dòng)汽車對(duì)于提高城市空氣質(zhì)量、降低城市污染水平具有極其重要的意義。

在全球倡導(dǎo)節(jié)能、環(huán)保的大環(huán)境下，美、日、歐以及中國在汽車技術(shù)與電網(wǎng)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域正在不斷地對(duì)電動(dòng)汽車的應(yīng)用和推廣進(jìn)行探索，也相繼出臺(tái)了一系列計(jì)劃和政策來積極推動(dòng)本國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[3]。在眾多因素的影響和推動(dòng)下，電動(dòng)汽車的數(shù)量將迅速增加[4]。據(jù)工業(yè)和信息化部電動(dòng)汽車發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告預(yù)測(cè)，到2030年我國電動(dòng)汽車保有量將達(dá)到6 000萬輛[5]。對(duì)于接入大規(guī)模電動(dòng)汽車的配電網(wǎng)而言，無論電動(dòng)汽車采用何種充電方式，其運(yùn)行都必然受到一定的影響[6]。

本文將從電動(dòng)汽車充放電特征的影響因素、在電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)揮的作用、電動(dòng)汽車充放電的合理利用方式、電動(dòng)汽車充放電設(shè)施規(guī)劃等方面出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃工作提出相應(yīng)建議。

1 影響電動(dòng)汽車負(fù)荷的主要因素

電動(dòng)汽車負(fù)荷的影響因素主要包括電動(dòng)汽車的類型、數(shù)量、充電方式和政府的相關(guān)政策等[7]。

1.1 電動(dòng)汽車的類型

對(duì)于不同類型的電動(dòng)汽車，其充電方式、充電起止時(shí)刻、充電時(shí)長和充電特性都是不同的?；谄嚨牟煌鐣?huì)功用，可將電動(dòng)汽車分為電動(dòng)公交車、電動(dòng)公務(wù)車、電動(dòng)私家車、電動(dòng)出租車等不同車型[8]，各類電動(dòng)汽車的行為與充電特征如下。

(1)電動(dòng)公交車的行駛路線確定，每天的行駛里程數(shù)可以準(zhǔn)確預(yù)估。因此電動(dòng)公交車每天的電能需求量大體一致，在一天中的不同時(shí)刻，電動(dòng)公交車所處的位置和剩余電量均可提前計(jì)算出來[9]，所以，其充電位置、充電時(shí)刻和充電時(shí)長均可預(yù)知。

(2)電動(dòng)出租車每天的行駛路線雖然不同，但是統(tǒng)一化管理的電動(dòng)出租車，每天的運(yùn)營時(shí)間是可以預(yù)估的，因此在一天中的不同時(shí)刻，電動(dòng)出租車的剩余電量可以提前預(yù)知[10]，所以其充電時(shí)刻和充電時(shí)長也可以預(yù)估。

(3)電動(dòng)私家車和電動(dòng)公務(wù)車每天行駛路線和行駛里程的不確定性相對(duì)較大，其起始充電時(shí)刻和充電時(shí)長也難以預(yù)知，但是它們的充電位置卻相對(duì)比較固定[11-12]。

此外，不同類型電動(dòng)汽車充電的電流、電壓和充電功率均不相同。研究表明，電動(dòng)汽車的功率越大，其充電所需的時(shí)間就越長，故而，電動(dòng)汽車的無序充電對(duì)配電網(wǎng)造成的影響就越大[13]。

1.2 電動(dòng)汽車的充電模式

通常，電動(dòng)汽車充電模式主要包括3種，分別為常規(guī)充電模式、快速充電模式和電池更換模式。

(1)常規(guī)充電模式。常規(guī)充電模式是應(yīng)用最為廣泛和便捷的充電模式。常規(guī)充電主要包括以下2種途徑：一是在居民小區(qū)和停車場(chǎng)建設(shè)交流充電樁，電動(dòng)汽車在此充電；二是電動(dòng)汽車?yán)闷胀ň用裼脩舻牟遄M(jìn)行充電。常規(guī)充電的設(shè)備比較簡(jiǎn)易，建設(shè)成本相對(duì)較低，易于實(shí)現(xiàn)分散布置。但是，由于常規(guī)充電模式的充電電壓低，功率一般為2～10 kW，因此充電時(shí)間通常需要5～10 h。這就決定了常規(guī)充電模式下電動(dòng)汽車的充電需求具有一定的隨機(jī)性[13]。目前，除電動(dòng)出租車外，其他種類的電動(dòng)汽車均可采用常規(guī)充電的方式對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行電能補(bǔ)給。

