电动汽车充电对配电网的影响及对策

1、第卷第期年月日，电动汽车充电对配电网的影响及对策李惠玲，白晓民（）中国电力科学研究院，北京市摘要：电动汽车的大规模使用将会对配电网产生直接影响。以某市一条生活线路为对象，考虑了多种渗透率场景，从负荷、电网损耗和电压等几个方面分析了电动汽车充电对配电网的影响。分析结果表明当电动汽车渗透率较高时，车主的无控制充电行为将会对电网造成巨大的压力，而合理的电动汽车接入电网充电将有助于电网的经济运行。提出了电动汽车智能充电方法，该方法可在满足电动汽车充电需求的情况下，根据短期负荷趋势，对各时段可充电功率进行优化，达到平稳负荷、降低电能损耗和提高电压质量的目标。关键词：电动汽车；配电网；智能充电引言，电动汽

2、车（使用电力来代）替传统的石油对汽车进行驱动，能够缓解能源紧张并减少温室气体的排放，正得到迅速发展。的趋势，而大规模电动汽车充电势必会对配电网的结构、运了解并准确预测电动汽行产生巨大的影响。因此，车充电对电网的影响对智能配电网的建设具有重要的意义。目前有些学者已经开展了一些电动汽车对电网影响方面的研究，主要包括以下内容：评估现有发电容量是否能够满足日益增长的电动汽车负荷需；，求）电动汽车接入网络（，研究研究电动汽车向电网提供辅助服务的价值，包括调频、旋转备用等；研究日益增加的电动汽车对中、低压电网的影响，涉及负荷、电压、损耗、，三相不平衡、谐波等问题目前这方面的研究较少。对电动汽车使用者的调查

3、表明，电动汽车充电车库夜间进行的，充电时间大约为是在车场、只有不到，的充电是在路旁的应急电站。因此，本文主要研究电动汽车常规充电方完成式对配电网的影响。电动汽车渗透率为电动汽车充电负荷与线路最大负荷的比值，为了更好地说明电动汽车充电对配本文以某市一条电网的影响，生活线路为对象，分析了该线路在各种电动汽车渗透率下用户的随机充电行为对配电网的影响。针对高渗透率下用本文户无控制充电行为对配电网造成的巨大压力，提出了智能充电方法，以实现电网和用户的互利。电动汽车充电影响在无经济利益和政策引导的情况下，车主的充一般车主在下班回家后就开电行为往往是随机的，始充电，如于充电时：左右开始，：结束，易间大约持续

4、。用户的这种无控制充电行为，与原有的负荷高峰叠加形成新的负荷高峰，从而对电网运行造成巨大的压力。本文以某市一条分析生活线路为对象，多种电动汽车渗透率下电动汽车充电对配电网的影响。本文的分析基于以下假设：）假设线路三相供电平衡，电动汽车充电负荷均匀分布在各配变台区。）为便于分析，采用常规充电方式，即电动汽车充电电流为充电功率为充电电压为，。正常充电时间大约为，网络模型本文分析所用线路位于某城市的生活区，线路共有其中的电网结构见图，条支路，个节点，个电源点，个负荷节点，配变总容量为。图网络拓扑图；修回日期：。收稿日期： 绿色电力自动化 李惠玲 ， 等 电动汽车充电对配电网的影响及对策 电动汽车充电

5、对负荷的影响 图 为随机充电时在各种电动汽车渗透率下的 线路 典 型 日 负 荷 曲 线 图 ， 代表无电动汽车充电负 荷 。 从图中可以看出 ， 线路原始负载率并不高 ， 最大 负载率为 最小仅为 峰荷发生在 ， ， ： ： ， ： ： 负 荷 较 低， ： ： 。 点 负 荷 比 较 平 稳 电 动 汽 车 接 入 电 网 充 电 会与原有负荷高峰叠加 ， 形成新的负荷高峰 。 当 时， 电动 汽 车 渗 透 率 为 最大负载率高达 时 ， ， ， 。 峰谷差大 不利于电网的经济运行 负载损耗率与变 时 ， 在电动汽车渗透率为 压器空载损耗率相等 ， 线路损耗率为最低 ， 线路处于 最佳运

