電動汽車充電負荷對配電系統(tǒng)影響與優(yōu)化策略分析

摘要：現(xiàn)階段，生態(tài)環(huán)境污染情況嚴重，與此同時，全球氣候也出現(xiàn)了較大的變化。在此背景下，因電動汽車本身的污染不嚴重且具備低碳排放的相關特點，所以被更多消費者所認可。文章對電動汽車充電負荷對配電系統(tǒng)的影響與優(yōu)化策略進行了分析。

關鍵詞：電動汽車；充電負荷；配電系統(tǒng)；優(yōu)化策略；生態(tài)環(huán)境 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM743 文章編號：1009-2374（2017）04-0023-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.012

于電動汽車而言，其全部亦或是部分都依靠電動機來驅(qū)動，同時與道路交通安全法規(guī)相吻合，所以被廣泛使用。另外，電動汽車本身的環(huán)保低碳性能明顯、噪音不大，因而成為替代內(nèi)燃機汽車幾率最大的一種新能源汽車。電動汽車在最近幾年中的發(fā)展速度極快，然而其實際發(fā)展的時間很長。1881年，法國巴黎出現(xiàn)第一輛電動汽車，隨后，電動汽車被應用在日常生活當中。而在科學技術進步的作用下，燃油使用成本下降，能夠行駛更長里程，且在燃料補充方面十分便利，將電動汽車取代。自能源危機爆發(fā)以來，人們更關注能源供需的平衡性以及安全性，同樣，對于生態(tài)環(huán)境保護的問題也更加關注。在這一背景下，電動汽車的應用再次被提上日程。

1 電動汽車充電負荷對于配電網(wǎng)系統(tǒng)的相關影響

1.1 充電負荷對網(wǎng)損影響

當電動汽車接入到配電網(wǎng)系統(tǒng)中以后，系統(tǒng)負荷水平會隨之提升，所以從一定程度上影響了系統(tǒng)網(wǎng)絡的損耗，其中網(wǎng)損率就是一天當中系統(tǒng)線路損耗電能與網(wǎng)絡輸送總電能的比值。

在實踐檢驗過程中發(fā)現(xiàn)，不管是冬季亦或是夏季，在滲透率提高的背景下，也就是當接入配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電動汽車數(shù)量增加的情況下，實際的網(wǎng)損率也會隨之提高，但是增加幅度是有限的。究其原因，即便接入到配電系統(tǒng)中的電動汽車數(shù)量大量增加，但電動汽車的充電時間不集中，所以會降低充電負荷對于網(wǎng)損產(chǎn)生的影響。另外，數(shù)量相同的電動汽車，如果接入配電系統(tǒng)的季節(jié)不同，那么對于電網(wǎng)網(wǎng)損率產(chǎn)生的影響也同樣存在差異。若電動汽車的滲透率是20%，那么冬季充電的網(wǎng)損率就要高于夏季網(wǎng)損率的0.33%，而對于其他滲透率，冬季的網(wǎng)損幾率要同樣不低于夏季的網(wǎng)損率。究其原因，由于冬季期間系統(tǒng)基本負荷要高于夏季，所以，當充電負荷接入以后，使得系統(tǒng)的網(wǎng)速率隨之提高。

由此可見，對于配電網(wǎng)網(wǎng)損率產(chǎn)生影響的主要因素就是電動汽車數(shù)量以及系統(tǒng)的基本負荷曲線。與此同時，隨著電動汽車數(shù)量的增加，系統(tǒng)實際網(wǎng)損率也會更高，當接入電動汽車以后，基本負荷水平與網(wǎng)損率之間呈現(xiàn)出正比例關系。