(2)快速充電模式?？焖俪潆娔Ｊ绞侵鸽妱?dòng)汽車借助快充設(shè)備利用較短的時(shí)間(通常為20～80 min)即可實(shí)現(xiàn)電量補(bǔ)充的充電方式[14]。充電狀態(tài)下，設(shè)備電流較高(通常可以達(dá)到300～400 A)。另一方面，由于充電站中設(shè)備的數(shù)量在一定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生變化，相應(yīng)地，峰值充電負(fù)荷也是恒定的，即便考慮到某些時(shí)刻部分充電機(jī)可能空閑的情況，整個(gè)充電站仍然是一個(gè)可預(yù)測(cè)的負(fù)荷。目前，國內(nèi)外的電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠家眾多，不同類型、品牌、型號(hào)的電動(dòng)汽車所使用的電池類型不同，這集中體現(xiàn)在電動(dòng)私家車和電動(dòng)公務(wù)車上[15]。因此，電動(dòng)私家車和電動(dòng)公務(wù)車可采用快速充電模式進(jìn)行電能補(bǔ)給。

(3)電池更換模式。換電池更換模式是指在蓄電池即將用盡的情況下電動(dòng)汽車到相應(yīng)的場(chǎng)站將其更換為電量充足蓄電池組的電能補(bǔ)給方式。對(duì)于電池更換站而言，可以對(duì)更換下來的電池進(jìn)行就地充電，也可以將它們統(tǒng)一收集并運(yùn)送到專門的場(chǎng)所進(jìn)行集中充電，在此形勢(shì)下，電池的充電功率與持續(xù)時(shí)間均可被有效控制，因而換電池模式對(duì)電網(wǎng)的影響通常在預(yù)期范圍之內(nèi)[16]。若能夠通過一定的電價(jià)政策使得充電時(shí)間集中在負(fù)荷低谷時(shí)段，還可以輔助電網(wǎng)負(fù)荷的削峰填谷。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)蓄電池的合理利用均有研究。文獻(xiàn)[17]提出了一種考慮動(dòng)力電池階梯利用的快速充電站儲(chǔ)能容量優(yōu)化配置方法，建立了梯級(jí)利用儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益模型，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池價(jià)值延伸，并在一定程度上解決電池充電引起的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題。與此同時(shí)，也有一些針對(duì)老化蓄電池應(yīng)用的設(shè)想，希望藉此實(shí)現(xiàn)電能的集中存儲(chǔ)和利用[18]。我國的電動(dòng)公交車和電動(dòng)出租車多為公司化的統(tǒng)一管理，同一城市的電動(dòng)公交車或電動(dòng)出租車所使用的電池便于采用統(tǒng)一的類型。因此，電動(dòng)公交車和電動(dòng)出租車可采用電池更換模式進(jìn)行電能補(bǔ)給。

1.3 電動(dòng)汽車的數(shù)量

電動(dòng)汽車的數(shù)量多少將直接決定著新增負(fù)荷量的大小，進(jìn)而決定了對(duì)配電網(wǎng)的影響程度。電動(dòng)汽車的科研技術(shù)水平、相關(guān)國家政策的制定與實(shí)施，以及人們對(duì)電動(dòng)汽車的接納程度等，均直接影響到電動(dòng)汽車的應(yīng)用規(guī)模。其中，對(duì)電動(dòng)汽車數(shù)量影響最大的當(dāng)屬電動(dòng)汽車的技術(shù)水平。當(dāng)電動(dòng)汽車的技術(shù)相對(duì)完善時(shí)，電動(dòng)汽車將有較低的市場(chǎng)價(jià)格，有助于電動(dòng)汽車數(shù)量的增長，占有較高的汽車市場(chǎng)份額，繼而對(duì)配電網(wǎng)的影響也較大[19]。

