住宅地產(chǎn)電動汽車充電需求預(yù)測和協(xié)同調(diào)度分析

■ 韋古強 WEI Guqiang 劉 雷 LIU Lei 曹同利 CAO Tongli 高先進 GAO Xianjin 高白羽 GAO Baiyu

0 引言

隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，充電樁開始大規(guī)模使用，一方面，給電網(wǎng)帶來能源供給、穩(wěn)定運行、電能質(zhì)量等方面的影響；另一方面，充電樁不規(guī)范的使用易造成電力供需不平衡[1-2]。電動汽車充電負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性將直接影響電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性[3]，對于無序充電個體而言，以模糊推理充電負(fù)荷對電網(wǎng)的影響[4]，對充電樁行業(yè)的建設(shè)規(guī)劃具有十分重要的意義。

住宅地產(chǎn)是指以居住功能為主的住宅房地產(chǎn)，主要用于滿足居民需求。其對充電樁的需求相對固定，一般使用慢充，充電時間較長，以直流充電為主。國內(nèi)已經(jīng)建成了一批有序充電試點項目，在不影響小區(qū)居民正常用電的情況下，充分有效利用現(xiàn)有的配電容量，制定有序充電計劃，實時調(diào)整充電樁的輸出功率，達(dá)到“削谷填峰”的目的，引導(dǎo)用戶科學(xué)有序地充電[5-7]。

采用V2G（Vehicle-to-grid）技術(shù)，考慮適用于電力市場環(huán)境的傳統(tǒng)機組與大量電動汽車的協(xié)同調(diào)度策略[8]及電動汽車廣泛接入的配電系統(tǒng)靈活規(guī)劃策略[9-10]，低谷充電時可降低短時間內(nèi)充電負(fù)荷給電網(wǎng)造成的壓力[11-12]，光伏儲能充電時則利用清潔能源做到隨用隨充[13-14]，可有效協(xié)調(diào)電動汽車與電網(wǎng)[15]，做到互聯(lián)互通，合理調(diào)度。本文在高、中、低不同車樁配比水平下，測算住宅地產(chǎn)到2030年的充電樁數(shù)量、日累計充電量及日最大負(fù)荷，進一步分析不同協(xié)同調(diào)度技術(shù)方案對降低最大充電負(fù)荷方面的作用，為優(yōu)化住宅充電站設(shè)計，控制投資風(fēng)險提供一種決策方法與依據(jù)。

1 住宅地產(chǎn)充電樁數(shù)量

住宅地產(chǎn)建設(shè)充電樁需要用戶擁有自有產(chǎn)權(quán)車位，以慢充電樁為主，存在充電高峰或低谷，對容量有較高的要求。

據(jù)統(tǒng)計，2018年全國城鎮(zhèn)住宅地產(chǎn)總存量面積達(dá)到273億m2。若按城鎮(zhèn)住宅存量房平均90 m2/套來計算，則我國城鎮(zhèn)住宅總存量房約為3億套。

假定年新增地產(chǎn)面積不變，則未來10年中，每年新增住宅面積為147 929萬m2。按90 m2/套計算，則每年新增住宅數(shù)量為1 643.6萬套。根據(jù)住宅地產(chǎn)車位配比率1∶0.8測算，則存量車位數(shù)為2.4億個，每年新增車位數(shù)量為1 314萬個。

測算2020年充電樁數(shù)量情況，對比出2030年充電樁的增長情況，以此來預(yù)估充電樁在未來10年的發(fā)展情況。由于目前我國車樁配比不高，2020年配比率不會出現(xiàn)大幅增長。假設(shè)2020年配比率為10%，那么2020年充電樁的數(shù)量可達(dá)2 709.7萬個。未來10年，車樁配比會逐漸提高，將充電樁與車位數(shù)配比按照40%中配、80%高配測算，可得到如表1所示的2030年充電樁數(shù)量。

表1 2030年全國住宅充電樁數(shù)量

2 平均充電時長

由于居民早出晚歸，存在充電高峰期，一般對充電時長要求不高。目前，家用充電樁分為兩種型號規(guī)格，其充電功率分別為3.5 kW（220 V，16 A）和7 kW（220 V，32 A）。如果使用3.5 kW規(guī)格的充電樁，大約需要7.5～9 h充滿電；若使用7 kW規(guī)格的充電樁，一般需要3.5～4 h充滿電[16]。

