电动汽车充电模式对区域电网负荷特性的影响

董云先，吴奎华，吴奎忠，张晓磊，贾善杰

（1.华电国际电力股份有限公司莱城发电厂，山东 莱城 271100；2.山东电力经济技术研究院，山东 济南 250001；3.吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021；4.山东电力集团公司，山东 济南 250001）

0 引言

随着全球能源危机不断加深，石油资源日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，节能降耗和减少对化石燃料的依赖已经成为世界经济可持续发展迫切需要解决的问题，发展电动汽车将是解决这两个技术难点的最佳途径［1］，其中纯电动汽车被认为是汽车工业的未来［2］。

电动汽车（electric vehicle，EV）是全部或部分使用电力代替传统的石油对汽车进行驱动，能够降低碳排放且噪声低，是解决交通、能源和环境问题的重要手段。与此同时，大规模电动汽车接入电网势必会将改变系统原有的负荷特性，对电网规划运行产生影响［3-5］。

因此，有必要对电动汽车大规模应用对电网的影响进行超前研究，提出应对措施，满足未来电动汽车与电网的协调发展。

1 电动汽车典型充电模式

电动汽车充电负荷特性与其充电模式密切相关，不同的充电方式对电动汽车负荷模型会有不同的影响。根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性可以分为常规充电、快速充电和电池组快速更换系统三种模式。按照电动汽车与电网的互动程度，其充电模式可分为分布式即插即充模式、集中式充电模式、智能充电模式。

1.1 分布式即插即充模式

这种情况主要针对大量低电压（380 V/220 V）分布式充电点，主要集中于居民楼和很多办公区的停车场。 在这种模式下电动汽车的充电时间和地点完全由用户自由支配，基本不考虑电网的运行特性。 同时，受基础设施的影响，主要采用普通充电方式，充电电流一般在 0.2～0.5 C（0.2 C表示理想状态下1/0.2＝5 h充电充满，其他充电时间同理），电池充电状态（state of charge，SOC）从 0提升至100%大概需要5～8 h。

1.2 集中式充电模式

集中式充电主要是指某个特定时段进行集中充电，主要包括电池交换站和快速充电站。快速充电指电池充电电流几倍于正常充电电流的情况，从而可以在很短的时间内将电池SOC提高。 例如，以2 C的电流充电，0.5 h时间内可以将电池的SOC从0提升到80%左右。中国目前主要采用换电为主、插充为辅、集中充电的方式，如图1。

图1 电动汽车物联网架构

1.3 智能充电模式

根据是否向电网返送电力分为智能单向有序充电模式和智能双向有序充放电模式（V2G）。其中，V2G是指与电网相连接的电动汽车（Vehicle）作为一种分布式负荷和电能存储设备，可以向电网释放存储在其动力电池内的电能，在用电高峰时段或电网故障等紧急情况下向电网反送电力进行支援，从而为优化电网运行和安全提供积极支持［6］。

2 边界条件与假设条件

为了说明不同充电模式对电网负荷特性的影响，在一定假设条件下，分析得到电动汽车发展对区域电网负荷特性影响的一般性结论。

2.1 系统条件

2010年，某区域电网最高供电负荷达到4 468万kW，根据预测结果，预计“十二五”期间该区域电力负荷年均增长率为11.8%，“十三五”期间年均增长率为6.5%，2020—2030年间该区域电力负荷年均增长率约为3.2%。

2010年该区域电网夏季、冬季典型日负荷曲线如图2所示。夏季典型日中，全天有2次负荷高峰，分别在11：00、16：00左右，主要受空调负荷上升的影响；负荷低谷出现在4：00和23：00左右，主要是凌晨和深夜的天气凉爽所致。在冬季典型日中，全天有2次负荷高峰，分别在11：00和18：00左右，负荷低谷出现在4：00和23：00左右。

图2 夏季、冬季典型日负荷曲线

2.2 假设条件

2011年，该区域机动车年增量超过100万辆，保有量超过2 000万辆。根据世界主要发达国家经验，千人汽车拥有量与人均国民生产总值（GDP）密切相关。到2020年，全省汽车保有量3 000万辆；到2030年，全省汽车保有量达4 000万辆。

随着电动汽车配套设施网络的完善和市场的成熟，电动汽车将逐步替代传统燃油汽车。假设2020年该区域电动汽车保有量为30万辆，约占汽车总量的1%；2030年电动汽车保有量为80万辆，约占汽车总量的2%。按照运行特性上的差异，电动汽车可大致分为私家车、公务车、出租车和公交车4类，其年行驶里程和日耗电量分析见表1。其中，出租车和公交车日耗电量多，需采用多次充（换）电才能满足日运行的需求。

表1 不同类型电动汽车行驶里程和耗电量

表2 不同类型电动汽车保有量 万辆

3 电动汽车充电负荷曲线

3.1 即插即充模式

3.1.1 公交车充电负荷曲线

考虑公交车每天需充电2次，晚间充电时间为非运营时间，统一集中充电，运营时间内的充电是在运营中为公交车补充充电。经过对山东临沂焦庄充电站的10辆电动公交车日常运行负荷实测得到公交车充电负荷分布曲线，如图3所示。