1.4 政府的相關(guān)政策

大量電動(dòng)汽車的無序充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大的影響，因此由政府引導(dǎo)的電動(dòng)汽車有序充電將發(fā)揮十分重要的作用。政府制訂的引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充電的激勵(lì)型政策主要是借助電動(dòng)汽車的移動(dòng)儲(chǔ)能特性，利用電價(jià)等經(jīng)濟(jì)手段來引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶參與電網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削峰填谷[20]。相應(yīng)的激勵(lì)型政策主要有以下2種。

(1)錯(cuò)峰優(yōu)惠政策。錯(cuò)峰優(yōu)惠政策主要是指，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處于高峰時(shí)，電網(wǎng)可以通知電動(dòng)汽車用戶(通常提前的時(shí)間較短)并終止電動(dòng)汽車的充電狀態(tài)。與此同時(shí)，電網(wǎng)也需要付給用戶一定的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。另外，電網(wǎng)運(yùn)行方還通過制定分時(shí)電價(jià)政策，引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶在負(fù)荷峰值時(shí)減少充電量，在負(fù)荷谷值時(shí)增加充電量，達(dá)到削峰填谷的作用[21]。

(2)電量回購政策。電量回購政策主要是指，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷處于高峰時(shí)，電網(wǎng)以相對(duì)較高的價(jià)格收購電動(dòng)汽車電池內(nèi)余存的電量。若實(shí)施得當(dāng)，不僅可以減少負(fù)荷高峰時(shí)段的電動(dòng)汽車充電需求，還可能充分發(fā)揮電動(dòng)汽車的移動(dòng)儲(chǔ)能特性，為不同區(qū)域的電網(wǎng)分擔(dān)高峰負(fù)荷的供電任務(wù)[22]，從而減少電網(wǎng)的建設(shè)需求。對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行方而言，與錯(cuò)峰優(yōu)惠相比，電量回購政策的主動(dòng)性更強(qiáng)，也對(duì)電動(dòng)汽車電池放電技術(shù)有一定程度的依賴。

2 電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響

隨著電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車將會(huì)大規(guī)模進(jìn)入人民生活，電動(dòng)汽車的數(shù)量將迅速增加。與此同時(shí)，大量的大功率集中充電站以及廣泛分布在各類停車場(chǎng)所的交流充電樁將跟隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展而建立起來，逐步形成完善的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)。廣泛分布的電動(dòng)汽車必將成為未來電網(wǎng)中的新型重要負(fù)荷[23]，受居住空間與行駛行為的影響，具備一定隨機(jī)性的電動(dòng)汽車在充放電的過程中也將對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不可預(yù)知的影響，具體表現(xiàn)在電能質(zhì)量、負(fù)荷特性和調(diào)度控制等方面。

2.1 對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

汽車為人類的生活提供了便利，電動(dòng)汽車若想在一定程度上替代傳統(tǒng)的燃料汽車，必須能夠?qū)崿F(xiàn)電能量的快速補(bǔ)充，如采用快充方式，則單臺(tái)電機(jī)的充電功率便可能達(dá)到數(shù)十 kW以上[23]。多個(gè)快速充電樁同時(shí)工作所產(chǎn)生的功率沖擊將導(dǎo)致配電網(wǎng)局部過負(fù)荷，進(jìn)而影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，由于電動(dòng)汽車采用大量非線性的電力電子型設(shè)備進(jìn)行雙向變流充放電操作，因而充電時(shí)直流電流將會(huì)在交流的三相之間不斷換相，所產(chǎn)生的諧波污染會(huì)對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量造成不利影響[24]，如電壓偏差、頻率波動(dòng)、功率損耗等。

2.2 對(duì)負(fù)荷曲線的影響

未經(jīng)引導(dǎo)與制約的電動(dòng)汽車的充電行為將呈現(xiàn)自然的無序狀態(tài)，在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)“峰上加峰”的現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性[25]。受電價(jià)政策的影響，當(dāng)前我國電網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差較高，應(yīng)當(dāng)對(duì)未來廣泛應(yīng)用的電動(dòng)汽車施加引導(dǎo)，避免加劇峰谷負(fù)荷之間的差距。

