分散式充電樁接入對(duì)低壓配電網(wǎng)運(yùn)行及規(guī)劃影響分析

國(guó)網(wǎng)江蘇電力有限公司南京供電分公司 袁 蓓 陸柳敏 徐正安

近年來，電動(dòng)汽車在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，銷量逐年上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅南京市目前便有充電站點(diǎn)1746個(gè)，充電樁22898個(gè)。電動(dòng)汽車的充電模式通?？煞譃榭斐浜吐鋬煞N模式，一般情況下，快充是在充電站進(jìn)行，用于滿足用戶迅速補(bǔ)充電能，但充電功率較大對(duì)電動(dòng)汽車的電池有一定損害。因此，一版電動(dòng)私家車多以慢充的模式進(jìn)行充電。而當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)行慢充時(shí)，通常是通過分散式充電樁直接接入低壓配電網(wǎng)。

配電變壓器是低壓配電網(wǎng)中最重要的配電設(shè)備，隨著電動(dòng)汽車規(guī)?；尤肱潆娋W(wǎng)，充電負(fù)荷需求也會(huì)隨之增大，將會(huì)對(duì)配電變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。因此，當(dāng)電動(dòng)汽車規(guī)模發(fā)展到一定程度，有必要在規(guī)劃配電變壓器的新建和擴(kuò)容改造時(shí)考慮充電負(fù)荷的需求及其負(fù)荷特性。因此，了解電動(dòng)汽車充電負(fù)荷特性，可以發(fā)揮其在配電網(wǎng)系統(tǒng)中削峰填谷、消納可再生能源等積極關(guān)鍵的作用；分析充電對(duì)配電網(wǎng)的影響，利于及時(shí)制定相關(guān)的策略或措施來應(yīng)對(duì)，防患于未然，保證客戶可靠用電。

1 充電負(fù)荷特性研究

充電負(fù)荷特性諸多影響因素有關(guān)，各因素直接具有隨機(jī)性和關(guān)聯(lián)性，在此按出行功能可分為私家車、公交車、出租車和公務(wù)車等類型。隨著電動(dòng)汽車正在快速發(fā)展，預(yù)計(jì)2030年的各類電動(dòng)汽車數(shù)量是2020年的5-6倍，其中私家車數(shù)量最多，達(dá)到4744.41-5835.3萬輛，這樣大規(guī)模的接入電網(wǎng)充電，將會(huì)對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的沖擊[1]，因此研究充電負(fù)荷特性對(duì)于未來的電力規(guī)劃和建設(shè)具有重大意義，同時(shí)，也為入網(wǎng)充電制定相關(guān)的策略，實(shí)現(xiàn)供用電雙方利益的最大化。

在影響電動(dòng)汽車負(fù)荷特性因素中，可分為起始充電時(shí)間、充電功率以及日行駛里程等三個(gè)方面。針對(duì)起始充電時(shí)間，充電集中時(shí)間段由決定起始充電時(shí)間，借鑒某市對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研的過程中，繪制的當(dāng)?shù)爻潆姇r(shí)間分布，如圖1所示[1]。從圖中可以看出：充電負(fù)荷會(huì)因?yàn)槭汲潆姇r(shí)間的不同集中在不同時(shí)間段；同一類型的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷因出行目的不同在工作日和節(jié)假日也存在著差異。

圖1 各類電動(dòng)汽車充電時(shí)間段分布圖

針對(duì)不同出行需求，車主的充電時(shí)間長(zhǎng)短不同，例如白天運(yùn)營(yíng)的公交車和出租車只允許短時(shí)間的停留，所以需要在短時(shí)間內(nèi)將電池充滿，而私家車一般夜間不會(huì)使用，有充足的時(shí)間進(jìn)行小功率充電。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)交流和直流電壓電流規(guī)定如下[2-3]。

交流充電接口的額定值為，額定電壓250V，額定電流10/16/32A；額定電壓440V，額定電流6/32/63A；額定電壓750/1000V，額定電流80、125、200、250A。

針對(duì)日行駛里程，在每公里平均消耗電能一定的情況下，行程決定了用電量。目前，電動(dòng)汽車日行程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)尚不完善，電動(dòng)汽車行駛規(guī)律與燃油車相似[4]，所以可以將燃油車日行駛里程數(shù)運(yùn)用到電動(dòng)汽車上。

2 充電負(fù)荷建模及無序充電對(duì)低壓配電網(wǎng)影響

2.1 基于出行鏈的充電負(fù)荷建模及無序充電對(duì)配電網(wǎng)的影響

2.1.1 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空分布模型

在分析充電負(fù)荷特性及研究充電負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)影響過程中，必須首先建立電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)空分布模型。其中，電動(dòng)汽車的充電需求與其出行規(guī)律緊密相關(guān)，需要準(zhǔn)確描述電動(dòng)汽車的日常出行特征。目前，研究電動(dòng)汽車出行時(shí)空分布特性的方法主要有交通起止點(diǎn)、停車生成率法、出行鏈理論和分析法等。鑒于出行鏈的概念可以相對(duì)準(zhǔn)確地描述汽車的日常出行規(guī)律，結(jié)合從NHTS2017[5]數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取得到的汽車出行統(tǒng)計(jì)信息，因此本文將基于出行鏈的概念對(duì)電動(dòng)汽車出行的時(shí)空分布特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

