电动汽车充电负荷接入小区配电网的仿真分析

庞成宇，卢 军，屈梦然

（1.三峡大学 科技学院，湖北 宜昌443000；2.宜昌三峡送变电工程有限责任公司，湖北 宜昌443000；3.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌443000）

0 引 言

能源问题、气候问题、经济问题引发了各国政府和汽车制造商探索电动汽车技术的热潮，以此来削减普通汽车尾气排放问题，减弱对化石燃料的依赖。据加拿大环境能源部调查，温室气体每年总排放量中有近12%来自于汽车［1］。那么，插电式电动汽车（PEVs）的兴起将会颠覆整个能源结构，不仅会减少温室气体的排放，更重要的是由于化石燃料不足所引发的全球能源问题也会有所缓解。所以，电动汽车作为新型能源发展方向之一，是我国新能源发展重点关注和投资的关键组成部分，也是汽车工业的发展方向。

规模化电动汽车接入电网充电势必会对电力系统的运行与规划产生不可估量的影响。充电负荷反映了电动汽车对电力系统的影响，电动汽车对电力系统的影响又是通过集中式负荷来体现；同时，这种影响的后果高度依赖于充电负荷的充电特性。文献［2］提出基于电动汽车实时充电数量的随机因素的不同类型电动汽车充电负荷需求的概率模型；文献［3］建立了计及电动汽车充电的随机性和分散性模型，引入充电暂态性的研究；文献［4］提出从节点电压偏移和网络功率损耗两方面引入三相概率潮流模型，建立配电网承载能力评估体系。

本文考虑电动汽车充电负荷影响因素，提出了基于数学概率模型的电动汽车充电负荷计算方法，统计得到电动汽车充电负荷曲线。最后，定性分析了电动汽车规模化运用对原始负荷曲线的影响。

1 私家车的用电行为及充电方式分析

1.1 电动汽车用电行为的特点

目前来说，电动汽车的类型、电池技术的发展、充电方式的应用、充电设施的规划、电价政策的制定以及商业模式的运作等多种因素都会影响电动汽车的用电行为［5］。因此，结合国内外发展现状，现阶段的电动汽车主要用电行为一般分为无序用电、政策引导用电和智能用电三种类型［5］。（1）无序用电：通过无规划的“即插即用”、按照车辆自然的行驶特性将电动汽车接入电网，通常在每天的最后一次出行结束后或者车辆没电时立即充电，属于随机负荷。（2）政策引导用电：根据制定相关政策法规，采用分时电价方案，积极引导用户在谷段电价时段实施充电，从而转移负荷高峰，起到“削峰填谷”作用。（3）智能用电：以总负荷波动最小化为约束条件，通过控制电动汽车充电时间将充电负荷从高峰时段转移到非高峰时段。

由于电动汽车产业在我国进一步发展，逐步完善了充换电服务网络、相关监管制度以及商业模式。在短中期阶段（2015～2020年），电动汽车用电行为主要以无序用电和政策引导用电为主，从长期阶段（2020～2030年）来看，电动汽车用电行为主要是政策引导用电和智能用电［7］。

1.2 电动汽车充电方式及特点分析

目前，我国电动汽车是以换电、慢充和快充3种充电方式为主。其中，换电方式主要运用于电池集中充电站内，经过配置电池集中箱充电机为批量动力电池进行充电，相应的，给用户更换充电电池则是通过换电机器人来实现，平均充电换电时间为5～10 min。慢充方式主要应用于居民区停车场、公交车停车场等固定场所。慢充方式所服务的对象不具有较强的流通性，通常由220 V交流电源直接供电，充电时间为6～10 h。快充方式通常由380 V交流电源直接供电，为了满足1 h内达到80%的电能补给的要求，这种充电方式呈现出充电电流大、充电功率高的特点，一般运用于紧急充电场景。

2 电动汽车充电负荷计算方法

2.1 分析电动汽车充电负荷的影响因素

车辆数、电池特性、行驶规律和充电模式等因素都会影响电动汽车的充电负荷。

针对动力电池特性，本文对私家电动汽车充电负荷的计算作以下假设：

（1）私 家 电 动 汽 车 单 位 耗 电 量 为15 kWh／100 km；

（2）充电功率视为恒定值，并且每次充电直至充满为止；

（3）假设所有电动汽车均不采用有序充电调控措施，即在一天内最后一次出行返回后开始充电；

（4）电动汽车日行驶里程及充电开始时间等参数之间相互独立。

恒功率充电参数见表1。其中，充电容量是按照电动汽车当日行驶里程，换算成电动汽车每100 km耗电量计算得到所需充电量，计算公式为

式中，L 为当日行驶里程，km；Q100为每100 km耗电量。

表1 2类车型充电功率与每100 km耗电量参数

行驶规律主要包括2部分，第一是每日行驶结束时间即到家时刻，也是开始充电时间；第二是日行驶里程，根据车辆的日行驶里程数，通过公式（1）可得出所需的充电电量。依照大量数据统计可得，每天的行驶结束时刻近似满足正态分布，其概率密度函数为［8］：

