規(guī)?；妱?dòng)汽車入網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響

王旻瑋，孫景文，魏大洋

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，推廣電動(dòng)汽車成為必然趨勢，電動(dòng)汽車在汽車市場的占有率也不斷提升。規(guī)?；妱?dòng)汽車的接入勢必對配電網(wǎng)產(chǎn)生重要的影響。因此，了解并準(zhǔn)確評估電動(dòng)汽車充電對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響對配電系統(tǒng)的升級和充電基礎(chǔ)設(shè)施的配建具有重要意義。

目前，已有眾多學(xué)者在大規(guī)模電動(dòng)汽車入網(wǎng)對配電網(wǎng)的影響和充電負(fù)荷建模領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]對以負(fù)荷方差最小化為目標(biāo)的優(yōu)化控制策略進(jìn)行了研究，證明負(fù)荷方差與網(wǎng)損有著緊密聯(lián)系，優(yōu)化配電網(wǎng)的網(wǎng)損一定程度上可等價(jià)于負(fù)荷方差的優(yōu)化。文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)分析了電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)對電網(wǎng)諧波的影響。文獻(xiàn)[3]以電動(dòng)汽車充放電效益最大為目標(biāo)函數(shù)，探討了利用電力價(jià)格彈性杠桿調(diào)度電動(dòng)汽車進(jìn)行充放電的可行性。文獻(xiàn)[4]對電動(dòng)汽車進(jìn)行分類，利用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)和蒙特卡洛模擬方法提出了基于時(shí)刻充電概率的負(fù)荷預(yù)測模型。文獻(xiàn)[5]提出了考慮隨機(jī)因素，以負(fù)荷方差最小化為目標(biāo)的優(yōu)化充電策略。

本文在借鑒以上研究成果的基礎(chǔ)上以常規(guī)充電為研究對象，結(jié)合汽車行駛規(guī)律，建立計(jì)及時(shí)空分布特性的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷需求模型。統(tǒng)籌考慮電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的雙邊利益，以配電網(wǎng)絡(luò)損耗最小和用戶充電支出最低為目標(biāo)函數(shù)，建立了規(guī)?；妱?dòng)汽車入網(wǎng)的優(yōu)化充電控制模型，對比了隨機(jī)和分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)方式下電動(dòng)汽車充電對配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗及節(jié)點(diǎn)電壓的影響。

1 充電負(fù)荷需求模型

1.1 用戶行駛規(guī)律建模

本文以傳統(tǒng)汽車的出行調(diào)查數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ)，考慮到用戶出行行為的多樣化，模擬得到日行駛里程d近似服從對數(shù)正態(tài)分布或韋伯分布，從而可以采用蒙特卡洛法生成基于各出行目的的出行距離，以滿足車輛使用習(xí)慣的多樣性。

考慮到電動(dòng)汽車用戶在居民區(qū)和工商業(yè)區(qū)的行車規(guī)律不同，工商業(yè)區(qū)的車輛停放時(shí)間一般是白天08：00—18：00，居民區(qū)的車輛停放時(shí)間一般是18：00至次日07：00。根據(jù)出行調(diào)查數(shù)據(jù)分析可得抵達(dá)工作地點(diǎn)時(shí)間和出行結(jié)束返回住所時(shí)間均近似服從正態(tài)分布。

1.2 EV充電負(fù)荷需求模型

本文采用鋰電池為研究對象，充電功率Pi近似為一定值Pc。

假設(shè)電動(dòng)汽車在給定時(shí)刻k開始充電的概率為Φ（k），不同引導(dǎo)方式下Φ（k）的分布不同。對于某區(qū)域內(nèi)數(shù)量為n的電動(dòng)汽車，一天內(nèi)任一時(shí)刻t的充電功率平均值為：

2 規(guī)模化電動(dòng)汽車充電對配電網(wǎng)的影響

電動(dòng)汽車充電涉及到電網(wǎng)和用戶兩方面。一方面，從用戶的利益出發(fā)，實(shí)施分時(shí)電價(jià)政策能夠?qū)τ脩舫潆娦袨檫M(jìn)行合理的引導(dǎo)，有利于配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，作為充電主體的用戶，可以根據(jù)自身情況通過自主選擇充電時(shí)段，節(jié)約充電支出。

本文探討了分時(shí)電價(jià)政策下，用戶充電行為的改變，通過設(shè)置不同的滲透率和用戶響應(yīng)度，以用戶充電支出最低和負(fù)荷波動(dòng)方差最小為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化模型，對比分析了隨機(jī)充電和分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)方式下電動(dòng)汽車接入對配電網(wǎng)的影響。