分析2016年—2018年中國電動汽車銷量特征，可知新能源車?yán)m(xù)航300～400 km的占比可達(dá)到50%，400 km以上續(xù)航占比已經(jīng)超過39%，兩者合計占比接近90%[17]。綜合考慮小區(qū)充電的容量限制和充電時長，未來住宅小區(qū)充電樁配置將以交流充電為主。

假定年新增地產(chǎn)面積不變，住宅地產(chǎn)車位配比率為1∶0.8，設(shè)定至2030年，高續(xù)航車輛占比可達(dá)100%（7 kW）。設(shè)日充電需求時長為h，乘用車日行駛里程為l，百公里耗電量為W，則配套充電樁為P的日充電需求為：

假定乘用車日行駛里程為80 km[18]，則百公里耗電量為10 kWh，每日行駛需求的平均充電時長為1.15 h。

3 充電電量和負(fù)荷

考慮充電樁的使用率后[19]，發(fā)現(xiàn)2016年—2018年，國內(nèi)私人充電樁的使用率不足20%，且2018年較2016年提升4.4個百分點。按此增長速度，2020年充電樁使用率可達(dá)26.9%；到2030年，充電樁使用率可達(dá)40.1%。設(shè)日充電量為W1，使用率為α，按充電功率7 kW計算，則日累計充電量為：

經(jīng)計算，2020年日累計充電量達(dá)5 867.72萬kWh，以此測算2030年，計算結(jié)果如表2所示。

考慮充電樁充電同時率為80%，則2020年日最大充電負(fù)荷可達(dá)15 174.32萬kW，繼而測算2030年日最大充電負(fù)荷結(jié)果如表3所示。

對比2020年和2030年充電樁的發(fā)展情況，住宅地產(chǎn)充電樁數(shù)量和日最大充電負(fù)荷增加近200%，日累計充電量增長將近400%，充電容量需求增長需要大量新增充電和配電設(shè)施投資。

4 案例分析

電動汽車保有量不斷增加，規(guī)?；臒o序充電會造成配電網(wǎng)變壓器供電容量的不足，這是因為在設(shè)計小區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)供電方案未考慮到電動汽車負(fù)荷容量的預(yù)留。目前電力負(fù)荷缺額增大，峰谷差的加劇促進了峰谷電價的出現(xiàn)。

以北京某居民小區(qū)為例，該小區(qū)有居民住宅500戶，1 000 kVA配電變壓器3臺，總?cè)萘? 000 kVA，每戶住宅用電規(guī)劃容量6 kW。小區(qū)充電樁一般采用標(biāo)準(zhǔn)的220 V交流電壓，7 kW單個充電樁裝機容量[20]仍按平均充電時間1.15 h計算并代入式（2），分別在車樁比40%和80%的條件下計算充電電量和容量需求，計算結(jié)果如表4所示。

考慮到無功補償裝置及電網(wǎng)的用電預(yù)量，小區(qū)內(nèi)可使用的功率不足2 700 kW，80% 的車樁配置負(fù)荷可以達(dá)到2 240 kW，電動汽車充電的用電容量將達(dá)到變壓器容量的82.96%，顯著影響小區(qū)用戶用電。若更換變壓器或者進行改造，將面臨投資金額和來源的壓力。因此，如何在不增加基礎(chǔ)設(shè)施投資的情況下，提高小區(qū)電動汽車充電服務(wù)能力，緩解充電帶來的用電壓力，是一個迫切需要解決的問題。

表2 2030年全國住宅日累計充電量

表3 2030年全國住宅日最大充電負(fù)荷

表4 2020年北京某小區(qū)充電樁使用情況

5 充電站協(xié)同調(diào)度技術(shù)

電動汽車從多能互補控制器上獲取電能，電能可能來自配電網(wǎng)、光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能、儲存的電能或其它能源。當(dāng)處于用電低峰或者光照充足時，電動汽車本身可作為儲能設(shè)備儲存電能；當(dāng)達(dá)到用電高峰期電網(wǎng)供電能力降低時，即可從儲能設(shè)備獲取電能，達(dá)到整個配電網(wǎng)及車與車之間能量流動的目的，從而避免對電網(wǎng)產(chǎn)生過大的負(fù)荷壓力（圖1）。

5.1 有序充電

有序充電過程是建立在電動汽車與充電樁信息交互的基礎(chǔ)上，利用充電負(fù)荷的可移動性和可調(diào)度性來正確引導(dǎo)電動汽車的有序充電，從而降低對配電網(wǎng)的不利影響。