式中，μs取17.6，σs取3.4。

同样根据大量统计数据可得出日行驶里程L近似满足对数正态分布，其对应的概率密度函数为［9］：

式中，μD取3.2，σD取0.88。

根据车辆的日行驶路程和电池的参数情况可以算出车辆返回充电时的初始荷电状态（State Of Charge，SOC）：

式中，E100、B分别表示电动汽车的百公里耗电量和电池容量；Sq为电动汽车当日第一次出门时的电量，也是用户每次充电结束时的期望电池荷电状态。

根据电动汽车的起始SOC和用户期望的充电结束时的电池电量，计算得出电动汽车所需的充电时长t：

式中，P表示电动汽车电池的充电功率。

2.2 基于蒙特卡洛的充电负荷计算方法

电动汽车充电负荷测算模型是以—天为时间尺度，将一天按照每一分钟分为1 440个点。那么每一分钟的充电负荷可表示为［10］：

式中，Li为第i分钟电动汽车总充电功率；N为电动汽车规模数量；Pn，i为第n辆电动汽车在第i分钟的充电功率。

假设电动汽车结束日行驶里程后立即接入电网开始充电。将电动汽车的保有量、性能参数、充电行为的发生概率分布、起始SOC分布等电动汽车信息输入到程序中。运用蒙特卡洛法模拟计算充电负荷，得到一天内的充电负荷曲线。图1所示为充电负荷计算流程图。

基于上述电动汽车充电负荷模拟法，假设此时电动汽车充电功率为3 kW，运用图1所示的计算流程得到了大规模电动汽车充电时，一天内每辆车的平均充电负荷曲线，如图2所示。

3 搭建居民小区配电网

本文选用M市一普通小区A作为仿真对象，该小区是一个城中央江景高档次综合体项目。该小区共有住宅637套，变压器配置系数不小于0.5，变压器总配置容量2 690 kVA。

现利用Matlab中Simulink搭建该配电网结构，如图3所示，该配电网有2个电压等级，分别为10 kV和0.4 kV。电源侧为一个10 kV主供电源及一个10 kV备供电源供电，采用环路、多端供电模式，保证可靠、不间断供电，分别用Source1、Source2表示。

该小区共有5个单元，每个单元住宅类型及相应套数、变压器容量配置如表2所示。

图1 计算充电负荷的流程图

图2 单台电动汽车的平均充电负荷曲线

表2 每个单元住宅类型及相应套数、变压器容量配置

表3 变压器容量规格

图3 配电网结构图

4 无序充电对配电网影响的仿真

对于规模化无序充电负荷，首先采用基于蒙特卡洛模拟的充电负荷计算方法考虑电动汽车渗透率分别为5%、10%和15%时的充电负荷曲线图，然后将其分别叠加至背景负荷中，现假设每户拥有1辆汽车。对随机的1个负荷点，将考虑电动汽车充电负荷后的负荷曲线按每30 min为步长进行取值记录，则对于每一种渗透率情况把1天分成48个时间点来记录。得到电动汽车规模化应用对负荷曲线的影响如图4所示。

图4 不同电动汽车渗透率下的该小区总负荷曲线

由图4可以看出，电动汽车接入后将整体抬升小区配电网用电负荷，且17：00～23：00用电负荷增加明显，这是由用户的使用习惯造成的，因为这个时候正好是下班高峰期。这样一来，不仅对原始负荷没有办法削峰填谷，反而大大增加了负荷的波动。因此，考虑配电网规划问题时对电动汽车充电负荷同时率的研究至关重要。

5 结 论

本文通过调查私家车的用车习惯、模拟用车规律，拟合出日行驶里程概率分布图及日行驶结束时刻概率分布图，得到单台电动汽车的平均充电负荷曲线，再基于蒙特卡洛模拟法得到多台电动汽车充电负荷曲线。通过搭建实际配电网结构，考虑不同渗透率下的电动汽车充电负荷仿真。仿真结果表明，在无序充电模式下，电动汽车的渗透率越高，会加大电网负荷曲线的峰谷差，因此会对小区台变及配网运行的可靠性、经济性、安全性带来不利影响，对电力系统的运行和维护产生负面干扰。因此，在考虑电动汽车发展的城网负荷特性分析时，对电动汽车充电负荷同时率的研究至关重要。