電動汽車對電力系統(tǒng)的影響及其調(diào)度與控制問題

羅留祥 柴宇奇

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南商丘 476000）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對于石油能源的需求量激增，與此同時，伴隨著石油消耗所產(chǎn)生的排放物和污染物對生態(tài)環(huán)境所造成的污染已經(jīng)對人類自身產(chǎn)生了危害甚至是威脅。在這樣的背景下，已經(jīng)有越來越多的國家加入到了新能源研發(fā)行列，同時也在各個行業(yè)領(lǐng)域開啟了新能源的使用。對于汽車行業(yè)來說，在很長一段時間內(nèi)都是以燃油作為其主要的動力來源，以我國為例，燃油汽車占比較大。然而，隨著能源短缺形勢的日趨嚴(yán)峻和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的雙重壓力，尋求新的能源替代產(chǎn)品已經(jīng)成為汽車領(lǐng)域發(fā)展的主要方向。近年來，電動汽車發(fā)展迅速，市場占有率也逐年提升，更因其尾氣零排放及能源來源方式多樣化的特點能夠極大緩解我國能源危機和環(huán)境污染等問題?？墒牵S著電動汽車規(guī)模的擴大，對于電力供應(yīng)量也提出了更高的需求，這給電力系統(tǒng)帶來一定的影響和壓力。基于此，深入分析電動汽車對電力系統(tǒng)造成的影響，并有針對性地制定應(yīng)對策略是十分必要和有意義的。

1 電動汽車概述

1.1 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀概述

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)相比，電動汽車優(yōu)勢明顯，而作為一項創(chuàng)新技術(shù)，其廣泛應(yīng)用和推廣不僅推動了汽車領(lǐng)域的多元化、創(chuàng)新式發(fā)展，更推動了電力行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，同時，降低傳統(tǒng)汽車尾氣排放對生態(tài)、環(huán)境造成的侵害。在某種程度上，電動汽車的出現(xiàn)和發(fā)展是時代、社會和科技發(fā)展的必然結(jié)果。我國電動汽車還處于發(fā)展階段，無論是技術(shù)還是應(yīng)用，都還有很大的探索和提升空間，而這其中最為關(guān)鍵的問題就是電動汽車充電問題。當(dāng)下，電動汽車領(lǐng)域存在比較集中的問題，如充電基礎(chǔ)設(shè)施不足、充電效率低下等，也正是這些問題在很大程度上制約了電動汽車發(fā)展和普及的程度。

實際上，隨著人們生活水平的提升，汽車已經(jīng)成為家庭的必需品，我國汽車數(shù)量也呈現(xiàn)著逐年上升的趨勢，與此同時，能源危機、環(huán)境污染還在持續(xù)惡化，燃油汽車所排放的尾氣對大氣和環(huán)境的污染性已經(jīng)無法逆轉(zhuǎn)。面對這樣復(fù)雜的現(xiàn)狀，在保持汽車行業(yè)經(jīng)濟(jì)增長、人們生活水平提升的前提下，要緩解能源危機、實現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，尋求替代能源、實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新是必然的選擇。因此，電動汽車的產(chǎn)生、發(fā)展及普及既是汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，也是經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的需要。

就我國目前電動汽車發(fā)展而言，充電依然是亟待解決的首要問題。一些電動汽車家庭存在私接充電電源的問題，導(dǎo)致整個電動汽車充電環(huán)節(jié)混亂，這不僅影響了電動汽車行業(yè)規(guī)范性發(fā)展，更對電力系統(tǒng)埋下了安全隱患，甚至讓那些原本就對電動汽車持觀望態(tài)度的購買者徹底失去信心。