1.2 充電負荷對系統(tǒng)峰谷差影響

通過多種不同場景之下的千次仿真，將配電系統(tǒng)負荷峰谷差的平均值總結成表1。當電動汽車接入到配電系統(tǒng)中以后，系統(tǒng)本身負荷峰谷出現(xiàn)了明顯的增長趨勢，而實際增長幅度與季節(jié)、車輛的滲透率之間存在一定的聯(lián)系。具體表現(xiàn)在，滲透率的增加會使得峰谷差隨之增加，而冬季期間峰谷差要大于夏季。當冬夏兩季系統(tǒng)基本負荷曲線將充電負荷疊加以后，使得系統(tǒng)最大負荷出現(xiàn)明顯的增加。通常情況下，系統(tǒng)基本負荷的最小值會在凌晨3點出現(xiàn)，而充電負荷會小于系統(tǒng)負荷最大情況下的充電負荷。為此，在電動汽車接入到系統(tǒng)中以后，其峰谷差要比之前增加。如果車輛的滲透率增加，那么系統(tǒng)在最大與最小負荷的狀態(tài)下，充電負荷的差會變得更大，導致系統(tǒng)峰谷差更大。而在冬季階段，系統(tǒng)基本負荷峰谷差要高于夏季，當電動汽車接入到配電系統(tǒng)中以后，系統(tǒng)在冬季期間的最大負荷狀態(tài)下的充電負荷要高于夏季期間最大負荷狀態(tài)下的充電負荷。但是，季節(jié)不同，配電系統(tǒng)最小負荷狀態(tài)下的充電負荷也存在明顯的差異，而在滲透率相同的情況下，冬季峰谷要高于夏季。

表1 不同場景系統(tǒng)負荷的峰谷差

2 全面優(yōu)化電動汽車充電負荷對配電系統(tǒng)產(chǎn)生影響的策略

分時電價把一天之內(nèi)各時間段進行了劃分，主要包括峰時段與谷時段，而時段不同，其電能銷售的價格也不同。其中，為用戶傳遞了負荷水平不同的發(fā)電側(cè)供電成本，與此同時，還能夠有效地轉(zhuǎn)移高電價峰時段的電能消耗，有效地實現(xiàn)削峰填谷的目的，進而縮小負荷的峰谷差值。但是，電動汽車的用戶對于完成充電時的電池電量，卻忽視了開始充電的時間，所以同樣可以靈活應用分時電價來對充電負荷分布時間進行適當?shù)卣{(diào)節(jié)，有效地規(guī)避充電負荷和基本負荷疊加以后所出現(xiàn)的峰上加峰的情況。與其他優(yōu)化方式相比，分時電價對于電動汽車充電的方式更簡單，具有一定的可行性，且操作性明顯。

2.1 以系統(tǒng)峰谷差最小為基礎的分時電價時段劃分

通過上述研究與分析發(fā)現(xiàn)，在電動汽車接入到配電網(wǎng)中以后，系統(tǒng)本身峰谷差會增加，所以如果峰谷差較大，會給電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性帶來不利的影響。為此，要想確保負荷高峰電力需求，關鍵是要提高發(fā)電容量。特別是在谷荷時段，很容易引發(fā)發(fā)電設備的停運問題，嚴重影響了設備的利用率。

2.1.1 目標函數(shù)。當電動汽車接入到配電系統(tǒng)以后，將目標函數(shù)確定成系統(tǒng)負荷峰谷差最小。

2.1.2 尋優(yōu)算法的具體程序。將一個小時當作最小時間間隔，所以可以劃分的時段種類很少，因此，對窮舉法進行應用來計算，進而找出有可能的分時電價時段系統(tǒng)峰谷差，隨后在其中選擇最小峰谷差時段來劃分方案。