图3 公交车充电负荷分布曲线

3.1.2 出租车充电负荷分布

考虑出租车每天需充电2次。 按出租车的常规做法，交班时将加满油（充满电），目前该区域出租车的交班时间一般为 7：00、19：00，集中充电可能会造成充电需求高峰，充电站将全部同时被出租车占用，并造成阻塞。因此必须改变集中交接班的惯例，错开交班时间，否则很有可能不能同时运营所有车辆。出租车的充电时段按照出租车错开交班，充电站连续接待出租车入站充电来考虑，出租车充电负荷在全天内满足均匀分布，每万辆电动汽车最大充电负荷按350 MW考虑。

3.1.3 公务车和家用车负荷曲线

电动公务车和家用车一般采用慢充充电桩充电。在无经济利益和政策引导的情况下，电动公务车和家用车的充电行为通常较随意，充电起始时间根据用户偏好而随机选择，而这些因素的波动在正常情况下是互不干扰的，且可以叠加，根据概率论的相关理论，可认为这样的随机变量服从正态分布。本文使用蒙特卡洛随机性算法［8］估计了一天当中电动公务车和家用车负荷曲线，拟合结果为：

拟合曲线如图4所示，从图中可以看出电动公务车和家用车负荷曲线一天当中存在两个高峰期，分别是中午和傍晚。造成这种分布的主要原因是用户习惯所决定的，中午12：00的用电高峰主要是由于上午汽车用户使用过以后，利用中午时间进行充电。而傍晚的用电高峰主要是由于电动汽车运行一天后，电池基本用完，所以利用夜间进行充电。

图4 24 h充电站负荷曲线

3.2 集中充电模式

私家车和公务车具有柔性充电负荷特性，可避开用电高峰时段进行充电，按20：00—04：00进行充电考虑，每车最大慢充充电功率为5 kW。出租车和公交车受运行限制表现为刚性充电负荷，出租车的充电行为可以与即插即充模式保持一致，但公交车一般 22：00后停止运行，按 22：00—04：00 进行充电考虑。

3.3 智能V2G模式

智能V2G模式下，电动汽车等效充电负荷与电网运行特性密切相关。 出租车和公交车受运行限制只能采用快速充电，私家车、公务车与电网通过实时通信，可实现其整体充电功率与电网运行的协调控制。电动汽车削峰填谷效果与参与智能V2G的电动汽车数量和电量均有关系。

假设80%的私家车和公务车参与电网夜间填谷，填谷电量为其日耗电量；20%的私家车参与到电网削峰调节，每车能够提供调节电量按10 kWh考虑。

4 电动汽车对区域电网负荷特性的影响分析

该区域电网最大用电负荷和峰谷差都出现在冬季，因此，着重研究不同电动汽车充电模式对电网冬季负荷特性的影响。 计及不同电动汽车充电模式影响的该区域电网冬季典型日负荷曲线如图5和图6所示，负荷特性的详细指标见表3和表4。

图5 不同充电模式对2020年冬季负荷特性的影响

图6 不同充电模式对2030年冬季负荷特性的影响

表3 考虑充电负荷的电网2020年负荷特性指标

表4 考虑充电负荷的电网2030年负荷特性指标

由图5可以看出至2020年该区域电动汽车发展规模比较有限（占全省汽车保有量的1%），加之其充电负荷高峰并未出现在冬季负荷的高峰时段，故对该区域电网冬季负荷特性的影响较小；智能V2G模式下，电动汽车参与电网削峰填谷调节的效果非常明显，日最小负荷率达到93%。

由图6可以看出至2030年电动汽车发展已达到较大规模（占全省汽车保有量的2%），某一时段大量集中充电产生的负荷与电网原始负荷的叠加将导致电网早高峰和晚高峰负荷水平大大增加，最高负荷约增加30%，且出现时间提前或延后。

从2020年和2030年的对比分析可见，电动汽车发展规模越大，不同充电模式之间对电网的影响区别也就越明显。

5 结语

通过建立不同充电模式下各类电动汽车负荷模型，预测该区域电网电动汽车负荷，分析电动汽车对该区域电网冬季日负荷曲线的影响。预计至2020年，该区域电动汽车数量将达到30万辆，但对该区域电网冬季负荷特性的影响较小；如果对充电行为加以引导，电动汽车参与电网削峰填谷调节的效果非常明显。但到2030年电动汽车发展已达到较大规模，某一时段大量集中充电导致电网早高峰和晚高峰负荷水平大大增加，且出现时间提前或延后，应加大电网建设力度，与电动汽车的快速增长相协调。

［1］ M.De Nigris，I.Gianinoni，S.Grillo，S.Massucco，F.Silvestro，Impact EvaluationofPlug-inElectricVehicles（PEV）onElectricDistributionNetworks ［J］，Harmonics and Quality of Power（ICHQP），2010 14thInternationalConference，2010.

［2］ 高赐威，张亮.电动汽车充电对电网影响的综述［J］.电网技术，2011，35（2）：127-131.

［3］ 樊扬，左郑敏，朱浩骏，等.电动汽车充电模式对广东电网负荷特性的影响［J］，南方电网技术，2011，5（A02）：136-136.

［4］ 辛建波，温宇宾，李睿.电动汽车规模应用对江西电网的影响分析［J］，江西电力，2010，34（4）：1-5.

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