計及電動汽車接入的配電網負荷預測探討

國網合肥供電公司 張 弘 朱 健 梁 駿 李勇濤 桂 寧

1 概述電動汽車充電特性和出行規(guī)律

1.1 電池特性

1.1.1 電池特性

當前電動汽車主要是利用動力電池、主要包括鉛酸電池和鋰電池，不同種類的電池具有不同的充電負荷和負荷曲線。鋰離子電池供給功率較高，同時具有良好的充放電特性，此外還具有較高的電壓輸出值和較低的損耗率，整體使用壽命比較長，正是因為這些優(yōu)勢，因此鋰離子電池是當前主要的電動汽車動力電池[1]。

1.1.2 充電需求

電動汽車電力需求不斷發(fā)生變化，為確定電動汽車充電負荷，需結合電池充電初始階段的電荷狀態(tài)（SOC），SOC是一種函數，取值范圍是0～100%。電動汽車在實際運行過程中，如果降低SOC到一定閾值以下，并且剩余SOC無法滿足電動汽車運行需求，電動汽車需要在充電站充電。在電動汽車運行過程中，如果電動汽車荷電狀態(tài)呈現(xiàn)出線性下降狀態(tài)，需要估算汽車行駛里程，從而確定起始充電階段荷電狀態(tài)。

1.1.3 充電方式

恒流充電法：指電池在充電過程中電流值保持不變，為此需調節(jié)串聯(lián)電阻或充電器輸出值，但利用這種方法需要加強控制電流，如充電電流較大將會損害電池組，如充電電流較小將會延長充電時間，在后期電池飽和狀態(tài)中還會通過電流，極化電池內部的氣體，因此損害電池，因此當前很少利用這種方法[2]；恒壓充電法：指保持充電電壓值不變，其具有更高的效率，但也存在不足之處。如在電池充電初期，如提供過大的電壓、且電池無法承受，將會擊穿極板或引發(fā)電池組變形問題，大幅度縮短電池壽命。電池充電進入到最后階段，因為電壓較高，將會減少充電電流，同時會延長充電時間，電池充電效率因此受到影響。

階段式充電法：主要是利用二階段或三階段充電方式。可進一步劃分二階段充電為恒流階段和恒壓階段，在充電初期利用恒流充電，因此控制電池內部電壓，如電壓不斷提升到允許值，將會轉變?yōu)楹懔鞒潆娔Ｊ?。利用恒流充電方式可解決充電末期效率較低的問題，同時可保證電池的安全性，實現(xiàn)快充需求。

當前在電動汽車充電站主要是利用兩階段充電法，首先實施恒流充電，其次利用恒壓充電。在恒流充電過程電池端電壓不斷變化，在恒壓充電過程中充電電流也會不斷變化，以此電池充電功率也在不斷發(fā)生變化。為簡化計算過程，需根據電子充電過程建立恒功率模型，利用某一數值表示電動汽車的充電負荷[3]。

1.2 電動汽車出行路線

構建交通流分配模型有利于電動汽車合理選擇出行路線。利用交通分配可預測交通小區(qū)之間的OD矩陣，根據路網結構信息，在路網全部路段上覆蓋交通分配模型中的規(guī)則，從而計算出所有路段的交通流量值。本文根據交通流分配模擬電動汽車出行路線，在路徑模擬過程中，需檢查電動汽車電量和車輛位置等信息，從而計算出電動汽車充電負荷。為明確交通流量分布，需在目前路網上劃分OD，檢測路網的合理性，是否可滿足預測年的新要求，可在當前路網上劃分預測年OD流量。在設計方案規(guī)劃之前，可在未來的路網上劃分預測年的OD流量，通過對比篩選不同的方案，明確不同設施的建設方法和時間[4]。

在分配路網流量前需要明確交通阻抗函數，駕駛員在選擇路徑的過程中需考慮路阻因素，同時需考慮所選路徑的實際行駛時間和路段長度以及附加收費等方面，可通過加權系數反映出這些路阻因素的重要程度，轉化時間消耗和汽車運營養(yǎng)護成本為行駛時間和路段長度的費用。其中實際行駛速度關系到行駛時間，交通量不斷發(fā)生變化，行駛速度也會呈現(xiàn)出非線性變化趨勢，在模型中可利用BPR函數描述二者函數關系。在計算路網流量的過程中，需要根據路上交通流量重新計算各路段的實際行駛速度。

