基于时空互补的电动汽车有序充电*

苏海锋，王桂哲，刘利斌，赵可为，王菲

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定071003；2.国网大连供电公司，辽宁 大连，116021）

0 引 言

近年来全球气候不断恶化，传统化石燃料汽车受到挑战，电动汽车领域迅速发展。公安部交管局发布统计数据，截至2015年底，全国机动车保有量达2.79亿辆，其中汽车1.72亿辆，新能源汽车58.32万辆，纯电动汽车保有量33.2万辆，占新能源汽车总量的56.93%，与2014年相比增长317.06%。按每辆车慢速充电功率5 kW计算，总容量约为166万kW。按照新能源电动汽车迅速发展的速度其所占装机容量比例将会迅速增大。可见，电动汽车规模化应用后，其总体充电功率是十分庞大的。电动汽车充电负荷在时间和空间上具有一定随机性，电动汽车的无序充电可能导致电网负荷峰值增加，尤其是配电网络将不能承载其能量需求。

有序充电能够有效降低配电网负荷的峰谷差［1］。为了解决配电网单个负荷节点的电动汽车充电问题，文献［2］提出了基于分时电价的居民小区电动汽车有序充电控制策略，分析了不同响应度下的充电优化结果。文献［3］针对居民小区建立了以峰谷差率最小为目标的优化模型，采用遗传算法对谷电价时段用户的充电时间进行了优化求解。文献［4］根据居民小区用户的充电量，以减少负荷峰谷差为目标函数制定了相应的充电控制策略。文献［5］分别考虑私家车和商务车的无序充电、有序充电，提出了集中充电和分散充电相结合的充电控制方法。文献［2-5］对电动汽车传统有序充电问题进行了研究，并未考虑V2G模式下电动汽车的有序充放电问题，相对于V2G模式，其削峰填谷的作用较差，不能满足更大规模的电动汽车接入配电网的需求。文献［6］分析了V2G模式对配电网以及电动汽车小区用户的影响。文献［7］对电动汽车在V2G模式下上网电价的定价进行了分析。文献［8］分析了不同上网电价情况下，V2G用户的相应度。文献［9］提出了考虑V2G用户响应度的峰谷电价时段优化及有序充电。文献［10］为降低配电网峰荷进行了有序充电优化控制并且对相应的成本和效益进行了评估。文献［11］虑电网运行的经济性和稳定性，研究了V2G模式下电动汽车有序充放电控制策略。文献［12］在考虑V2G充放电的情况下，综合考虑了电动汽车制造商、配电网运营商以及电动汽车用户三方的利益，提出了一种经济利益平衡的协调充电机制。文献［13］提出了一种V2G模式下基于IEC61850标准的，集中控制电动汽车充放电的方法。文献［6-13］虽然考虑了V2G模式下电动汽车的充放电，但考虑的负荷类型相对单一，并没有考虑不同负荷类型用户电动汽车的充电需求。

实际配电网的负荷是由多种负荷类型共同组成的，包括居民小区用电负荷、政府部门用电负荷和商业部门用电负荷等。对单一类型负荷进行电动汽车的有序充电不能显著降低区域母线上的负荷峰值。本文针对区域配电网负荷的多样性和V2G放电的特殊性，提出了相应的有序充放电策略。由于V2G充电站的建设费用较高，商业区停车场兼顾电动汽车数目众多且集中、用电高峰持续时间长、电价相对居民用电价格高的特点，相对政府部门和居民小区更利于V2G充电站的建设。本文建立了政府部门和居民小区的电动汽车在分时电价引导下的有序充电和商业区电动汽车有序充放电的基于时间和空间互补的电动汽车充放电模型。通过实例验证了时空互补有序充放电策略对区域配电网削峰填谷的有效性。

1 配电网负荷建模

1.1 电动汽车充电功率需求建模

不同类型负荷区域内电动汽车的充电负荷需求行为是不同的。居民小区电动汽车一般下班回家就进行充电，政府部门公务用车一般下班在单位即可充电。由于电动汽车的无序充电，易与原有的负荷高峰叠加形成新的负荷高峰，从而对配电网的安全稳定运行造成巨大的压力。

电动汽车的日行驶里程满足如下对数正太分布［14］，其概率密度函数为：

电动汽车充电功率的概率模型在假设的0.1或0.2C充电电流倍率下，与电池容量的分布函数相同，大部分电动汽车的慢速充电功率在3 kW～6 kW范围内满足均匀分布，即：

电动汽车充电所耗时长可估计为：

式中Tc为电动汽车充电的时间长度，单位是h；S为电动汽车日行驶里程，单位km；W100为电动汽车百km的耗电量，单位是kW.h/km；Pc为电动汽车充电功率，单位是kW。

