電動汽車對居民小區(qū)配電網(wǎng)的影響及接納能力的評估

王海亮，駱子瀠，代 璐，向 穎，周曉霞

（國網(wǎng)湖北省電力公司宜昌供電公司，湖北 宜昌443000）

0 引 言

為解決全球變暖問題，各國政府和汽車制造商積極探索電動汽車技術(shù)，以達到降低汽車的溫室氣體（GHG）排放及減少對化石燃料依賴的目的。根據(jù)加拿大最新的溫室氣體來源評估分析，每年近12%的排放總量來自于工業(yè)汽車的使用［2］。目前，插電式混合動力電動汽車（PHEV）和電池電動汽車（BEV）由于能夠接入電網(wǎng)供電而受到廣泛的關(guān)注和發(fā)展。

電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與各國政府出臺的相關(guān)政策密不可分。由美國能源部組織牽頭實行了EV Project［3］，其目的是通過免費為電動汽車用戶建造家用充電樁來推動電動汽車的發(fā)展。相應(yīng)地，中國科技部也打算組織實行“十個城市1000輛車”方案［4］。該項目旨在將來的兩三年內(nèi)，我國局部地區(qū)的公交車、出租車等新能源汽車的社會服務(wù)體系能夠逐漸走向正軌。

電力網(wǎng)的運行和規(guī)劃將會由于電動汽車的大量覆蓋產(chǎn)生一定的變化。在文獻［3］中，通過采用蒙特卡羅模擬方法，分析出電力網(wǎng)中變壓器過載情況將隨著變壓器磁導(dǎo)率的變化而變化。由仿真可得，EV的充電功率能夠改變配電變壓器的過載幾率，若EV覆蓋率高，那么變壓器的使用壽命也會相應(yīng)的降低。

1 小區(qū)配電網(wǎng)對電動汽車充電的承載能力評估

大量電動汽車的接入將直接影響配電網(wǎng)的運作和布局。有針對性地研究電力系統(tǒng)可允許電動汽車最大充電負(fù)荷接入的極限情況，來降低其對電力系統(tǒng)的影響。

目前放射型的接線方式主要運用于小區(qū)的低壓配電網(wǎng)中［5］。因此，本文將供電方案簡圖轉(zhuǎn)化為最基本的配電網(wǎng)模型為研究對象。

本文基于上述配電網(wǎng)模型，運用電動汽車充電負(fù)荷和居民用電負(fù)荷的特點以及兩者彼此的關(guān)系，構(gòu)建小區(qū)配電網(wǎng)關(guān)于電動汽車充電負(fù)荷能夠容納最大充電數(shù)量的數(shù)學(xué)模型與評價措施。

1.1 承載能力評估數(shù)學(xué)模型

1．1．1 居民區(qū)內(nèi)住宅用電負(fù)荷

以A市為研究的樣本數(shù)據(jù)，通過對城市配電網(wǎng)規(guī)劃的深入研究得出，通常在小區(qū)規(guī)劃初期時，電力部門會根據(jù)小區(qū)的發(fā)展類型選出相應(yīng)的單戶用電負(fù)荷指標(biāo)及居民用電負(fù)荷同時率［1］。

居民用電負(fù)荷同時率與小區(qū)規(guī)模大小的關(guān)系如表1所示。

表1 用電負(fù)荷同時率與小區(qū)規(guī)模大小的關(guān)系［1］

綜合分析，在對小區(qū)用電負(fù)荷進行討論時需要將上述各影響要素加以計算。根據(jù)《湖北省電力公司客戶供電方案編制標(biāo)準(zhǔn)》，居民用電負(fù)荷在單臺配電變壓器下的值為：

式中：p為單個小區(qū)用戶的計算負(fù)荷（kW）；n為該區(qū)域擁有的入住數(shù)；λ為用電需用系數(shù)；a為小區(qū)用電負(fù)荷同時率［1］。

按照該小區(qū)的住宅用戶數(shù)量、小區(qū)性能定位、居民住宅用電負(fù)荷以及功率因數(shù)和用電裕度等參數(shù)，能夠計算出小區(qū)配電變壓器的容量確定對比值：

