方佳良 余彪 臧兴海
（国网宁波供电公司 浙江宁波 315000）
摘要：电动汽车的大规模使用将会对配电网产生直接影响，因此，了解并准确预测电动汽车充电对电网的影响对智能配电网的建设具有重要的意义。本文主要研究了电动汽车大规模接入充电对配电网的影响分析，首先对电动汽车充电负荷的研究，分析了不同类型的电动汽车的负荷特性，结合不同渗透率分析电动汽车接入对配电线路各配电变压器等影响，以及分别从充电谐波、电压三相不平衡等方面具体分析。最后针对电动汽车规模化接入对电网带来的问题，提出相应的应对策略。
关键词：电动汽车；配电网；充电负荷；特性曲线
1 引言
未来一段时间，电动汽车作为新能源汽车，会有大量推广的势头，研究电动汽车接入配电网，以及接入后对配电网运行、规划等各个方面的影响。因此定量地研究电动汽车充电负荷对电网的影响，并据此制定相应的优化充电方案，减小充电负荷对系统的不利影响，利用电动汽车的充电特性优化配电网的运行状态具有重要的现实意义。
随着电动汽车规模化应用,大量电动汽车接入电网，如何保证电网安全稳定运行，增加容纳能力,同时最大限度降低充电负荷对电网的负面影响,在分析充电负荷特性基础上，针电动汽车充电对电网各方面的影响，提出相应对策，将对电动汽车产业化进程具有重要的研究意义。
2 电动汽车负荷特性研究
2.1负荷影响因素
影响电动汽车的充电负荷的因素有以下几个方面：电动汽车保有量、电能的补充方式、用户出行习惯等。
（1）电动汽车保有量
政府近些年为电动汽车的发展和推广创造良好的外部发展环境，不仅大力支持研发、鼓励消费，还为专门制定了有关电动汽车的科技发展规划，在政府的全力支持下，我国电动汽车保有量正在稳步增长。
根据《中国汽车产业发展报告》中对我国未来私家车和公共车辆保有量的预测数据，预计未来二十年中国各类车辆数量范围如表2-1所示。
表1 中国汽车保有量数量预测（单位：万辆）
由汽车的数量可以计算得出相应的电动汽车的数量。而电动汽车数量决定充电需求的大小，进而决定了电动汽车负荷。同时，根据现有的城市规布局划可将城市按空间分为工业区、居民区、商业区，每个分区的经济发展水平、用户特性不同，导致各个分区的电动汽车种类和用户的购买力也不相同，对电网的影响也不尽相同。
（2）电能的补充方式
电动汽车常见的电能补充方式有3种；采用交流慢充、采用直流快充、换电池模式。针对于同一辆电动汽车而言，不同的充电模式所持续的时间不同，所接入的时刻不同，因此所带来的充电负荷特性也不一样。行驶中的公共电动汽车使用换电模式进行电能补充的数量远大于快充，而长期停放于固定车位的私家车和公务车则更多的使用家用充电粧进行常规充电。不同电能补充方式对于确定电动汽车的负荷在空间和时间上的不同分布具有重要意义。
2.2 充电功率计算模型
将计算一天24个小时的充电负荷,计算时间步长为1分钟。将不同类型的电动汽车充电负荷相叠加,可以得到总的充电负荷曲线。第 分钟总的充电负荷为所有类型车辆，在此时充电负荷之和,充电功率可表示为:
式中:Li表不第 分钟总充电功率； 表示第C辆私家车在第 分钟的充电功率；C表示电动私家车的总量； 表示第b辆公交车在第 分钟的充电功率；B表示电动公交车的总量； 表示第t辆出租车在第 分钟的充电功率；r表示电动出租车的总量。
单辆电动汽车充电行为存在较大的随机性,但统计研究表明,同一用途大量电动汽车充电行为特征将符合一定的概率模型,因此可以采用抽样仿真方法分别计算电动私家车、电动公交车汽车、电动出租车接入电网后一天的充电功率,最后进行叠加即可得到总的充电功率。以下电动汽车的充电负荷计算流程如下：
2.3不同类型的电动汽车负荷分析
1）电动公交车充电负荷
根据前面分析可知,公交车白天运营时段允许停车时间较短，故采用快速充电方式进行电能补给。电动公交车的电池容量为120kWh，快速充电功率为150kW,慢速充电功率为40kW。电动公交车的充电负荷单位标幺值化，其曲线如图所示:
2）电动出租车充电负荷
出租车一天充两次电,考虑到出租车的运营效益,假设出租车充电采用快速充电模式，以BYDE6为参考,其所使用的裡离子电池的额定容量为64kWh，快速充电功率为70kW。电动出租车的充电负荷单位标幺值化，其曲线如图所示:
3.2 不同渗透率下对配电变压器的影响
3.2.1 电压三相不平衡
三相供电可提供较大的充电功率和较快的充电速度,但受充电设施限制,相对而言,在家庭、停车场等区域,单相充电分布更为广泛。当充电时过于集中于某一相或某两相时,就会造成各相的用电负荷分布不均,导致供电电压、电流不平衡,因此有必要对涉及到的电压三相平衡问题进行研究。
在一个固定的场所内,一段时间内,假如有较少的电动汽车充电,充电的多样性就会降低,可能会导致较大的三相不平衡电流产生。相反,当有大量的电动汽车充电时,多样性较高,导致较低的三相不平衡电流。同样,当充电机的充电电流过大时也会导致较高的三相不平衡电流。按照国家标准《电能质量三相电压不平衡》规定,电网正常运行时,负序电压不平衡度不超过2%,短时不超过4%；接于公共连接点的每个用户引起改点负序电压不平衡度允许值一般不超过1.3%,短时不超过2.6%。
3.2.2 充电谐波
电动汽车充电设施,无论采用直流充电还是交流充电模式,充电机都是从低压三相交流电源获得电能,属于电网的非线性负荷,它的投入会给电网带来很大的谐波,造成谐波污染。
随着电动汽车充电机输出功率的增大，5次、7次谐波电流幅值逐渐变大,谐波电流的相位角呈负向增大趋势，主要分布在第四象限,其中5次谐波电流相位角增大幅度较小，7次谐波电流相位角变化范围较大。同一时间段内接入电网的充电台数逐渐增多,谐波电流增加幅度也逐渐加大。在实际生产运行过程中，可调整充电机的投入时间，扩大投入时间间隔,降低同时在线充电机台数，可有效抑制谐波电流。多台充电机同时工作时,当基波与谐波电压相位差异在一定相角区间内时，会发生谐波衰减效应。衰减效应可以减小多台充电机同时工作时自身产生的谐波电流,降低系统谐波含量(THD)。在实际工程建设中，当系统含有大量谐波源时，应分析量化谐波源的衰减效应，以防止高估谐波含量。
4 电动汽车规模化接入应对策略研究
4.1 安全运行渗透
电动汽车规模化接入配电网，势必对电网的安全运行带来一定的影响。如果接入电网点越接近配电网线路末端，并网点及线路其他节点的电压将增大，也将对电能质量产生影响。经测算，交流慢充对配电网的影响较小，直流快充对局部配电网的影响较大，有可能造成电网局部过负荷、线路拥塞等问题；特别是对于负荷高峰的影响，有更多电动汽车接入小区电网时，如果没有足够的充电站，将会使设置有充电站的节点上的峰值过高，严重时可能超过变压器的容量，给电网带来影响，所以应根据电动汽车的渗透率合理接入电动汽车。
4.2 线路安全接入
基于最优经济运行的有序充电，针对充电模式下功率损耗和电压偏移最小化展开，可以减小功率损失外，同时可降低峰荷需求，提高负荷率，在一定程度上减小了充电对系统可靠性、经济运行的负面影响。
基于最充电模式，从降低系统峰谷差、节约车主充电成本、避免配网过载阻塞、引导有序均衡充电当线路负载率较低时，合理的电动汽车充电将会有助于提高线路的运行效率，使线路运行于经济区域；但是大规模的电动汽车接入电网充电则可能会对电网产生巨大的影响，明确线路上电动汽车的安全接入边界，以确保电网的安全、稳定和经济运行。
4.3 空间维度有序充电
基于空间维度的有序充电考虑空间有序性，就是在满足配网运行约束的前提下合理进行充电站的选址和定容，避免出现网络阻塞。从配电网负荷的角度看，充电桩、充电站等充电设施是电动汽车与配电网的接口，充电设施的规划和建设对配电网的正常运行影响巨大。由于充电桩容量小且较分散，而充电站通常含有多台充电机和充电桩，所以充电站对配电网的影响较大。
在确定充电站的规模和布点时，应充分考虑交通、环保及区域配电能力等外部环境条件与该地区的建设规划和路网规划，可以有效地避免出现因电动汽车聚集性充电对的配电网的影响，保证配电网的正常运行。
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论文作者:方佳良,余彪,臧兴海
论文发表刊物:《电力设备》2016年第9期
论文发表时间:2016/7/4
标签：电动汽车论文; 负荷论文; 电网论文; 谐波论文; 配电网论文; 功率论文; 电流论文; 《电力设备》2016年第9期论文;