2.3 對(duì)配電網(wǎng)調(diào)度控制的影響

電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有較大的隨機(jī)性，主要表現(xiàn)在電動(dòng)汽車用戶用車行為、充電時(shí)間與空間分布具有較強(qiáng)的不確定性，這將在一定程度上增加電網(wǎng)的控制難度。傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用了無源的輻射狀結(jié)構(gòu)，運(yùn)行調(diào)度相對(duì)簡(jiǎn)便，電動(dòng)汽車的移動(dòng)儲(chǔ)能特性將影響調(diào)度員負(fù)荷預(yù)測(cè)工作的準(zhǔn)確性，配電的調(diào)度過程也隨之發(fā)生較大變化，進(jìn)而導(dǎo)致監(jiān)控與調(diào)度的難度有所增加[26]。

3 電動(dòng)汽車充放電特性的合理利用

電動(dòng)汽車的充放電會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生眾多影響，但是合理利用其特有的充放電特性，可以對(duì)配電網(wǎng)起到削峰填谷、消納新增能源、調(diào)峰調(diào)頻等作用。

3.1 削峰填谷

電動(dòng)汽車的無序充放電會(huì)加大負(fù)荷曲線的峰谷差率，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行帶來較大的隱患。因此，電動(dòng)汽車的有序充放電是近幾年電動(dòng)汽車領(lǐng)域研究中十分重要的部分?；陔娋W(wǎng)原有負(fù)荷特性的分析，綜合運(yùn)用技術(shù)經(jīng)濟(jì)手段來引導(dǎo)電動(dòng)汽車的充電行為，避開電網(wǎng)負(fù)荷需求的峰值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的有序充電和電網(wǎng)負(fù)荷的削峰填谷[27]。

電動(dòng)汽車有序充電的引導(dǎo)應(yīng)遵循如下原則：①應(yīng)首先考慮滿足電動(dòng)汽車用戶的充電總電量需求，不應(yīng)因相關(guān)引導(dǎo)措施的施行而影響到電動(dòng)汽車用戶的正常使用[28]；②電動(dòng)汽車有序充電的引導(dǎo)政策應(yīng)具備相當(dāng)?shù)暮侠硇?，不能影響電?dòng)汽車的應(yīng)用與推廣[29]；③電動(dòng)汽車有序充電的引導(dǎo)措施不應(yīng)造成電網(wǎng)運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)損失。

國家以及相關(guān)部門通過制定相關(guān)政策，積極引導(dǎo)電動(dòng)汽車的有序充放電，使電動(dòng)汽車用戶能夠選擇在負(fù)荷低谷時(shí)段充電，甚至在V2G(vehicle-to-grid)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提下能夠“谷充峰放”，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷削峰填谷，進(jìn)而提高電網(wǎng)的負(fù)荷率與設(shè)備的利用效率，在保證供電可靠性的前提下，延緩電網(wǎng)新建與增容，減少投資成本。

3.2 消納新增能源

風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電入網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的功率波動(dòng)，當(dāng)大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)時(shí)，會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生造成較大功率波動(dòng)，這會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重的將危害電網(wǎng)的正常運(yùn)行，影響供電的可靠性[30]。電動(dòng)汽車作為一種新式負(fù)荷，借助其隨時(shí)性、靈活性的充電特性，可以用來平抑風(fēng)、光等間歇式新能源入網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成的功率波動(dòng)，消納新能源出力。

運(yùn)用電動(dòng)汽車的有序充電，來消納新增能源出力，可以分成以下4個(gè)步驟進(jìn)行：①提出考慮新增能源的不確定性負(fù)荷曲線的評(píng)估方法[31]；②電網(wǎng)部門通過制定需求側(cè)的激勵(lì)政策(比如電量回購、錯(cuò)峰優(yōu)惠等)，引導(dǎo)電動(dòng)汽車有序充電[32]；③根據(jù)預(yù)估的新增能源出力曲線，確定每一時(shí)刻應(yīng)當(dāng)接入的電動(dòng)汽車的數(shù)量[33]；④確定下一時(shí)刻應(yīng)當(dāng)開始或結(jié)束電動(dòng)汽車的充電數(shù)量，以使得實(shí)際的負(fù)荷曲線峰谷差最優(yōu)[34]。

通過利用大規(guī)模的電動(dòng)汽車入網(wǎng)充電，協(xié)調(diào)控制電動(dòng)汽車的充電過程來減小其對(duì)電網(wǎng)的影響，并利用電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能特性消納新能源出力。