式中：S1為變壓器容量對比值（kVA）；k’為用電負(fù)荷浮動值；cosφ為居民用電負(fù)荷功率因數(shù)。

按照式（2）可計算得到變壓器容量對比值，那么配電變壓器的實際容量和型號就可按照下式確定。

式中，S是所選配電網(wǎng)變壓器容量；SA為10 kV變壓器的額定容量序列。

聯(lián)立公式（3）和公式（4）得小區(qū)實際運行中的配電變壓器承載率β。

1．1．2 居民區(qū)內(nèi)電動汽車充電負(fù)荷

根據(jù)前文分析可知，電動汽車充電負(fù)荷曲線與電網(wǎng)實際負(fù)荷曲線一樣，最大值及最小值也會在不同時間點出現(xiàn)。因此，在討論變壓器可容納電動汽車最大充電容量時，需要以接入配電網(wǎng)的充電負(fù)荷最大值為研究對象。

電動汽車規(guī)模、充電功率、日行駛里程數(shù)及開始充電時刻等動態(tài)因素都會時時刻刻影響著電動汽車充電負(fù)荷數(shù)量，其中電動汽車規(guī)模會對電動汽車充電負(fù)荷峰值的大小起著決定性的作用［1］。通過研究小區(qū)中電動汽車占總汽車數(shù)量的百分比，就能夠以此作為評價配電網(wǎng)對于充電負(fù)荷承載能力的重要依據(jù)，其計算表達式為：

式中：為居民小區(qū)中電動汽車覆蓋率；mEV為小區(qū)內(nèi)電動汽車總數(shù)（輛）；m為小區(qū)汽車總數(shù)。

為了簡便計算，先設(shè)定每戶居民擁有一輛汽車。

按照前文中對于電動汽車充電負(fù)荷同時率的定義與物理意義，能夠列出對于電動汽車充電負(fù)荷曲線的最大值與電動汽車數(shù)量的表達式：

式中：pEV為單輛電動汽車的充電功率（kW）；NEV為電動汽車充電同時率。

電動汽車充電負(fù)荷最大值的大小與該地段的電動汽車數(shù)量及其充電功率呈現(xiàn)緊密相關(guān)性。

1．1．3 電動汽車最大覆蓋率

經(jīng)研究出的結(jié)論可知，當(dāng)車為無序充電時，其充電負(fù)荷互同時率［1］為非恒定值，而是在一定區(qū)域內(nèi)隨機分布。

聯(lián)立式（2）、（6）可以求得居民小區(qū)配電網(wǎng)可以承載的最大電動汽車覆蓋率m為：

通過式（8）可以得到電動汽車最大覆蓋率與變壓器負(fù)載率之間的關(guān)系，適用于評估小區(qū)規(guī)劃過程中，采取不同變壓器容量選擇措施時配電網(wǎng)對于電動汽車充電負(fù)荷的承載能力，也就是說，為了讓變壓器處于“經(jīng)濟容量”運行狀態(tài)，即配電變壓器的承載率在0．5～0．6之間，此時可以得出該區(qū)域配電網(wǎng)可承載的電動汽車最大覆蓋率。

1.2 搭建配電網(wǎng)模型

現(xiàn)應(yīng)用Matlab中Simulink搭建該配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該配電網(wǎng)有2個電壓等級，分別為10 kV和0．4 kV［6］。電源側(cè)為一個10 kV主供電源及一個10 kV備供電源供電，采用環(huán)路、多端供電模式，保證可靠、不間斷供電。

將該配電網(wǎng)的小區(qū)負(fù)荷等效為5個負(fù)荷點，分別為Load1～Load5，小區(qū)負(fù)荷的基礎(chǔ)負(fù)荷為實測負(fù)荷，結(jié)合本文對小區(qū)居民住戶的數(shù)量做相應(yīng)調(diào)整。同時，該配電網(wǎng)中含有5個變壓器，分別為T1～T5，電壓轉(zhuǎn)換等級均為10 kV／0．4 kV。