6、行区 域 。 当 电 动 汽 车 渗 透 率 从 增 加 到 此时电动汽车充电负荷达到线路最大 时 （ ， 负荷 ） 线路负载损耗率迅速增加 ， 空载损耗率减少 ， 整条线路的损耗率 大 大 增 加 ， 线路过渡到非经济运 行区域 。 电动汽车充电对电压的影响 图 为在线路最大负荷时各种电动汽车渗透率 ， 下的节点电压 曲 线 。 根 据 文 献 用户的 电压允许偏差为 系 统 额 定 电 压 的 。 从 图 中 可 以看出 ： 当渗 透 率 小 于 线路末端各节点电 时 ， （ 压大致保持在 标幺值 ， 下 同） 左 右， 基本能保 当渗透率大于 末端节 证用户的用 电 需 求 ； 时 ，

7、， 点电压急剧 下 降 ， 最低仅为 （ 渗 透 率 ） 。 严重越下限 （ 此处假设变电站电压保持定值 ） 图 线路日负荷曲线 （ 随机充电 ） ） （ 电动汽车充电对损耗的影响 图 为随机充电时在各种电动汽车渗透率下线 路 当线路 损耗率及其分布 。 从图中可以看出 ： 无电动汽车接入充电时 ， 线路平均负载率低 ， 导致线 路负载损耗率低 （ 线路损耗率与变压器铜损损耗率 ， 之和 ） 而变压器空 载 损 耗 率 偏 高 ， 线路总损耗率也 较高 ； 当电 动 汽 车 接 入 电 网 充 电 ， 提高了线路负载 率， 负载损耗率相应增加 ， 空载损耗率减少 。 图 节点电压 （ 随机充电

8、 ） ） （ 表 对各种电动汽车渗透率下的节点电压越限 情况进行了统计 。 当渗透 率 小 于 节点电压 时 ， 无越限 ； 但是当渗透率从 越限 增加到 时 ， 最大越限电压也 点比例从 增 加 到 ， ， 。 由 降低到 严重越下限 表 节点电压越限统计 （ 随机充电 ） （ ） 电动汽车渗透率 越限点比例 最大越限电压 电动汽车充电影响分析 从各种渗透率下电动汽车充电对电网的影响分 析可以得出以下结论 ： 图 线路损耗率分布 （ 随机充电 ） ） （ ） 当线路负载 率 较 低 时 ， 合理的电动汽车接入 电网充电将会提高 线 路 的 运 行 效 率 ， 使线路经济运 行； 但是当电动汽

9、车渗透率较高时 ， 由于流经线路和 ，（）变压器的电流增大，导致线路负载过重，线路的负载损耗增加，从而让线路从经济运行区域转变到非经济运行区域。）高渗透率的电动汽车接入电网充电会影响线路的节点电压，尤其是末端节点电压会严重下降，影响用户的正常用电。）随着电动汽车渗透率的增加，无控制的电动汽车充电需求会对电网产生较大的负面影响，应当对其加以控制和引导。充电控制策略从以上分析可以看出，当电动汽车渗透率较高时，充电的随机性会对电网产生巨大的影响。为了减小和避免这种影响，必须对电动汽车的充电行为加以控制和引导。有些文献提出了时段充电方法，即在电网低谷时对汽车进行充电，一般从：后开始，大约于早上：左右结

