张乐平，许燕灏，胡红，张子昊

(1.南方电网科学研究院有限责任公司，广州市 510080;2.广东电网公司，广州市 510080;3.广东实验中学，广州市 510735)

0 引言

规模化电动汽车的电力需求将为电网带来压力和挑战。关于电动汽车对电网的影响已有多篇文献在不同计算条件下进行了评估，由于考查案例和计算方法的不同，关于电动汽车对电网的影响出现了不同的结论。

关于电动汽车对电网影响的担忧，最为突出的是其充电负荷可能引发的电网升级改造需求。关于电动汽车对发电和输电影响的研究集中在电动汽车电量和电力需求。文献［1］指出，若利用低谷时段充电，美国现有发电和输电能力可满足73%轻型车辆的需求。文献［2］考虑电动汽车傍晚充电和夜间充电2种情景，指出:在傍晚充电情境下，电动汽车将使电网峰值负荷产生较大增长，到2030年美国13个供电区域中将有10个区域需要新增装机以满足电动汽车电能需求。文献［3］以澳大利亚珀斯地区为案例，参照传统车辆行驶统计特性进行计算，指出若该地区所有乘用车替换为电动汽车，现有输电线路和变电站可满足100%车辆的需求，但如果不增加该地区的装机容量，需要在负荷高峰日对93%的车辆进行管理。关于电动汽车对配电网的影响研究集中在线路和变压器负载率、设备寿命、线损、压降、可靠性、不平衡和谐波等问题的评估。文献［4］对带有不同数量电动汽车的变压器热点温度进行了计算，得出严重情况下电动汽车充电负荷将使变压器寿命降低12%。文献［5］对某城市生活区的89条10 kV线路进行考查，结果表明当该区域电动汽车渗透率达到20%以上时，线路末端压降将出现越限。文献［6］指出电动汽车充电引起的线损和压降在进行优化充电管理后仍不可忽视。

众多研究表明，电动汽车对电网的影响评估应结合所考查电网运行情况。在发电和输电层面，电动汽车对电网的影响与电动汽车的总体数量以及用户行驶和充电的统计特性有关;而在配电层面，电动汽车对电网的影响还与充电设施位置分布以及各特定区域和场所下的用户特性有关。

本文基于电网运行指标，提出规模化电动汽车对电网影响的指标体系。根据电动汽车充电负荷的随机性，建立2个层次的评估方法。

1 电动汽车对电网影响的评估指标和方法

电网评价指标可划分为安全性、可靠性、优质性、协调性、经济性、高效性等指标［7］，电网运行特性取决于电网自身的结构、设备容量与所带负荷特性之间的匹配关系。规模化电动汽车充电负荷将引起现有负荷特性的改变，进而使电网与负荷的匹配关系发生变化，如果电网不对这种改变进行适应性的变化，电动汽车将对电网的各个指标产生不同程度的影响。

为了对电动汽车充电负荷对电网的影响进行分析，本文从发电、输电和配电层面对电网运行指标进行了选取，在电网运行指标基础上，提出电动汽车对电网影响的评价指标，如图1所示。电动汽车对电网的影响主要体现于安全性、可靠性、经济性和高效性，另外，电能质量也是评估的重要内容之一。

上述对电网的影响指标，考察的是考虑电动汽车前后这些指标的变化量，如电压降的变化幅度。在这些指标的评估中，需要根据指标内容的不同设定不同的考察区域，如对发电和输电的影响，应对一定区域的电动汽车进行整体考察。对于配电，可以对一个城市乃至某一个供电区域内的电动汽车进行考察。

根据评估范围、层面和指标内容的不同，需要建立适当的充电负荷计算模型以及影响评估方法。对于发电和输电层面，需要衡量电动汽车整体电力需求，进而对系统容量进行评估。此时，应用基于特定充电情形的方法，可以简便地对不同情形下电网的承受能力进行评估［8］，该方法适用于不掌握电动汽车负荷特性的情况，可作为电网影响评估的前期工作。在一定统计数据基础上，应考虑电动汽车充电负荷的随机性［9-10］，本文给出一种总充电负荷的计算方法，如图2所示。在给定条件和随机特性下，应用蒙特卡罗仿真［11-12］求出1辆电动汽车在1日各时刻充电负荷的期望和方差，进而得到一定规模数量电动汽车在各时间点总负荷的期望和方差，叠加电网负荷曲线后得到负荷曲线的变化。电网背景负荷应与电动汽车的充电特性在同一时间和空间尺度划定，考虑电网负荷的统计特性并得到叠加后负荷曲线的概率分布。

图1 电动汽车对电网影响的指标体系Fig.1 Indices of EVs impact on power grid

图2 规模化电动汽车总体充电负荷计算及系统容量评估方法Fig.2 Large-scale EVs charging load calculation and system capacity evaluation method