根據(jù)式（7）分析可知，居民配電網(wǎng)可以承載的電動汽車最大覆蓋率m與小區(qū)規(guī)模、電動汽車充電功率等各方面因素相關(guān)。m代表對于電動汽車充電負(fù)荷的覆蓋程度，即住宅小區(qū)配電網(wǎng)可以承受的最大能力，當(dāng)小區(qū)內(nèi)電動汽車覆蓋率大于m時，則配電變壓器就會有過載的風(fēng)險，此時電動汽車規(guī)模便超過了小區(qū)配電網(wǎng)的承載能力。

聯(lián)立式（2）、式（6）和（7）可以得到：

2 算例分析

本文針對兩種情形進行算例分析。情形1：該小區(qū)所有配電變壓器中超過額定負(fù)載率的變壓器數(shù)量與電動汽車覆蓋率的關(guān)系。情形2：添加時間變化因子，討論小區(qū)初始負(fù)荷以及電動汽車覆蓋率由于時間維度的影響出現(xiàn)的變化情形。

（1）情形1：針對該小區(qū)，結(jié)合前文所建立的評估模型得到變壓器超過額定負(fù)載率的數(shù)量與電動汽車覆蓋率的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 該小區(qū)配電變壓器過載情況

圖1 展示了該小區(qū)在不同覆蓋率的電動汽車接入后，變壓器中出現(xiàn)超過額定負(fù)載率的變壓器數(shù)量。

如圖1所示，出現(xiàn)變壓器過載現(xiàn)象的比例會隨著電動汽車覆蓋率的增長而增加。以3 kW充電為例，當(dāng)電動汽車覆蓋率不高于54%時，配電變壓器過載比例為0；而當(dāng)覆蓋率達到100%時，變壓器過載比例將增長至42%以上。同時，從圖中還可以看出，同樣規(guī)模的電動汽車，采用的充電功率越大，小區(qū)配電網(wǎng)出現(xiàn)變壓器過載的比例也越高。

綜合分析情形1中結(jié)果可以得出結(jié)論：現(xiàn)有的居民小區(qū)并不能永久允許所有電動汽車接入該區(qū)域配電網(wǎng)；如果系統(tǒng)中出現(xiàn)變壓器過載現(xiàn)象，那么這種現(xiàn)象會隨著電動汽車覆蓋率的升高而持續(xù)升高；同時，保持電動汽車的覆蓋率一定，當(dāng)充電功率越大，配電網(wǎng)出現(xiàn)過載的比例也就越高。

（2）情形2：增加時間變化因子，探討小區(qū)初始負(fù)荷和電動汽車覆蓋率隨時間變化的狀況，結(jié)合居民用電負(fù)荷增長進行分析。

圖2為情形2中居民區(qū)配電變壓器負(fù)載率隨電動汽車覆蓋率增加的變化情形?，F(xiàn)設(shè)定電動汽車覆蓋率為每年增長5．12%，比較小區(qū)用電負(fù)荷增長率為0、1．845%和2．125%時存在的變化。由圖2可知，若設(shè)定居民負(fù)荷不隨時間增長，那么當(dāng)居民區(qū)電車覆蓋率為100%時，此時小區(qū)配電變壓器負(fù)載率為0．58。當(dāng)居民負(fù)荷增長率為1．812%、2．124%時，小區(qū)的電車臨界覆蓋率分別為89%、80%。

圖2 該小區(qū)配電變壓器負(fù)載率

3 總 結(jié)

本文所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型可用于城市區(qū)域社區(qū)配電網(wǎng)電動汽車充電接受度的綜合評價。對配電網(wǎng)規(guī)劃有一定的參考價值。

通過仿真數(shù)據(jù)證明，配電網(wǎng)容納電動汽車最大充電數(shù)量的能力受到多項不定性因子的干擾。因此，在建立評估模型時要綜合考慮居民區(qū)住戶的經(jīng)濟條件、生活習(xí)慣等方面的影響，使得評估結(jié)果更加準(zhǔn)確。

居民區(qū)配電變壓器會因電動汽車的不斷滲入而導(dǎo)致存在過載風(fēng)險，所以在考慮配電網(wǎng)規(guī)劃運行時不可忽視電動汽車充電負(fù)荷所帶來的影響，應(yīng)適時調(diào)控充電負(fù)荷或升級配電網(wǎng)等措施，以保證配電網(wǎng)的運行安全性。