10、束。这种充电方法将充电负荷转移到用电低谷时段，避免了在原有负荷高峰时段充电，在一定程度上能够改善负荷曲线，但仍存在一定的局限性。进入低谷时段后，大量电动汽车充电，会形成负荷高峰，充电结束后，负荷又急剧下降，峰谷波动较大，不利于电网的平稳运行。针对随机充电方法和时段充电方法的缺点，本文提出了智能充电方法。智能充电方法原理从图可知，当没有电动汽车接入充电时，线路负载率较低，最高时为，最低时仅为。若能根据车主的行车规律并结合线路的负载率情况，对各时段的充电功率进行合理分配，将实现电动汽车的最优充电。智能充电是指在满足电动汽车充电需求的情况下，以多时段内总损耗及电压越界之和最小为最优目标，利用最优算法

11、计算电动汽车各时段的可充电功率，以达到平稳电网负荷、减少电网损耗、提高电压质量的目的。本文的智能充电方法以的短期负荷预测数据为基础，对电动汽车充电负荷进行离线优化。目前短期负荷预测的误差大约在左右，准确度较高，可以为智能充电方法提供数据支持。智能充电方法可以设置多个充电条件，如充电时段和负载率。在工作日期间，一般：在家充电；为了提高线路的可控性和经济性，可要求线路负载率小于某一指定值时，电动汽车才可接入电网充电，且充电后该时段线路负载率应小于某值。本文设定的充电条件为：可充电时间为：，负载率小于时允许电动汽车接入电网充电；电动汽车充电时，优化后的线路负载率小于；电动汽车充电时，优化后线路负载率

12、小于。在设置以上充电条件后，就可以对可充电时段进行灵活的控制，而不是仅仅局限于固定的时段。采用智能充电方法后，负荷曲线将会变得更加平滑，电网受到电动汽车充电的影响也将减少，有利于车主合理安排充电计划，实现电网和用户的互利。智能充电方法数学模型智能充电方法的数学模型可描述如下。）目标函数本文以电网多时段内总损耗及电压越界之和最小为最优目标：（）（）（）式中：（）为时段的系统损耗；（）为时段节点的电压偏移量；为内可充电时段数；为电压越界罚系数。）等式约束在所有可充电时段内应该保证电池必须充满以满足车主的行车需要，即（）（）式中：（）为时段的可充电功率；为充电时段，本文设定为；为电动汽车电池的充电功

13、率；为充电时间。同时须满足潮流约束条件。本文采用潮流方程来计算节点电压和线路损耗，因此必须满足潮流约束条件。）不等式约束为了提高线路的可控性和经济性，优化充电前、后线路负载率应满足如下条件：优化充电前线路负载率应满足；优化充电后线路负载率应满足，和可根据实际运行需求自行设定；满足时间约束，如下班后充电，即（：）。智能充电方法实现步骤智能充电方法的主要步骤如下。步骤：调度中心进行短期负荷预测。步骤：车主将次日的行程安排、充电计划及是否参与调度等信息提交至服务商，服务商汇总后再上报至调度中心，调度中心根据上报数据预测的电动汽车充电负荷并调整短期负荷预测的结果。电动汽车车主通过服务商参与统一调度，避

14、免了盲目的无序充电行为，与此同时也将获得经济利益。步骤：根据短期负荷预测的结果，在满足电动绿色电力自动化李惠玲，等电动汽车充电对配电网的影响及对策汽车充电需求的情况下，进行智能充电优化计算，得到电动汽车各时段的优化充电功率。步骤：调度中心将各时段电价和优化充电功率等数据下发给各服务商，服务商再向自己管辖范围内的电动汽车发送充电调度安排。车主根据下发的充电调度安排调整各自的充电计划，从而实现最优充电。电动汽车通过服务商根据调度指令重新调整充电计划，是一个需求响应的过程。调度中心、服务商和电动汽车之间的各种信息（如充电计划和调度安排）将通过高级计量体系（，）传递，实现双向通信。结构见附录图。服务商

