安徽省电动汽车发展及其接入电网的影响与建议

李炫浓， 汪舜晨， 汪　静， 吴红斌(指导老师)

(1.安徽省黄山市屯溪一中， 安徽 黄山 245000；2.安徽省合肥市第九中学，安徽 合肥 230020；3.国网黄山供电公司，安徽 黄山 245000；4.合肥工业大学， 安徽 合肥230002)

1　研究背景

当前，《安徽省电力发展“十三五”规划》中明确指出要深入开展节能减排，优化电源结构，加快可再生能源发展；坚持清洁利用，大力发展光伏发电，稳步推进风电开发，快速推广电动汽车应用，逐渐提高电能在能源消耗中的比重；制定并实施《安徽省电动汽车充电基础设施“十三五”专项规划》，优先建设公交、出租及环卫、物流等公共服务领域充电基础设施，积极推进居民区与单位停车位充电桩配建工作，鼓励有条件的专用充电桩对社会公众开放，合理布局社会停车场所公共充电基础设施。结合骨干高速公路网，形成省内高速服务区城际快充网络，从而进一步推动电动汽车的发展。同时，为了保证配电网安全可靠及经济运行，我们在对城市配电网进行规划时，必须提前考虑到当前及未来配电网所面临的挑战，即大量电动汽车的充放电负荷接入，而这些电动车负荷，都具有随机性、波动性、间歇性和难以预测性。因此，有必要对含电动汽车接入配电网的影响[1]进行分析。

2　安徽省电动汽车发展现状

2.1　安徽省电动汽车充电桩建设现状

截止到2016年底，安徽省新能源电动汽车保有量约32150辆，已经建成投运的充换电站[2]251座，建设充电桩21521个，如图1所示，合肥市建成16083个，芜湖市建成4865个。安徽省内高速公路快充站建成154座，其中建成快充直流充电桩616个。

图1　安徽省2016年及之前充电桩个数

如图2所示，当前充电站的投运以交流桩为主，2016年当年合肥市共建设8864个交流充电桩，1043个直流充电桩，芜湖市建设3612个交流充电桩，170个直流充电桩，在全省的电动汽车充电站建设发展中领先其它地市。

图2　安徽省2016年充电桩建设情况

2.2　“十三五”期间安徽省电动汽车发展规划

根据《安徽省关于加快新能源汽车产业发展和推广应用实践意见》，2018年初，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计销量要达到7万辆以上。根据安徽省交通规划，“十三五”期间安徽省电动汽车总产能60万辆，计划推广电动汽车20万辆。

2016年安徽省投入使用的电动汽车中公交车2891辆、环卫车111辆、私家车23268辆、物流车1540辆、公务车3510辆和出租车1932辆，共计33252辆。因此，基于2016年电动汽车保有量的数据，结合安徽省经济、人口、产业基础和国家政策支持情况，采用弹性系数法、千人保有量法预测安徽省“十三五”年电动汽车的保有量，具体发展预测如表1所示。

表1　安徽省“十三五”电动汽车发展规模 单位：万辆

2016年安徽省电动汽车充电量统计如下，公交车充电量约21104亿千瓦时，环卫车根据充电量约810亿千瓦时，私家车充电量约5661亿千瓦时，物流车充电量约11242亿千瓦时，公务车充电量约1281亿千瓦时，出租车充电量约1410亿千瓦时，共计充电量约为41509亿千瓦时，具体“十三五”期间电动汽车充电量规划预测如表2所示。

表2　安徽省“十三五”充电量需求预测　　单位：亿kWh

3　电动汽车接入对电网的影响

3.1　负荷的增长

为了进一步研究电动汽车接入对安徽电网的影响[3]，首先针对大规模的电动汽车并网充电的负荷特性进行分析。结合交通信息、电动汽车数量、充电桩空间分布等数据建立充电概率模型。再根据电动汽车驾驶员主观决策和客观停车充电的需求，即得到电动汽车充电的发生概率。下一步再通过概率分布分析在不同地点的充电起止时间等数据，最终利用蒙特卡洛模拟[4]计算电动汽车充电负荷。由图3所示，为电动汽车负荷特性预测方法简化架构，图中每一个模块都对应大量的数据支撑，为了便于理解将其简化。

图3　电动汽车负荷预测架构

本文以私用电动汽车常规充电模式即慢充的方式为例分析其充电负荷特性。通常慢充时间要4～8个小时，充电功率在3～10kW。

图4　24小时行驶里程占比

图4所示为一天中电动汽车的每个小时的行驶里程占比。由图得出，电动汽车一天中主要工作时间在早上7∶00～19∶00之间，通常车主在17∶00～24∶00之间下班回家，即可假设为最后一次行程。根据相关调查研究得出的数据，普通人私家车的日均行驶里程为40km，假设单程均值在20km左右，单程耗时在1h以内。由此引入对数正态分布来分析概率密度函数为：