3.3 電網(wǎng)調(diào)頻

電動(dòng)汽車的有序充放電不僅能夠起到調(diào)峰的作用，還能通過改變整體的充電功率，在必要時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，一般通過控制、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出力狀態(tài)和出力水平，對(duì)系統(tǒng)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。在國家大力發(fā)展智能電網(wǎng)的大背景下，通過充電負(fù)荷控制也可以達(dá)到類似效果。此外，負(fù)荷控制比發(fā)電機(jī)控制的響應(yīng)速度更快，響應(yīng)特性也更加靈活，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的快速頻率調(diào)節(jié)。另外，電動(dòng)汽車電池充放電的快速響應(yīng)能力能夠極大地緩解常規(guī)機(jī)組的調(diào)頻負(fù)擔(dān)，在一定程度上減少傳統(tǒng)調(diào)頻電廠的投資，充分挖掘了電動(dòng)汽車充放電對(duì)電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的作用[36]。

4 電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃

完善的充放電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的電能來源，也是配電網(wǎng)的重要負(fù)荷，因此，電動(dòng)汽車充電站的規(guī)劃是配電網(wǎng)規(guī)劃中重要組成部分。在開展電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。

(1)要對(duì)區(qū)域內(nèi)的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算分析[37]，在保證供電安全性的前提下，滿足區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車的充電需求，在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的規(guī)劃研究。

(2)充電站的數(shù)量與交通密度密不可分[38]。在城市道路中，電動(dòng)汽車的行駛方向不確定，行駛路線不可預(yù)估，因此，充電站網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)考慮區(qū)域電動(dòng)汽車的交通密度[39]。如，在高速公路上，車輛只能單向行駛，若需要充電則只能首先行駛到前方距離最近的充電站，并且2個(gè)方向上的車流之間互不產(chǎn)生影響，因此充電站的數(shù)量僅需考慮1個(gè)方向的車流密度即可。

(3)充電站的分布應(yīng)符合充電站服務(wù)半徑要求。加油站和充電站兩者作為能源供給站，有很多共同點(diǎn)。加油站的規(guī)劃分布理論已經(jīng)很成熟，因此，在考慮充電站的規(guī)劃時(shí)，可以參考加油站的規(guī)劃理論，結(jié)合電動(dòng)汽車自身的行駛特征以及各區(qū)域的服務(wù)半徑，按實(shí)際需求來設(shè)定。

(4)充電站的規(guī)劃應(yīng)滿足城市總體規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃要求[40]。充電站的布點(diǎn)應(yīng)結(jié)合地區(qū)建設(shè)規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃，以網(wǎng)點(diǎn)總體布局規(guī)劃為宏觀規(guī)劃的主要依據(jù)，經(jīng)過對(duì)布局地點(diǎn)及其周圍區(qū)域規(guī)劃選址方案的綜合比較，確定站址并設(shè)置用地。

(5)充電站的規(guī)劃還應(yīng)考慮投資的經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)因素包括2個(gè)主體：充電站建設(shè)者和充電用戶。從充電站建設(shè)者的角度來看，主要包括投資建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本2個(gè)方面。從充電用戶的角度來看，主要是指充電過程中電能消耗和等待時(shí)間損失。因此，在考慮經(jīng)濟(jì)性因素時(shí)，應(yīng)當(dāng)權(quán)衡兩個(gè)主體的費(fèi)用，使經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

因此，在充電站規(guī)劃方面，需要基于電動(dòng)汽車所有者的駕駛行為、充電行為以及交通信息與現(xiàn)有配電網(wǎng)信息等多方面因素，充分分析電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空分布特性，進(jìn)而將充電站運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性、接入網(wǎng)投資經(jīng)濟(jì)性、電網(wǎng)運(yùn)行的安全性等多個(gè)方面進(jìn)行綜合權(quán)衡[41]，以期實(shí)現(xiàn)充電設(shè)施的合理分布。