第一，啟動T1完成初始化，同時使T1=1，并將其作為谷時段開始的時間。

第二，啟動T2完成初始化，同時使T2=1，并將其作為谷時段結束的時間。

第三，對T1、T2時間段的充電負荷進行計算。

第四，疊加充電負荷和系統(tǒng)的基本負荷，獲取此時段的系統(tǒng)負荷。

第五，對T1、T2時間段的系統(tǒng)峰谷差。

第六，對T2遍及全部時刻進行判斷，若肯定則進行下一步操作，若否定需要對T2進行更新，并返回至第三步。

第七，對T1遍及全部時刻進行判斷，若肯定則進行下一步操作，若否定需要對T2進行更新，并返回至第二步。

第八，在全部峰谷差的計算結果當中選擇出最小峰谷差所對應的時段。

2.1.3 對算例的詳細闡述

當系統(tǒng)基本最大負荷數(shù)值是3715千瓦，且系統(tǒng)容量是4953千瓦，與此同時，電動汽車的滲透率是30%。通過以上方法所獲得的系統(tǒng)最小峰谷差時段是T1=22，T2=6。

情景一：將分時電價谷時段的開始時間是22點，而結束的時間是6點，同時，電動汽車的滲透率是30%。

情景二：電動汽車的滲透率是30%，同時，不采用分時電價。

情景三：不存在電動汽車接入配電系統(tǒng)的情況。

在應用第一種情景的情況下，也就是應用分時電價方案以后，電動汽車的充電負荷對于系統(tǒng)的最大負荷影響幾乎不存在，而對于最小負荷在不采用分時電價調(diào)節(jié)的情況下，呈現(xiàn)出增長趨勢，一定程度上降低了系統(tǒng)負荷的峰谷差。當優(yōu)化以后，對充電負荷時間分布予以適當調(diào)節(jié)，在電動汽車接入到配網(wǎng)系統(tǒng)中以后，與接入之前對比，系統(tǒng)峰谷差有所下降，促進了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟與穩(wěn)定，因而，對時段劃分的合理運用，能夠有效地減少充電負荷對于配電網(wǎng)的負面作用，而且可以對系統(tǒng)運行的狀況予以全面完善。

2.2 以日負荷曲線波動最小為基礎的分時電價時段劃分

2.2.1 目標函數(shù)。通過一天之間的系統(tǒng)負荷標準差當作系統(tǒng)負荷波動狀態(tài)的衡量指標，如果標準差降低，那么系統(tǒng)的負荷波動也會隨之降低。

2.2.2 尋優(yōu)算法的具體程序。同樣運用窮舉法，方式與以系統(tǒng)峰谷差最小為基礎的分時電價時段劃分相同，僅僅是將對象換成日負荷曲線。具體流程如圖3所示：

圖3 選優(yōu)算法流程圖

2.2.3 對算例的詳細闡述。電動汽車與配電系統(tǒng)條件與上文相同，通過計算，將T1=22，T2=5，在這一時間段內(nèi)，系統(tǒng)負荷波動是最小的。

情景一：開始時間是22時，結束時間是5時，且電動汽車滲透率是30%。

情景二：電動汽車的滲透率是30%，采用到家即充電的方式。

情景三：不存在電動汽車接入配電系統(tǒng)的情況。

通過檢驗結果可以發(fā)現(xiàn)，場景一平均負荷相對較高，而其整體負荷水平高于第三個場景，與平均負荷最為接近，所以第一個場景負荷曲線的標準差小于第三個場景。由此可見，通過采用合理的時段劃分方案，也就是分時電價方案，能夠?qū)Τ潆娯摵傻臅r間分布進行適當?shù)卣{(diào)節(jié)，緩解系統(tǒng)負荷波動的狀況，規(guī)避了對于電網(wǎng)產(chǎn)生的負面影響。

3 結語

綜上所述，現(xiàn)階段，各國政府與企業(yè)都開始致力于開發(fā)并應用電動汽車技術，并在該領域中投入大量資金。基于此，電力汽車技術與運營模式隨之成熟，并進入到了規(guī)?；膽秒A段。針對電動汽車接入配電系統(tǒng)中，其充電負荷帶來的負面影響，采取分時電價的方式予以優(yōu)化，效果顯著。

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作者簡介：王立君（1979-），吉林蛟河人，北京汽車集團有限公司越野車分公司工程師，研究方向：汽車工廠電力系統(tǒng)項目管理與研究。

（責任編輯：黃銀芳）