对于配电网负载率、线损、压降等运行指标，由于电动汽车充电负荷在一定区域内具有空间分布特征，对上述指标的评估需要考虑充电负荷在配电网络节点的分布，以得到电动汽车对不同地区的影响［13］。在特定充电情形下，通过传统的确定性潮流计算可得到各指标的结果。若考虑电动汽车充电负荷的随机特性，需要通过概率潮流计算进行各项指标的评估［10］。本文基于随机潮流计算提出电动汽车对配电网影响的评估计算方法，如图3所示。

图3 电动汽车对配电网运行影响的评估方法Fig.3 Evaluation method of EVs impact on distribution system's operation

对于电动汽车充电引起的其他问题，包括可靠性、设备寿命、电能质量等，需要在电动汽车充电负荷计算基础上，建立其他模型和评估方法，在这些问题的评估中，考虑电动汽车充电的随机性有助于得到更加客观的结果，如评估由单相充电机引起的不对称问题时，同时充电的同时率将对三相不对称度计算结果产生较大影响。电动汽车充电特性的随机性，取决于电动汽车的数量、充电地点、充电功率、用户行为等。

2 案例分析

2.1 规模化电动汽车整体充电负荷及其影响

以Nissan Leaf(电池容量为 24 kW·h，每100 km耗电量20 kW·h)为参考车型。分别考虑电动汽车充电功率为3.5 kW(单相220 V，16 A)、7 kW(单相 220 V，32 A)和 20 kW(三相 380 V，32 A)，充电过程简化为恒功率过程。假设用户每日进行1次充电，关于用户的充电开始时间分布，本文参考了美国家用车辆调查机构对车辆最后一次行程结束时间的统计数据［14］，以及美国Idaho国家实验室2009年对67辆家用PHEV(经改装的Toyota Prius)的路测试验统计结果［15］。本文假设用户每次充电都至满电量，每次充电的电量与用户当日的行驶里程相关，同样分别采用了NHTS及Idaho的统计数据。考虑用户行为和充电功率的组合，本文设定了6种充电情形，如表1所示。

表1 电动汽车充电情形Tab.1 EVs charging case

依据图2所示的方法，按照上述6种充电情形，建立k辆电动汽车的充电负荷模型，图4给出了k=100000辆时，各情形下的整点充电负荷及误差区间。

表2给出最大和最小充电负荷及其发生时刻。

在上述计算基础上，以我国某城市为考察对象，假设该城市私人电力汽车保有量达到当前私人汽车保有量的25%，在该城市日负荷曲线基础上叠加充电负荷后，电网峰值负荷的增长情况如表3所示。

从表3可看出，应用不同情形下充电负荷模型时，城市电网负荷增长为3.01% ～5.24%。电动汽车峰值充电负荷与原有峰值负荷在时间上的相关性决定了叠加后负荷的增长。对于所考察城市，充电情形III下电动汽车充电引起的负荷增长较显著。

2.2 电动汽车对配电网的影响

本文以某住宅区域的配电网为例，考察充电负荷引起线路和变压器负载率的变化。该地区主要由1条10 kV馈线供电，带有6个居民小区(约3000户居民)以及2个企事业单位的部分负荷，如图5所示。

图5 某住宅区配电网结构Fig.5 Distribution network in a residential area

该线路供应区域的私人汽车保有量约为1200辆。考虑25%的电动汽车保有量，按照表2中充电情形II对应的充电特性，根据图3所提供的方法对该简单配电网进行了随机潮流计算。线路负载率的分布如图6所示，居民小区2配电变压器负载率的分布如图7所示。

根据原负荷曲线样本，10 kV线路负载率为33% ～42%，居民小区2配电变压器(630 kVA)负载率为13% ～44%。

计算结果表明，增加充电负荷后，10 kV线路负载率提高至36% ～46%，居民小区配变负载率提高至31% ～60%。

3 结论

在一定考察范围内，电动汽车对电网的影响可通过各种电网运行指标得到反映。本文在电网运行指标基础上，针对发电、输电和配电层面提出了电动汽车对电网影响的评价指标。基于电动汽车充电负荷的随机特性，提出了电动汽车对电网影响的评估方法。按照所提出的规模化电动汽车整体负荷计算方法，计算了6种充电情形下电动汽车的充电负荷，并考察了对某城市电网峰值负荷的影响。按照所提出的配电网影响评估方法，以某城市居民区配电网络为例，对电动汽车充电负荷对该网络的负载率进行了计算。计算结果表明，相比于系统整体负荷增长，充电负荷引起的“本地问题”更为显著。考察区域越大，得益于充电负荷的分布特征，电动汽车对该项指标的影响越不显著。除电动汽车负荷的随机性外，与原有负荷在时间和空间上的关联程度也是重要的影响因素。

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