5 考慮電動(dòng)汽車接入的配電網(wǎng)規(guī)劃

5.1 電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響

電動(dòng)汽車作為一種隨機(jī)負(fù)荷，將影響配電網(wǎng)的整體負(fù)荷特征，增加了負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度，也影響了配電網(wǎng)變電站規(guī)劃和網(wǎng)架規(guī)劃的準(zhǔn)確性[42]。同時(shí)，電動(dòng)汽車在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)的放電行為起到了分布式電源的作用，因此將對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃中的配電容量設(shè)置、配電線路選型等環(huán)節(jié)產(chǎn)生較大的影響，而電動(dòng)汽車數(shù)量龐大、移動(dòng)性和分散性高的特點(diǎn)等則加劇了影響效果。

(1)對(duì)變電站的選址定容的影響。變電站選址定容是配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)。在考慮V2G技術(shù)的情況下，利用電動(dòng)汽車的放電特性，采取余量上網(wǎng)模式，在一定程度上也可以抵消部分負(fù)荷需求，變電站的直供負(fù)荷空間預(yù)測(cè)將發(fā)生變化[43]。若同時(shí)充電的電動(dòng)汽車數(shù)目過大，則變電站將發(fā)生過載現(xiàn)象。若在某1個(gè)變電站服務(wù)半徑內(nèi)充電的電動(dòng)汽車的數(shù)量過少，則會(huì)浪費(fèi)所規(guī)劃的變電站的容量[44]。因此電動(dòng)汽車接入后不僅增加了負(fù)荷點(diǎn)的負(fù)荷值，同時(shí)增加了各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的不確定性，對(duì)變電站選址定容造成了嚴(yán)重的影響。

(2)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響。含電動(dòng)汽車的新型配電系統(tǒng)的網(wǎng)架規(guī)劃與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)網(wǎng)架規(guī)劃相比，由于電動(dòng)汽車具有充放電雙重特性，相當(dāng)于一定程度上抵消了部分區(qū)域負(fù)荷，因此網(wǎng)架規(guī)劃涉及的規(guī)劃數(shù)據(jù)均發(fā)生了較大變化；同時(shí)考慮到新型配電系統(tǒng)中電動(dòng)汽車充放電的時(shí)間、地點(diǎn)不確定，因此對(duì)規(guī)劃過程中的出線回?cái)?shù)、線路選型和線路走廊等方面均有所影響[45]。

首先，電動(dòng)汽車的接入增加了負(fù)荷的隨機(jī)性，這在很大程度上影響了出線回?cái)?shù)的預(yù)估計(jì)，增加了規(guī)劃投資[46]。同時(shí)，在新型配電系統(tǒng)中，考慮多電源點(diǎn)情況下饋線中存在雙向潮流，并且隨著天氣條件的變化，電動(dòng)汽車的電能需求有很大范圍的波動(dòng)，對(duì)各段線路的線徑需求變得復(fù)雜，進(jìn)而影響線路選型[47]。另外，對(duì)于大量電動(dòng)汽車接入的配電網(wǎng)，供電范圍內(nèi)的負(fù)荷密度會(huì)有差距，這就會(huì)使配電網(wǎng)的線路走廊發(fā)生變化[48]。

5.2 考慮電動(dòng)汽車接入的配電網(wǎng)規(guī)劃建議

負(fù)荷的位置、大小的不確定性給變電站選址定容帶來巨大的困難。在進(jìn)行變電站選址定容時(shí)，要充分考慮電動(dòng)汽車充電設(shè)施的分布和功率大小，變電站的總?cè)萘繎?yīng)能夠滿足變電站供電區(qū)域內(nèi)用電負(fù)荷的需要，避免主變變壓器長期處于輕載或重載的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，為了增加供電的可靠性，在電動(dòng)汽車充電設(shè)施密度較大的區(qū)域，可以適量增加備用容量的儲(chǔ)備[49]。此外，變電站的選址還要處理好城市未來布局發(fā)展和全局發(fā)展的關(guān)系，統(tǒng)一布局,合理布點(diǎn)。

