小区电动汽车充电负荷实测分析

张明霞，庄 童

（中国电力科学研究院，北京 100192）

当前，很多国家都在积极推动电动汽车的发展，随着电池技术的进步，以及电能供给基础设施的同步完善，电动汽车的渗透率将逐步提高[1—3]。由电动汽车充电而产生的负荷需求会持续增加，对电网发、输、配电容量等都将产生新的要求。近年来，有关电动汽车充电负荷积聚特性和对电网影响的研究迅速展开[4—8]，获得的结果初步验证了电动汽车充电负荷接入电网带来的不良后果。

文献[9]、文献[10]分别根据充电功率和车辆驶入时间的统计进行供电设计，建立了电动汽车谐波评估的模型。为对电动汽车充电负荷进行预测和建模，电动汽车充电特性的研究必不可少。文献[11]提出一种与电网连接的插入式混合动力汽车（PHEV）充电模型，对PHEV的充放电行为进行了概率分析。但是，由于电动汽车市场尚处于培育阶段，实际投入运行的车辆很少，没有历史数据可以借鉴。目前有关电动汽车负荷特性以及对电网影响的研究大多建立在基于传统汽车使用习惯假想的充电情景展开。

本文通过在用户住宅配置充电设施和数据采集装置，对参与测试的电动汽车用户的充电行为跟踪记录，获得了住宅区私人电动汽车的充电数据，为电动汽车充电设施规划建设和电动汽车充电负荷特性研究提供了一定依据。对私人电动汽车在住宅区的充电特性的分析表明，在完全依赖用户传统使用习惯的情况下，电动汽车充电负荷会造成负荷曲线的恶化，局部配电网的可靠性和经济性降低。

1 充电特性分析

实际测试中，在用户住宅配置专用充电桩，所有电动汽车均在用户住宅完成充电。采用常规充电技术，充电桩额定输出功率为7 kW。参与测试的电动汽车的动力电池容量为35 kWh。以1 h为间隔，所采集充电记录样本的充电接入时间在各时段的分布如图1所示。

图1 充电接入时段分布

由图1可见，电动汽车充电接入电网充电的时间与人们的生活工作规律基本一致。78.5%的充电开始于下午17：00以后，其中21：00～22：00间接入充电的样本最多，约占总样本的15%，但是在18：00仍然存在一个接入高峰。凌晨4：00～7：00的负荷低谷时段没有充电记录。

图2显示了充电持续时间的分布，分段步长为30 min。所有样本平均充电时间为182 min，约为3 h。约38.3%的样本充电时间在3 h左右，充电时间在1～2 h间的样本占总样本的13.6%。16.9%的样本充电时间超过4 h。单次充电的持续时间与用户的行驶里程和充电频次都有关系。用户单次行程的里程较长，充电持续时间也较长。对于单次行驶里程短的用户，如充电频次较低，则单次充电的持续时间也较长。

图2 充电持续时间分布

可以预见，随着办公区及公共场所停车场充电设施的推广，电动汽车的充电显然不仅仅局限于住宅区域，用户充电行为将更为灵活多样。通过住宅区与办公区及公共场所充电设施的合理配置，大多数用户的单次充电持续时间可以缩短，充电时间对日常应用的制约将逐渐减少。

以平均充电时间3 h计算，取充电功率为7 kW，则充电功率负荷分布如图3所示。

图3 充电负荷分布

由图3可知，伴随负荷晚高峰的开始，充电负荷逐渐增加，并于晚22：00到达峰值，充电负荷高峰与电网负荷高峰时段基本一致。

以某实际居民小区为例进行分析，分别考虑没有电动汽车及10%和30%的电动汽车渗透率水平，小区的负荷曲线如图4所示。

图4 某居民小区负荷曲线

在10%渗透率水平下，电动汽车充电负荷的接入造成负荷峰值显著提高，增加约53.6%，峰谷差增加73.9%，负载率达到69.9%；电动汽车渗透率达20%时，负荷峰值和峰谷差都有极大提高，分别为107.2%和150.3%，负载率大94.2%。

可见，充电负荷的接入对给定居民小区局部配网的可靠性和经济性影响严重。考虑电动汽车的接入，需要从配网设计规划、运行管理等方面采取必要的措施确保可靠高效运行。

2 用户行为特性分析

对于不同的用户，由于其续驶里程、行驶时间和使用习惯等不同，充电特性相应也存在较大差异。根据充电接入时段的不同，用户行为特性主要表现为3类。

2.1 负荷高峰时段集中充电

这类用户主要在晚17：00～21：00的负荷晚高峰时段充电，典型的如用户10、用户11和用户12，将近60%的充电在17：00～21：00接入电网，其接入时间分布如图5所示。充电接入时间与电网晚高峰时段重合。这类用户的充电负荷大量积聚，将使电网的负荷曲线恶化，在电网运行控制中需要特别关注。

图5 一类用户电接入时间分布

2.2 负荷低谷时段集中充电

这类用户主要在晚上21：00以后的夜间低谷时段充电，典型的如用户6和用户7，特别是用户6约有90%的充电在晚上21：00后接入电网。用户7的充电时间较长，平均充电时间为238 min，近4 h。仅有23%的充电在晚高峰时段接入，其中14%的充电在晚20：00后接入充电，以4 h平均充电时间计算，至少有75%的充电持续时间在低谷时段。

其充电接入时间分布如图6所示。充电接入时段比负荷晚高峰时段滞后，与负荷低谷时段一致。这类用户的充电负荷大量积聚，够实现移峰填谷，优化负荷曲线。

2.3 多次离散充电

几乎所有参与测试的用户都有在一天内间断多次充电的记录，多次充电的时间在1～3 h左右。典型的如用户13，一天内有多次充电记录的约占23%，其充电接入时间分布如图7所示。除了18：00和21：00及22：00几个高峰点外，充电接入时间在早8：00到晚24：00间分布较为均匀。这类间断多次充电的行为特性，一方面反映了车辆的行驶特性的灵活多样，另一方面，通过持续充电时间的离散化，为同时满足充电时间和续驶里程要求提供了可能。

图7 用户13充电接入时间分布

3 结论

通过在住宅安装专用充电设施并装设采集装置，获得了的电动汽车在用户住所充电的实测数据。本文对电动汽车用户在住宅区的充电特性及用户行为特性进行了分析。由分析可知，78.5%的充电开始于下午17：00以后，在18：00和21：00形成2个高峰。平均充电时间为3 h，充电负荷在晚17：00后持续增加，在晚22：00达到峰值，与电网负荷曲线晚高峰基本重叠。以一个实际居民小区为例表明，充电负荷的接入对配网可靠性和经济性影响严重，需要在规划设计、运行管理方面采取必要的手段。

不同的用户有不同的充电行为特性，最直接的表现为充电接入时间的不同。用户在负荷高峰时段接入充电，大量充电负荷的积聚将造成峰谷差增大，电网负荷曲线恶化；用户在负荷低谷时段接入充电，充电负荷的积聚能实现填谷，优化负荷曲线。

分阶段多次充电的用户其充电接入时间分布较为均匀，一方面满足了用户多次行程的需要，另一方面，在现有技术水平下，充电持续时间的离散化也为同时满足充电时间和续驶里程的要求提供了可能。

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