2 計及電動汽車接入的配電網負荷預測

2.1 配網接入電動汽車的適應性評估

2.1.1 評估方法

評估配網接入電動汽車的適應性，首先需計算電動汽車的負荷，可選擇用蒙特卡洛隨機模擬方法；其次需合理劃分供電區(qū)域，可根據配電網區(qū)域結構和負荷分布情況，在空間上分層分配相關負荷，確定電壓偏移和網損情況，因此評估配網接入電動汽車的適應性。電動汽車出行規(guī)律關系到電動汽車充電負荷，因此需要統(tǒng)計電動汽車出行規(guī)律，利用電動汽車負荷建模方式，通過概率模擬方法確定帶動汽車出行分布和充電工作的狀態(tài)參數，因此預測電動汽車負荷時空分布狀態(tài)[5]。劃分配電網為不同的供電區(qū)域，可根據結合常規(guī)電力負荷分布比例向各個節(jié)點分配電動汽車充電負荷，在完成分配之后，可結合配電網潮流值評估配網接入電動汽車的適應性。

2.1.2 評估步驟

確定常規(guī)負荷中系統(tǒng)裝填，需輸入支路參數和配電網拓撲結構以及電壓值等，確定網路不接入電動汽車階段的配網潮流；劃分供電區(qū)域。根據線路參數和配網結構等，根據電動汽車接入位置合理劃分供電區(qū)域；利用概率模擬法計算電動汽車充電中的不同參數，同時需要結合電動汽車出行規(guī)律，利用概率模擬法計算電動汽車充電階段和離開時刻等參數；預測電動汽車充電負荷，從而可合理分配空間，根據常規(guī)負荷空間分布特征和配電網分配電動汽車負荷，確定不同接入位置的電動汽車的負荷；計算電動汽車接入的網絡潮流；根據配電網網損負荷明確系統(tǒng)運行實際情況，從而獲得準確的評估結果[6]。

2.2 充電路徑引導下配網接入電動汽車的適應性分析

通過引導智能電動汽車充電路徑，分析配電網負荷和交通高流量的分布，從而為電動汽車用戶提供合適的充電路徑。可引入虛擬交通阻抗綜合分析交通程度和充電站負荷，有效控制交通擁堵情況，同時避免電動汽車充電負荷沖擊到電網。

將路段當前流量下的通行時間為路段權值，將通行時間作為交通阻抗，根據充電站負荷設置虛擬交通阻抗函數，當充電站負荷達到最大負荷，將會增加虛擬阻抗為+∞。電動站在充電階段，求取充電站預期負荷，需結合引導過的電動汽車充電功率和開始及結束充電時間。在配電網不同位置分布著充電站，如電網負荷較大，需控制充電站最大充電負荷在合理范圍內，保障電網運行的安全性。因此需向各個充電站合理分配電動汽車充電負荷，有利于保護電網。

2.3 交通要素對于配網接入電動汽車適應性的影響

在交通工程中，合理限速關鍵路段有利于改善交通流量分布情況，同時可增強路網容量。因此在關鍵路段對于電動汽車實施合理限速將會改善配電網負荷分布情況，顯著的提高配電網承載力。關鍵路段交通飽和度比較大，不利于提高路網總體容量，在擁堵時段可利用分車型交通控制方法方法向附近路段分流關鍵路段的流量。我國不斷推廣電動汽車，因此在路網充電站附近可能會發(fā)生新的擁堵點，合理限速電動汽車，可優(yōu)化高峰時段電動汽車的交通分布，降低車流量的交通壓力，同時可減少對于電網的沖擊。通過合理限速可改善整體路況，同時可降低電動汽車對于配電網的沖擊，促使充電網絡更好的適應電動汽車。

采用路徑引導情況下，3個配電子網網損分別下降0.005、0.0018、0.0001；采用路段限速情況下，3個配電子網網損分別下降0.0004、0.0017、0.0001。由此可發(fā)現(xiàn)，充電路徑經過引導之后優(yōu)于路段限速對于配電網的影響。實現(xiàn)充電路徑引導，因為改變電動汽車進站流量分布，可更加合理的分配各個充電站的負荷，優(yōu)化配電網中時空分布，優(yōu)化系統(tǒng)整體運行，提高配電網的運行性能。