大量電動汽車在時間和空間上的無序充電，會出現(xiàn)用戶充電難、效率降低及充電站利用率分布不均等問題。因此，針對電動汽車充電需求在時間和空間上的不確定性，考慮用戶的位置信息、行駛路線、充電時間和等候時間，盡量縮短充電行為全過程總用時。

但目前電動汽車產(chǎn)業(yè)尚不完善，汽車與充電樁的數(shù)據(jù)較難獲取，汽車與充電樁難以達(dá)到最優(yōu)配合，調(diào)度系統(tǒng)仍需進一步優(yōu)化與完善。

5.2 低谷充電

圖1 住宅小區(qū)充電站協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)示意圖

為避免大規(guī)模充電樁在同時使用時出現(xiàn)充電負(fù)荷峰谷差的情況，需要更好的管理機制，調(diào)動大量汽車參與低谷調(diào)峰。參與量越大，系統(tǒng)運行的總成本越低，低谷時段的填谷容量增加，從而日負(fù)荷峰谷率下降。

大規(guī)模無序充電會增加電網(wǎng)負(fù)荷峰值，為達(dá)到對負(fù)荷的移峰填谷和消納電能的目的，可根據(jù)負(fù)荷峰谷計劃分時電價策略，自動調(diào)節(jié)用電高峰。分時電價是將日時段根據(jù)用電峰值劃分為峰、谷、平3個區(qū)間段，每一個區(qū)間段給定不同的電價，從而鼓勵和調(diào)節(jié)電動汽車用戶更好地參與低谷調(diào)峰。

5.3 光伏充電儲能

光伏儲能是一種重要的分布式能源應(yīng)用形式，在做到光伏電即發(fā)即用的同時，也能減小電動汽車對不清潔能源的間接需求。但光伏充電存在出力不穩(wěn)定、充電負(fù)荷不確定等問題，會導(dǎo)致光伏功率的間歇性剩余和電網(wǎng)功率的隨機波動。儲能設(shè)備具有快速響應(yīng)特性和可調(diào)度性，可參與功率的調(diào)節(jié)。在日充電負(fù)荷變化不大且負(fù)荷需求不確定的時候，可以根據(jù)實時充電負(fù)荷和光伏出力變化情況對儲能進行充放電。若根據(jù)峰谷差率聯(lián)合配置光伏和儲能，能夠?qū)崿F(xiàn)充電站的經(jīng)濟運行和負(fù)荷優(yōu)化作用。

5.4 V2G技術(shù)

電動汽車具有高強度的靈活性和可調(diào)度性，部分電動汽車具有V2G能力，即具有電池電量回饋電網(wǎng)的能力，實現(xiàn)電動汽車和電網(wǎng)間的雙向通信和雙向能量流。電動汽車需用電時即充電，閑置時可放電，通過合理的調(diào)度，利用V2G技術(shù)控制其充放電，加強車與車、車與電網(wǎng)之前的協(xié)作，可以降低電動汽車充電成本和網(wǎng)損成本，還可以改善負(fù)荷曲線。

V2G模式下的電動汽車要盡量在用戶需求得到滿足的前提下盡量減小充電成本，提高經(jīng)濟性。同時，在向電網(wǎng)放電時，盡量降低電網(wǎng)負(fù)荷的波動，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

綜上所述，如果電動汽車持續(xù)替代燃油車，2030年，住宅地產(chǎn)場景在40%配比下，充電樁數(shù)量、充電電量和充電負(fù)荷分別增長193.75%、337.89%、193.75%，在80% 配比下，分別增長387.87%、627.26%、387.87%。為了控制地產(chǎn)項目充電設(shè)施投資風(fēng)險，降低充電負(fù)荷增長對城市電網(wǎng)供電能力的壓力，隨著充電樁的增加，分階段應(yīng)用有序充電、低谷充電、光儲充、V2G等協(xié)同調(diào)度技術(shù)，能夠顯著提高充電設(shè)施和配網(wǎng)滿足充電需求的彈性，降低投資風(fēng)險的同時滿足電動汽車的快速增長對電能的需求。

充電站協(xié)同調(diào)使汽車充電與光伏發(fā)電、儲能及V2G等能源設(shè)備協(xié)調(diào)互補度利用，構(gòu)成了住宅地產(chǎn)場景的綜合能源系統(tǒng)。進一步與燃?xì)?、供暖和制冷等能源設(shè)備綜合利用，可以使一次綜合能效進一步提升，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益。