考慮電動(dòng)汽車的大量接入，在進(jìn)行配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃時(shí)，應(yīng)在滿足負(fù)荷需求的前提下，適當(dāng)減少出線以節(jié)約出線間隔。新型配電系統(tǒng)中的饋線線路選型應(yīng)全面考慮配電網(wǎng)可能出現(xiàn)的多種運(yùn)行方式，對(duì)各段線路分別計(jì)算，從而確定整條饋線的最大需求，最后確定線路選型?？傊?，網(wǎng)架規(guī)劃是在計(jì)及變電站站址規(guī)劃的同時(shí)，考慮到各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的實(shí)際位置，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)投資，使其在滿足所有負(fù)荷的安全可靠供電的前提下，使投資最小。電動(dòng)汽車負(fù)荷的流動(dòng)性為考慮其接入的網(wǎng)架規(guī)劃也帶來了很大的不確定性。因而，在網(wǎng)架規(guī)劃與設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮到電動(dòng)汽車負(fù)荷對(duì)網(wǎng)架規(guī)劃的影響，補(bǔ)充網(wǎng)架規(guī)劃的約束條件，使所規(guī)劃的配電網(wǎng)絡(luò)在充分滿足電動(dòng)汽車的充電要求的前提下，使規(guī)劃建設(shè)費(fèi)用最小。

6 結(jié) 論

憑借環(huán)境親和性好、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)汽車的數(shù)量增長很快。電動(dòng)汽車作為一種新的用戶側(cè)隨機(jī)負(fù)荷，大規(guī)模的充電行為將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。電動(dòng)汽車的充電行為對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響的因素很多，較為繁雜，本文列舉了4個(gè)主要的影響因素。在此基礎(chǔ)上，研究了電動(dòng)汽車充放電對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的影響。此外，結(jié)合電動(dòng)汽車自身的充放電特性，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行引導(dǎo)性的充放電，起到消峰填谷、消納新增能源、調(diào)峰調(diào)頻的作用。電動(dòng)汽車分布的分散性以及其充電的隨機(jī)性會(huì)對(duì)充電站的選址定容產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而影響配電網(wǎng)中變電站的選址定容和配電網(wǎng)的網(wǎng)架規(guī)劃。在進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，要在滿足供電的可靠性和安全性前提下，使投資成本盡可能小。

從電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)來看，電動(dòng)汽車充電設(shè)施的布點(diǎn)和容量配置必將成為配電網(wǎng)規(guī)劃中必須考慮的因素，如何更加合理地引導(dǎo)大規(guī)模電動(dòng)汽車的充放電，使其更好地配合電網(wǎng)運(yùn)行，也將是未來研究的重要領(lǐng)域。

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(編輯：魏希輝)

Impact of Electric Vehicle Charging and Discharging on Distribution Network Planning

LIAN Henghui1,WAN Lingyun2,LIU Hong1,QU Gaoqiang3

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education (Tianjin University), Tianjin 300072, China;2. Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 400022, China;3. Electric Power Economic Institute of State Grid Ningxia Electric Power Company, Yinchuan 750002, China)

With the rapid growth in the number of electric vehicles (EVs), the charging and discharging behavior of EVs will bring a greater impact on the distribution network planning. The rational use of EV charging and discharging behavior for the overall planning of distribution network will be the focus of future research. The type, number and charging mode of EV, as well as the national policy will make changes to the impact of EV on distribution network. This paper described the above factors, and then analyzed the impact of EV charging and discharging on distribution network and its rational use. At last this paper proposed some suggestions on the planning of EVs' charging and discharging devices and the distribution network planning adapting to EV access

electric vehicle; charging and discharging; distribution network planning; peak load shifting

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51261130473, 51477116)；國網(wǎng)寧夏電力公司科技項(xiàng)目(含分布式新能源的配電網(wǎng)規(guī)劃理論與方法研究)。

TM 727

A

1000-7229(2015)07-0033-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.07.004

2015-04-30

2015-06-16

連恒輝(1993)，男，碩士研究生，主要從事電動(dòng)汽車有序充電方面研究工作；

萬凌云(1982)，男，高工，主要研究方向?yàn)殡娏煽啃?、電能質(zhì)量、配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行分析等；

劉洪(1979)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄芘潆娤到y(tǒng)規(guī)劃與評(píng)估、分布式電源與電動(dòng)汽車接入等；

屈高強(qiáng)(1983)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及電網(wǎng)規(guī)劃工作。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51261130473, 51477116)；State Grid Ningxia Electric Power Company(Research on theories and methods of distribution network planning with distributed new energies).