本文将用蒙特卡洛模拟仿真法求出一天内24小时单台电动汽车充电功率需求，各时间点采样10 000个，重复测5次，求出其平均值。本文采用480点日负荷曲线预测法，时间间隔为 3 min，第j（j=1，2，…，480）个时段内的常规负荷大小为Pj。假设单台电动汽车慢速充电的额定充电功率均为Pc，居民小区电动汽车和政府部门电动汽车按照表1所示分时电价的引导进行充电，即大量电动汽车从谷时开始充电。

表1 峰谷电价时刻表Tab.1 Peak valley electricity price schedule

1.2 电动汽车接入前后居民小区用电负荷建模

居民小区电动汽车的日行驶里程的概率密度函数为式（1），其中 μD=3.20；σD=0.88。居民小区的电动汽车充电开始的时刻和日行驶里程是由用户的出行习惯和行驶里程决定的。电动汽车行程的返回时刻近似为正态分布和对数正态分布。电动汽车的开始充电时刻为出行后返回时刻，其开始充电时刻的概率密度函数为：

式中 μs=17.6；σs=3.4。

根据实际情况了解，本文居民小区采用分时电价来引导用户进行有序充电。分时电价时刻表如表1所示，假设居民小区90%的私家电动汽车响应分时电价政策，从夜晚22：00到次日7：00进行充电，其余10%进行随机充电。图1为无电动汽车充电时居民小区日用电负荷曲线和电动汽车保有量占居民小区户数30%时的日用电负荷曲线以及分时电价引导下的有序充电日负荷曲线。

图1 居民小区日用电负荷曲线Fig.1 Household daily electric load curve

1.3 电动汽车接入前后政府部门用电负荷建模

公务车未执行公务时，即可进行充电，因此在大多数情况下有充足的充电时间，其充电模式多采用慢速或常规充电。目前大部分公务车实行夜间停在指定停车地点的制度，假设充电起始时间大致在机关单位下班后至第2天上班之前，也即8：00—7：00。且配电变压器的容量按照人均4 kW，按目前统计平均每20人有一辆公务用车。一般公务用车行驶里程概率密度函数为式（1），政府部门电动汽车的μD=3.46；σD=0.34。充电功率的概率模型在假设的0.1C充电电流倍率下，与电池容量的分布相同，各电动汽车的慢速充电功率Pc在3 kW～6 kW范围内满足均匀分布，即为式（2），充电时常为式（3）。

政府部门平均每20人配备一辆电动公务汽车。按照表1的分时电价进行引导有序充电，其响应度设为95%，即95%的公务电动汽车在谷时电价期间进行充电，其余5%进行随机充电。

图2 政府部门日用电负荷曲线Fig.2 Daily electric load curve of government

1.4 电动汽车接入前后商业区用电负荷建模

商业区地下停车场的汽车数目多，一般充电时间在商场营业期间。电动汽车充电数量根据其高峰日进出流量来计算，电动汽车数量和商业区的用电量成正相关。商业用电价格高，且充电时间短等因素，大多数电动汽车采用快速充电模式。

根据《全国民用建筑工程设计技术措施-电气》规定商场用电指标为84 W/m2。根据商场变压器容量估算商场面积。按照《基地出入口和停车位控制》规定车位100建筑面积小型汽车配建车位数0.8。且一般情况下停车场的车辆数目和商场的人流量成正比，商场的人流量和用电量成正比。假设商业区电动汽车快速充电的充电功率为P0=45 kW，平均每台电动汽车停车时间为60min，商业区人均用电量为2 kW，电动汽车充电数量占总数量10%时。商业区用电负荷曲线如图3所示。

图3 商业用电负荷曲线Fig.3 Commercial power load curve

已知商业区的用电高峰是在峰时电价时期，通过合理的电价补贴使电动汽车在商业区用电高峰时段进行放电。并且商业区停车场车辆多，数目集中，便于V2G充电站的推广。假设商业区单台电动汽车在V2G模式下的放电功率为P1，P1=8 kW，平均放电时长为1h，参与放电的电动汽车响应数μ1=87%。充电车数为占停车数量的比例为μ2=10%，其余电动汽车进停放，此时商业区用电负荷功率为：

式中Pjs为商业区接入电动汽车前的负荷功率；n为车辆总数。

2 电动汽车时空互补有序充电方法概述

2.1 优化策略

区域配电网的不同用电负荷的负荷曲线不同，为了降低区域配电网的总的负荷峰值，本文从区域配电网的不同负荷类型用电规律及负荷特性进行分析，根据现有的交通流量、土地利用、建筑规划等数据为基础，结合不同类型电动汽车的行驶规律、停车规律，提出基于V2G模式的电动汽车的区域配电网有序充放电策略。对于单独类型负荷从时间上错开负荷峰值，既要满足用户的行驶需求又要避免电动汽车充电叠加原有负荷峰值。再根据配电网负荷类型的多样性，可以从不同地点即不同负荷类型进行考虑进行电动汽车充放电，使电动汽车从空间上进行有序充电，进一步降低配电网的负荷峰值。