2.1 隨機(jī)充電

在沒有任何政策引導(dǎo)的情況下，電動(dòng)汽車用戶的充電行為比較隨意，一般在用戶結(jié)束用車停車的同時(shí)開始充電。其充電開始時(shí)刻根據(jù)分布函數(shù)式隨機(jī)選取，根據(jù)充電負(fù)荷需求模型可以計(jì)算出各個(gè)時(shí)刻的電動(dòng)汽車充電需求。在隨機(jī)充電方式下，工、商業(yè)區(qū)電動(dòng)汽車數(shù)量按各區(qū)域負(fù)荷比例分配，電動(dòng)汽車隨機(jī)接入充電區(qū)域的各節(jié)點(diǎn)。

2.2 分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)下的優(yōu)化充電

分時(shí)電價(jià)的含義是依據(jù)電網(wǎng)在不同時(shí)間段的實(shí)際負(fù)荷水平的差異，而將全天劃分為不同的時(shí)間段，對每個(gè)時(shí)間段設(shè)定相應(yīng)的電價(jià)，來引導(dǎo)用戶避開電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，有選擇性地合理支配用電時(shí)段，以減輕電網(wǎng)高峰負(fù)荷水平。借鑒國內(nèi)工業(yè)用電分時(shí)電價(jià)的形式，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為：

式（1）中：n為電動(dòng)汽車數(shù)量；Ct為t時(shí)刻的充電電價(jià)；Pi，t為t時(shí)刻第i輛電動(dòng)汽車的充電功率；LT，t是t時(shí)刻包含電動(dòng)汽車的配電網(wǎng)等效負(fù)荷；μ為1 d內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)荷；ω1、ω2分別為目標(biāo)函數(shù)F1、F2的權(quán)重系數(shù)，且ω1+ω2=1；F1max為隨機(jī)充電情況下電動(dòng)汽車用戶需支出的費(fèi)用；F2max為隨機(jī)充電情況下的等效負(fù)荷波動(dòng)總方差。

約束條件為：

式（2）中：xk為各整點(diǎn)時(shí)刻開始充電的可調(diào)度電動(dòng)汽車數(shù)量，其中居民區(qū)充電時(shí)間段為18：00至次日02：00，工商業(yè)區(qū)充電時(shí)間段為08：00—13：00；n為可調(diào)度的電動(dòng)汽車數(shù)量，nH和nW分別為1 d內(nèi)在居民區(qū)和工商業(yè)區(qū)進(jìn)行充電的可調(diào)度電動(dòng)汽車總數(shù)。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

將ⅠEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為仿真對象，按照圖1的區(qū)域劃分將電力負(fù)荷分為居民用電、工業(yè)用電和商業(yè)用電。標(biāo)準(zhǔn)化日負(fù)荷曲線如圖2所示。借鑒國內(nèi)工業(yè)用電分時(shí)電價(jià)的形式，本文中的充電電價(jià)及其時(shí)段劃分如表1所示。

圖1 ⅠEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)單線圖和負(fù)荷分區(qū)

圖2 3種典型負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)化日負(fù)荷曲線

表1 電價(jià)參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真結(jié)果與分析

通過仿真可以得到隨機(jī)充電和分時(shí)電價(jià)政策引導(dǎo)下的充電各時(shí)刻節(jié)點(diǎn)電壓值和平均日網(wǎng)絡(luò)損耗曲線，分別如圖3和圖4所示。從圖中可以看出，與隨機(jī)充電方式相比，分時(shí)電價(jià)方式可以利用凌晨時(shí)段的低電價(jià)有效地將充電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷時(shí)段，從而有效地降低配電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的目的。通過分時(shí)電價(jià)利益的驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)，用戶主動(dòng)選擇在凌晨電價(jià)最低時(shí)間進(jìn)行充電后，能夠有效地改善節(jié)點(diǎn)電壓最低值，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)損耗在全天各時(shí)段的分布也更加均勻，從網(wǎng)損曲線與橫縱坐標(biāo)圍成的面積來看，也降低了全天的總網(wǎng)損值。并且隨著用戶響應(yīng)度的提高，對節(jié)點(diǎn)電壓水平的改善和網(wǎng)損值的降低效果均越明顯。因此，應(yīng)該鼓勵(lì)廣大電動(dòng)汽車用戶積極響應(yīng)分時(shí)電價(jià)政策，盡可能在電價(jià)低谷期進(jìn)行充電，這樣既可以節(jié)省自身充電成本，同時(shí)也有助于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性。

圖3 隨機(jī)充電方式與分時(shí)電價(jià)方式18節(jié)點(diǎn)各時(shí)刻電壓值

圖4 隨機(jī)充電方式與分時(shí)電價(jià)方式平均日網(wǎng)絡(luò)損耗曲線