1.2 電動汽車發(fā)展的意義

我國的石油資源并不豐富，尤其面對如此大數(shù)量的石油需求，更顯得力不從心，不得已只能依靠進(jìn)口。而國際局勢復(fù)雜多變，大量依賴進(jìn)口也同時意味著要受制于人，這是人們最不愿意面對的。近年來，環(huán)境問題也是我國關(guān)注的重點，燃油汽車尾氣排放所產(chǎn)生的污染物已經(jīng)被世界認(rèn)定為造成環(huán)境污染及溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)字弧榱司徑膺@種不良局面，同時又要保持經(jīng)濟(jì)增長的速度及汽車行業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定性，新能源、新技術(shù)的使用和創(chuàng)新是必然的發(fā)展趨勢。因此，電動汽車作為一種新能源汽車，因為其節(jié)能、零污染及對環(huán)境友好的特征，將會成為汽車領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢［1-2］。

此外，為了盡快擺脫國家對于石油等能源依賴進(jìn)口的局面，降低國家受制約程度，新能源的開發(fā)、利用是必然的發(fā)展趨勢。而電動汽車的發(fā)展在很大程度上緩解了我國對于石油的依賴程度，促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)的多元化發(fā)展，實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)格局的變化。從短期看，其能夠緩解能源壓力；而從長期來看，對于國家實現(xiàn)發(fā)展綠色能源、實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展及“碳中和”目標(biāo)都具有重要的意義。

2 電動汽車對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響

2.1 電動汽車對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響

電動汽車的普及推廣是社會進(jìn)步和發(fā)展的必然選擇，其的廣泛應(yīng)用無論對緩解能源危機，還是促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的，抑或是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，都起到積極的作用。然而，電動汽車的使用也并非完美無缺，至少其充電所需的充電設(shè)施、用電量對于傳統(tǒng)供電系統(tǒng)來說也是一項挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)在電動汽車應(yīng)用之初顯得尤為突出。首先是用電需求，這也是電動汽車最基本的要求，當(dāng)電動汽車的數(shù)量越來越多后，這時可以將每一部電動汽車看作一臺用電設(shè)備，每增加一部電動汽車就意味著一臺用設(shè)備加入到了電力系統(tǒng)中，這對于傳統(tǒng)供電系統(tǒng)來說，將產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和運行穩(wěn)定性兩方面的影響。對于購入電動汽車的家庭來說，雖然省去了原本燃油汽車用油的費用，但充電所需的電量將作為另一項家庭財政支出，這筆支出將會占有家庭支出的一大部分比例。而從電力供應(yīng)系統(tǒng)的角度來看，面對持續(xù)增加的用電設(shè)備，為了保證供電的穩(wěn)定性，只能尋求各種合理方式提升電力輸出，以保證人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的用電量。然而，電動汽車充電時間的隨意性讓電力部門很難再依據(jù)傳統(tǒng)供電特征總結(jié)出電動汽車的用電規(guī)律，因此，就很容易出現(xiàn)用電高峰時段電動汽車集中充電的情況，從而導(dǎo)致電力供應(yīng)壓力過大、電壓不足，甚至集體斷電等問題，這是電動汽車對電力系統(tǒng)的負(fù)面影響。從積極的角度來看，隨著電動汽車的廣泛使用，對于電力系統(tǒng)的影響已經(jīng)成為必然，那么對于電力部門而言，提高供電效率、增加電力供應(yīng)系統(tǒng)、持續(xù)推進(jìn)技術(shù)更新是唯一的選擇，這在很大程度上推動了電力行業(yè)的發(fā)展。與此同時，電力需求量的增加也意味著電力行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，另外，也是變相推動了國家能源結(jié)構(gòu)的改革及環(huán)保步伐的加快［3］。