在NHTS2017數(shù)據(jù)庫(kù)中，電動(dòng)汽車的出行目的分為回家、工作、購(gòu)物/辦事、社交/娛樂和其他等5類。電動(dòng)汽車的出行習(xí)慣決定了其行駛1及停駐情況，進(jìn)一步影響汽車耗電量、可能充電地點(diǎn)和允許充電時(shí)段。同時(shí)，電動(dòng)汽車的充電行為習(xí)慣則直接決定了充電負(fù)荷需求的時(shí)空特性。在“一日一充”的模式下，電動(dòng)汽車用戶每天對(duì)電動(dòng)汽車充電，且每次都將電池充滿以保證第二天出行需求。而“一日多充”模式下，電動(dòng)汽車用戶一般在行程中在充電點(diǎn)暫時(shí)停留進(jìn)行充電，一般是公共停車場(chǎng)或集中充電站。圖2統(tǒng)計(jì)了電動(dòng)汽車起始充電時(shí)的荷電狀態(tài)，可以看出電動(dòng)汽車用戶對(duì)于“低SOC”的判斷是相對(duì)保守的，并大致服從正態(tài)分布[6]。

圖2 充電起始荷電狀態(tài)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)于電動(dòng)汽車充電行為的分析，文本主要考慮居民區(qū)為主的充電場(chǎng)景。在此情況下，充電頻次為“一日一充”和“多日一充”，即車主每天在行程結(jié)束后，根據(jù)電動(dòng)汽車荷電狀態(tài)來判斷是否需要對(duì)電動(dòng)汽車充電。

2.2 電動(dòng)汽車充電對(duì)低壓臺(tái)區(qū)的影響

需要指出的是，本文中所述低壓配電網(wǎng)定義為380/220V 的低壓臺(tái)區(qū)，區(qū)域中主要以居民負(fù)荷為主。電動(dòng)汽車充電對(duì)于低壓臺(tái)區(qū)的影響主要分為電壓偏差、諧波電流損耗與網(wǎng)絡(luò)損耗以及配電變壓器容量規(guī)劃等方面。

2.2.1 諧波危害

由于充電樁是一種非線性負(fù)荷，其接入會(huì)給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重諧波污染。主要表現(xiàn)在增加電氣設(shè)備的額外損耗、供電設(shè)施線路的損壞率增加以及低壓臺(tái)區(qū)線損率升高等等。

2.2.2 電壓偏差

由于現(xiàn)階段大部分零散式充電樁屬于居民申請(qǐng)安裝在小區(qū)公共停車區(qū)域，使用電價(jià)為開通分時(shí)的為民居電價(jià)，因此，大量充電負(fù)荷將轉(zhuǎn)移至用電低谷時(shí)段，與原本的基礎(chǔ)用電曲線疊加下，會(huì)對(duì)原本配網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，造成電壓偏差。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)損耗

一般情況下，充電負(fù)荷的波動(dòng)越大，網(wǎng)損率越高，即當(dāng)一天的充電電量相同的情況下，充電的負(fù)荷波動(dòng)越大，網(wǎng)絡(luò)損耗越多。意味著在相同充電量的情況下，需要保持充電需求曲線的平穩(wěn)，盡量避免充電負(fù)荷曲線出現(xiàn)大幅波動(dòng)，以減小此類負(fù)荷帶來的網(wǎng)絡(luò)損耗[7]。

2.2.4 配電變壓器容量規(guī)劃

在考慮充電負(fù)荷對(duì)配電變壓器負(fù)載率和負(fù)荷率的影響時(shí)，因?yàn)榕潆娮儔浩魇堑蛪号_(tái)區(qū)中最重要的配電設(shè)施之一，其負(fù)載率和負(fù)荷率直接影響配變運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。配變負(fù)載率可以衡量配電變壓器剩余容量裕度狀態(tài)，判斷變壓器是否過載。

配變負(fù)載率表達(dá)式如式（1）所示。

3 計(jì)及電動(dòng)汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法

下面，假設(shè)以某市某個(gè)普通居民區(qū)作為低壓臺(tái)區(qū)的代表，研究電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)配變負(fù)載率和配變負(fù)荷率的影響。該低壓臺(tái)區(qū)由一臺(tái)配電變壓器供電，配變的容量為500kVA，功率因數(shù)為0.9。臺(tái)區(qū)內(nèi)共有150戶居民用戶，當(dāng)電動(dòng)汽車數(shù)量分別為50輛、100輛、150輛時(shí)，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的充電負(fù)荷并疊加到居民負(fù)荷上，最后得到的配變?nèi)肇?fù)荷曲線如圖3所示。