15、不仅仅为电动汽车的充放电提供服务，而且还参与分布式发电的上网活动。算例分析本文采用智能充电方法对图所示电网的电动汽车充电进行了计算，并从负荷、损耗和电压个方面与随机充电和时段充电方法进行了比较分析。负荷分析图为在和电动汽车渗透率下线路的日负荷曲线。从图可以看出：在渗透率时，由于采用智能充电方法在各时段对充电负荷进行了合理分配，并未形成新的负荷高峰；在渗透率时，由于电动汽车充电负荷较大，虽然采用智能充电方法也形成了新的负荷高峰，但是与其他方法相比，智能充电方法负荷峰谷差小，曲线相对平滑，对电网造成的影响相对也小。图和渗透率下线路日负荷曲线表为和渗透率下线路的负荷率数据。负荷率越高表明负载波动越接

16、近平均值，即负载曲线趋于平直。在保持总供电量不变的条件下，负荷率越高，有功电量损耗和无功电量损耗就越小。从表可以看出，智能充电方法的负荷率在种充电方法中最高，其次是时段充电方法。表线路负荷率电动汽车负荷率渗透率随机充电时段充电智能充电损耗分析图为和渗透率下线路的总损耗率。从图中可以看出，对于线路总损耗率，智能充电方法小于时段充电方法，更小于随机充电方法。因此，采用智能充电方法可以实现降损节能的目标。图线路总损耗率（智能充电）（）电压分析从图可知，在渗透率下，采用智能充电方法并未形成新的负荷高峰，因此，最大负荷时节点电压仍保持没有节点电压越限，渗透率时的节点电压见图。图渗透率下的节点电压从图可以

17、看出，在渗透率下，采用智能充电方法时早上：为负荷最大时刻，本文选取该时刻对线路节点电压进行分析，电压曲线见图，表为各种充电方法的越限电压统计结果。从图可以看出，采用智能充电方法时，线路末端电压大致能保持在左右，最低电压为，高于时段充电方法的，远高于随机充电方法的，而且越限点比例也从随机充电方法的下降，（）为。因此，智能充电方法在高渗透时有助于提高线路的节点电压、减少越限节点数。图渗透率下的节点电压表节点电压越限统计渗透率充电方法越限点比例最大越限电压随机充电时段充电智能充电随机充电时段充电智能充电从以上分析可以看出：采用智能充电方法后，线路的负荷峰谷差减小，负荷曲线更平滑，有利于电网的安全平稳

18、运行；有效降低了线路损耗率，有助于电网的经济运行；电压质量也得到了提高，从而保证了用户的用电需求。结论通过对电动汽车充电负荷在各种渗透率下对电网的影响分析及高渗透率下各种充电方法的比较，可知：）当线路负载率较低时，合理的电动汽车充电将会有助于提高线路的运行效率，使线路运行于经济区域；但是大规模的电动汽车接入电网充电则可能会对电网产生巨大的影响。应该对具体线路进行具体分析，明确线路上电动汽车的安全接入边界，以确保电网的安全、稳定和经济运行。）充电方法的选择会改变电动汽车充电对电网的影响。随机充电方法会叠加原有峰荷形成新的负荷高峰，对电网运行造成巨大的压力。时段充电方法虽然在一定程度上改善了负荷曲线，但在大规模电动汽车充电时，其对低谷时段选择的机械性仍不能满足电网安全经济运行的需要。智能充电方法以多时段总损耗最小为最优目标，动态设定各时段的可充电功率，克服了时段充电方法的机械性，能够更灵活地适应调度运行的要求，指导车主制定最优充电计划，从而减少大规模电动汽车充电对电网的影响，实现电网和车主的共赢。智能配电网的建设将为电动汽车的优化充电和入网服务提供非常有利的条件，促进电动汽车更好发展。附录见本刊网络版（：）。参考文献，：，：，：，（），：，（）：，：，（）：，：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，：，绿色电力自动化李惠玲，等电动汽车充电对配电网的影响及对