2.2 電動汽車對于電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)載

電動汽車的動力供應(yīng)方式是通過電力系統(tǒng)對汽車所配備的電池進(jìn)行充電，從而獲得動能儲備，當(dāng)汽車運行過程中，再將電池中儲備的電能釋放后轉(zhuǎn)化為動能，推動汽車前進(jìn)，整個過程都需要在安全、穩(wěn)定的電力供應(yīng)前提下才能夠?qū)崿F(xiàn)。因此，必須要對電動汽車對電力系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行研究。對于電力系統(tǒng)而言，如果大量電動汽車在配電高峰時間段進(jìn)行集中充電，那么勢必會對電力系統(tǒng)的負(fù)載造成一定的壓力和影響，形成電壓驟降的局面，無論是高壓還是低壓線路，都會出現(xiàn)超載運輸?shù)那闆r，變壓器及電容也會因為載電量過大而導(dǎo)致不同程度的損耗，長此以往，對配電網(wǎng)正常運營產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅和安全隱患，進(jìn)而形成大范圍、大規(guī)模斷電的嚴(yán)重后果。按照一般規(guī)律，電動汽車作為一種家庭代步工具，其充電集中時間段通常在下班后，因此，下午6 點至8 點一般會是大部分家庭的充電時間。再結(jié)合當(dāng)下電動汽車充電所需時長，那么集中用電高峰將會出現(xiàn)在9 點左右，而這個時間段恰好是傳統(tǒng)用電高峰，那么大量加入的充電設(shè)備對于配電網(wǎng)來說就要承擔(dān)著雙重的供電壓力，從而導(dǎo)致配電網(wǎng)超載運行，進(jìn)而造成傳輸運載能力下降的后果［4］。

2.3 電動汽車充、放電時對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響

電動汽車作為新技術(shù)，將在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜絹碓街匾慕巧湓陔娏ο到y(tǒng)中的地位也將更加突出和彰顯。然而，其特殊的能量消耗方式也讓人們不得不正視電動汽車對于電力系統(tǒng)的影響。有數(shù)據(jù)表明，很多國家的電動汽車所占用的電力系統(tǒng)負(fù)載已經(jīng)占據(jù)電力負(fù)載總量的7%～10%，而且這個比重還有繼續(xù)提高的趨勢。因此，如果不能解決好電動汽車充放電時對供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)面影響的問題，那么不僅會阻礙電動汽車的進(jìn)一步推廣，而且無法從根本上解決電力系統(tǒng)負(fù)載多大的問題，甚至?xí)绊懙絿夜?jié)能減排政策的推進(jìn)。因此，盡快制訂出科學(xué)合理的管理方案和改進(jìn)措施是緩解電力系統(tǒng)壓力的唯一途徑［5-6］。

實際上，已經(jīng)有研究表明，電動汽車的最佳充電時間段是在夜間。之所以得出這樣的結(jié)論，主要也是考慮到夜間供電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，既可以保障供電穩(wěn)定性和效率，對于汽車電池也起到了較好的保護(hù)作用。但從供電系統(tǒng)的角度來說，配電系統(tǒng)過度損耗的情況也是存在的，從長遠(yuǎn)角度來看，也將對整體的電力供應(yīng)效率產(chǎn)生影響。此外，隨著電動汽車數(shù)量的增多，電池滲透率超過一定范圍時，將會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的負(fù)載曲線發(fā)生偏移和改變，這種變化所引發(fā)的后果就是負(fù)載曲線改變率大的區(qū)域電力供應(yīng)的效率降低。因此，要徹底解決電動汽車充放電時對電力系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響問題，就要結(jié)合電動汽車實際駕駛數(shù)據(jù)及電動系統(tǒng)的運行情況，通過數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)而獲得可靠的數(shù)據(jù)和結(jié)論。因此，總結(jié)來講，電動汽車充放電過程中對電力系統(tǒng)的影響會涉及電力供應(yīng)的全過程，即電力配送、運輸和供電。傳統(tǒng)的電力輸送體系對于日常用電基本是可以滿足的，但供電線路并沒有更多的富裕，因此，面對電動汽車的用電需求，還需進(jìn)行補充和完善，結(jié)合電動汽車使用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，合理地規(guī)劃電力系統(tǒng)優(yōu)化方案，實現(xiàn)供電電壓和效率的安全、穩(wěn)定提升［7］。