圖3 不同電動(dòng)汽車數(shù)量下的配變?nèi)肇?fù)荷曲線

對(duì)不同電動(dòng)汽車數(shù)量下的配變負(fù)載率和配變負(fù)荷率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

不同電動(dòng)汽車數(shù)量下的配變負(fù)載率和負(fù)荷率：電動(dòng)汽車數(shù)量0輛，配變負(fù)載率80.0%，配變負(fù)荷率60.1%；電動(dòng)汽車數(shù)量50輛，配變負(fù)載率89.2%，配變負(fù)荷率58.1%；電動(dòng)汽車數(shù)量100輛，配變負(fù)載率98.4%，配變負(fù)荷率56.5%；電動(dòng)汽車數(shù)量150輛，配變負(fù)載率107.6%，配變負(fù)荷率55.2%。

根據(jù)結(jié)果可知，隨著低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車數(shù)量增加，臺(tái)區(qū)內(nèi)配變負(fù)載率顯著升高；同時(shí)，配變負(fù)荷率下降。當(dāng)?shù)蛪号_(tái)區(qū)內(nèi)的電動(dòng)汽車的數(shù)量達(dá)到150輛時(shí)，配變負(fù)載率將從接入充電負(fù)荷前的80%上升到107.6%，出現(xiàn)過載[8]。因此，電動(dòng)汽車無序充電會(huì)造成低壓臺(tái)區(qū)配變負(fù)載率升高及配變負(fù)荷率下降，從而造成配電變壓器的安全性和經(jīng)濟(jì)性下降。

由于配電變壓器所服務(wù)的低壓臺(tái)區(qū)主要由居民負(fù)荷組成，在預(yù)測(cè)負(fù)荷需求過程中，一般采用需要系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

使用需要系數(shù)法進(jìn)行居民負(fù)荷預(yù)測(cè)的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中，Ppre表示預(yù)測(cè)的臺(tái)區(qū)最大負(fù)荷需求，Kx表示需要系數(shù)，Ptoc為臺(tái)區(qū)內(nèi)用電設(shè)備的總?cè)萘?。確定配變參數(shù)時(shí)，包括選取配變?nèi)萘亢团渥償?shù)目。在民用建筑中，配變?nèi)萘看笮】梢杂檬剑?）所示：

式中，ST為配電容量，β 為配變負(fù)載率，cosφ為補(bǔ)償后的平均功率因數(shù)。

在常規(guī)的配電變壓器容量規(guī)劃方法的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)居民區(qū)為主的低壓臺(tái)區(qū)，提出了計(jì)及電動(dòng)汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法。

首先估計(jì)低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)的電動(dòng)汽車數(shù)量。由百戶汽車保有量和電動(dòng)汽車滲透率，計(jì)算出低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)的電動(dòng)汽車保有量水平。再由電動(dòng)汽車滲透率，計(jì)算得到電動(dòng)私家車保有量。

低壓臺(tái)區(qū)的電動(dòng)汽車保有量可以由式（4）得到：

接下來，對(duì)低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷特性進(jìn)行描述。同時(shí)，根據(jù)低壓臺(tái)區(qū)內(nèi)居民用戶的組成情況，用需要系數(shù)法對(duì)臺(tái)區(qū)內(nèi)的居民負(fù)荷進(jìn)行估算。

4 計(jì)算驗(yàn)證

低壓臺(tái)區(qū)以居民負(fù)荷為主，因此本文以居民區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)本文所提出的計(jì)及電動(dòng)汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法進(jìn)行計(jì)算分析。

在算例中，參考文獻(xiàn)[9]對(duì)各類居民區(qū)的配變負(fù)載率進(jìn)行選取，得到了不同檔次居民區(qū)在不同的電動(dòng)汽車發(fā)展情況下，配電變壓器的容量規(guī)劃結(jié)果，具體如表1所示。

表1 各類居民區(qū)配變?nèi)萘恳?guī)劃結(jié)果[7]

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)分散式充電樁大規(guī)模接入對(duì)低壓配電網(wǎng)造成的影響進(jìn)行了分析，提出了一種考慮分散式充電樁接入的配電變壓器容量規(guī)劃方法。在研究充電負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上，對(duì)充電負(fù)荷進(jìn)行了建模。同時(shí)，分析了無序充電情況下充電負(fù)荷對(duì)低壓配電網(wǎng)的影響。以居民區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)本文所提出的計(jì)及電動(dòng)汽車的配電變壓器容量規(guī)劃方法進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明，電動(dòng)汽車的發(fā)展規(guī)模和充電行為將會(huì)對(duì)配電變壓器的規(guī)劃結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。隨著電動(dòng)汽車滲透率的擴(kuò)大，配變?nèi)萘啃枨笠搽S之增大；接入對(duì)不同檔次居民區(qū)的配變?nèi)萘恳?guī)劃結(jié)果影響也有區(qū)別，對(duì)高檔居民區(qū)的影響相對(duì)而言更大；電動(dòng)汽車的有序充電有利于減小配變?nèi)萘啃枨蟆?/p>