利用分时电价诱导居民小区和政府部门的电动汽车从谷时电价开始时段进行充电，从时间上避开用电高峰，而商业区停车场的电动汽车停靠时间相对较短，不便从时间上进行有序充电，考虑到商业电价较高，且电动汽车充电集中，以此为经济诱导因素引导商业区停靠车辆在V2G模式下进行放电，增加电动汽车用户的受益并且减少负荷高峰，电动汽车的充电行为在三种不同负荷类型之间相互作用，进而从空间上达到有序充电。

2.2 实现过程

本文针对多种负荷类型进行时空互补有序充电的设计流程图如图4所示。

图4 V2G模式下基于时空互补的区域配电网有序充放电总体思路Fig.4 Ordered charging and discharging in distribution network based on time-space complementary

3 算例分析

为了更好地说明电动汽车充电对配电网的影响，本文以IEEE RBTS-5系统的第1，2条10 kV生活线路为对象，分析在多种负荷类型的情况下不同电动汽车渗透率下电动汽车充电对配电网的影响。线路的电网结构见图5，共有21条支路，22个节点，其中1个电源点，13个负荷节点，配变总容量为14.82 MVA，区中用电负荷类型包括居民小区，政府部门，以及商业用电负荷。

图5 区域配电网模型Fig.5 Regional distribution network model

表2 各负荷点类型Tab.2 Types of load points

表3 配电变压器参数Tab.3 Specific parameters of the transformer

当政府部门电动汽车保有量为每20人配备一台电动汽车，且进行随机充电，商业区停车场的电动汽车充电数量为停车总数的10%时，居民小区电动汽车保有量分别为10%、20%、30%时的区域配电网的母线上的仿真曲线如图6所示。

由图6可以看出配电网母线上电动汽车接入前的日负荷曲线；政府部门和商业区按照图2和图3比例进行随机充电，每个小区接入电动汽车渗透率为10%、20%以及30%时的母线上的日负荷曲线。从表4中的数据可以看出大量电动汽车随机充电会使配电网母线上的负荷高峰继续叠加，负荷峰值由9.132 MW增加到14.659 MW。即将达到配电网变压器的总容量14.82 MW。具有多种负荷类型的配电网母线上的用电高峰集中出现在8时到20时，为避免电动汽车充电在配电网的负荷高峰时期可以通过分时电价的机制比较有效的引导居民小区用户和政府部门用户进行慢速充电。

图6 区域配电网母线上总日负荷曲线Fig.6 Daily load curve of residential quarter with EV charging

表4 电动汽车不同渗透率下区域配电网负荷曲线Tab.4 Electric load curve of regional distribution network under different permeability of electric vehicles

图7 无序充电负荷曲线，有序充电负荷曲线和时空互补有序充电Fig.7 Load curve of disordered charging，ordered charging and the ordered charging based on time and space complementary

表5 电动汽车充电对配电网的影响Tab.5 Effect of electric vehicle charging on distribution network

为了使区域配电网空间上达到互补，利用商业区用户的充放电特性，商业区电动汽车按照图3所示的情形进行充放电。使三种不同负荷类型的电动汽车从单独的时间上进行有序充电和三种负荷类型之间相互作用从空间上进行有序充电相结合。

根据配电网潮流计算得出配电网母线上负荷曲线如图7所示。

对比三种充电方式，由图7结合表5可以看出单独负荷类型的电动汽车从时间上控制进行有序充电可以降低配电网的负荷峰值1.833 MW，提高配电网的用电谷值1.181 MW，电动汽车从时间和空间上有序充电可以进一步降低配电网的负荷峰值0.429 MW，提升配电网的负荷谷值1.094 MW。

4 结束语

文章在满足电动汽车充电需求并且单个负荷节点的配变压器和区域配电网母线上的配电变压器都不过载的情况下，以最大限度实现区域配电网削峰填谷为目标，提出了基于时间和空间互补的有序充电策略。通过仿真分析，得到如下结论：

（1）由多种负荷类型组成的实际的区域配电网与以往分析单一的居民负荷配电网的负荷曲线并不相同，对有序充电策略的提出应该在综合考虑多种负荷的情况下提出；

（2）对于居民小区和政府部门适合长时间慢速充电的情况下，相比短时间充电的商业负荷更加容易进行有序充电控制。改变居民小区和政府部门电动汽车充电时间可以减少负荷峰值，提高配电网安全稳定运行的能力，但对于充电相对集中，充电时间相对较短的商业用户并不适用；

（3）对于充电用户相对集中的商业停车场建立V2G充电站，引导用户在停车期间放电能够进一步在降低配电网的用电负荷高峰，基于时间和空间互补的有序充电能够更加简单有效的减少配电网的负荷峰值。