3 降低電動汽車對電力系統(tǒng)影響的調(diào)度和控制策略

3.1 積極推進(jìn)電動汽車分層調(diào)度策略

對于電動汽車的調(diào)度是實現(xiàn)電動汽車充放電最優(yōu)化配置的手段，通過有效的調(diào)度，從而緩解當(dāng)下電力系統(tǒng)負(fù)載壓力過大的局面，從而確保電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低用電高峰時段電力供應(yīng)的不穩(wěn)定性，提升電力輸送的安全性和可靠性。傳統(tǒng)的電力汽車調(diào)度通常采取的是直接調(diào)度模式，這種調(diào)動方式的優(yōu)勢在于調(diào)度形式直接、簡單，可以通過供電系統(tǒng)的調(diào)度部門直接完成，這個時期的集中用電時間段比較容易把控，用電高峰和低谷也相對固定，因此，整個調(diào)度過程相對容易。而在電動汽車大規(guī)模推廣后，無論是對電力供應(yīng)總量的需求還是用電結(jié)構(gòu)，都發(fā)生了改變，再延續(xù)直接調(diào)度模式顯然無法滿足電動汽車廣泛使用的當(dāng)下。因此，積極推進(jìn)分層調(diào)度策略是勢在必行的。分層調(diào)度的優(yōu)勢在于能夠?qū)㈦妷旱燃夁M(jìn)行分層劃分，再結(jié)合地區(qū)用電量進(jìn)行區(qū)域劃分，從而結(jié)合不同區(qū)域的實際用電需求建立獨自的配電機構(gòu)。各自區(qū)域的配電機構(gòu)負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)電力調(diào)度問題，從而更有針對性地開展電力調(diào)度，實現(xiàn)電力輸送結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化［8］。

3.2 推進(jìn)電池租賃業(yè)務(wù)的推進(jìn)和發(fā)展

當(dāng)下，電動汽車之所以對電力系統(tǒng)造成一定的影響，問題主要集中在電動汽車充電時間隨意性強，無法對現(xiàn)有電動汽車的充電進(jìn)行統(tǒng)一管理和要求。相對于家用電動汽車、電動公交等公共交通工具已經(jīng)實現(xiàn)了充電集中管理，并且運行狀況良好，而考慮到短時期內(nèi)，對于電動汽車的全面、系統(tǒng)化管理還難以有效開展。因此，探索電池更換、租賃業(yè)務(wù)，采取集中充電、統(tǒng)一管理的運營模式，以電池租賃的形式實現(xiàn)對電動汽車充電的統(tǒng)一管理，形成以租代充的管理模式。一方面，通過電池更換代替充電的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)對電動汽車充電時間的控制，可以集中在用電低谷時間段進(jìn)行集中充電，從而緩解電力系統(tǒng)供電壓力；另一方面，也節(jié)約了電動汽車使用者的充電時間［9］。

3.3 建立分時階梯式電價

為了有效緩解用電高峰期集中充電的局面，降低電動汽車充電隨意性對電力系統(tǒng)造成的不良影響，引導(dǎo)電動汽車車主在用電低谷時充電，建立起分時階梯電價是十分必要的。針對電高峰和低谷設(shè)計階梯式的電價，降低車主高峰時期集中用電的可能性，盡可能地降低電動汽車集中充電對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響［10］。

4 結(jié)語

綜上所述，電動汽車的發(fā)展不僅能夠推動汽車行業(yè)的發(fā)展，更對國家能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、推動社會的發(fā)展及經(jīng)濟(jì)效益的提升都起到了積極的促進(jìn)作用。然而，隨著電動汽車數(shù)量的增多，對于傳統(tǒng)供電系統(tǒng)也產(chǎn)生了一定的影響?；诖耍钊敕治鲭妱悠噷﹄娏ο到y(tǒng)的影響因素，從而有針對性地制訂調(diào)度和控制策略推動電動汽車普及發(fā)展，以及提升電動系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的重要舉措。