(1)

式中：t表示以日历小时为单位的时间；17表示下午17时。其随时间变化的概率密度可以用图5表示。

图5　最后一次行程结束时刻的概率分布

在没有相关制度制约和经济刺激如优惠电价的激励下，车主一般会在自己方便的时间充电。假设车主最后一次出行回家后即开始充电，并假设起始充电时刻至电池充满时的充电时长为：

(2)

式中：TWC为充电时长，h；PC为充电功率，kW；S为电池容量，kW·h。

以lmin(0.0167h)为步长，在时刻t(0≤t≤24)，第i台电动汽车的充电功率为

(3)

式中：Twsi、Twci和Pci分别为第i辆电动汽车起始充电时间、充电持续时间和充电功率。

以1000辆电动汽车为例，采用蒙特卡洛仿真方法在0≤d≤80和17

基于前文的负荷特性分析，可预计安徽省最高用电负荷规模大约5000万kW，其中电动汽车充电负荷规模大约占到6%左右，即充电负荷约400万kW。当充电同时率较高时，即快充车辆比例较高或者在充电高峰时期有大量电动汽车充电，将会造成负荷快速增长，使安徽电网负担加重，对电力系统的安全可靠运行造成影响。

图6　电动汽车慢充充电负荷曲线

3.2　电能质量问题

电动汽车接入对电网造成的电能质量问题当前受到广泛关注。根据电动汽车充电具有空间特性，若充电站的规划建设不合理，当某一站点有大量电动汽车进行充电时，会给电网带来较大冲击，造成电压波动，甚至造成部分区域过载的情况。

图7　典型的电动汽车充电桩结构

典型的充电桩结构如图7所示，由图得出，以电力电子器件组成的逆变器单元为基础，存在非线性环节，在充电过程中会产生谐波，影响电网的电能质量。

充电谐波图形依据试验数据得出，当电动汽车充电工作3小时，检测到系统内存在7,11,13,15,17,19等奇次谐波，其中以7次和11次谐波含量最大。电动汽车充电桩的输出谐波的大小与电力电子器件本身开关频率和输出滤波器参数配置有关。

图8　充电桩充电3小时谐波检测情况

3.3　配电网规划影响

随着电动汽车保有量的高速增长，未来安徽电网将有大量的直流、交流充电桩和充电站进行规划和建设。因此，这对配电网的传统规划造成很大的影响，在考虑电网运行的可靠性、安全性和充电站投资的经济性基础上，还需要研究电动汽车充电站的空间分布和充放电的负荷模型，即考虑汽车的充放电负荷特性，驾驶习惯、充电规律和交通状况等等，从而准确建立电动汽车的充放电模型，支持配电网科学规划。

4　电动汽车接入建议

4.1　电动汽车有序高效充电

通过对电动汽车充电负荷模型的建立，使得部分可控电动汽车充电负荷参与电网调控优化运行，以电网安全运行和经济性为目标函数，建立优化调控模型。结合当前的互联网+技术、车联网平台，在线引导电动汽车有序充电。同时最大限度的优化电动汽车充电效率，使得电动汽车高效充电，降低系统网损，从而提高电网运行经济性。

4.2　改善电能质量

根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》要求，电动汽车充电桩建设与验收过程要严格把控，最大限度地提高电动汽车充电站建成后的电能质量验收标准。加入电能质量检测与分析装置，对充电站(桩)施行准确和实时监测。建议加装动态无功补偿装置，解决电动汽车充电造成的电网电压波动问题。即在充电站并网点加装动态无功补偿装置，静止无功补偿装置或静止同步补偿装置等。为了抑制电动汽车充电产生的谐波，建议加装有源滤波装置。

4.3　统筹配电网科学合理规划

通过建立电动汽车充电的负荷模型，重新梳理电动汽车充电负荷加入后的区域配电网规划模型，进行负荷预测，电力平衡等，充分考虑本地区电网供电能力，设备水平，尽量使得充换电设施规划布局科学合理[5]。

5　总结

本文阐述了安徽电网“十三五”期间电动汽车的发展概况，对电动汽车接入系统的影响，如负荷增长、电能质量和配电网规划等进行分析，最后针对这些问题提出建议。安徽省电动汽车的发展极其迅速，这对当前配电网设施造成一定的挑战。因此，需要制定有效的充电负荷管控机制，合理编制配电网规划，持续加强电动汽车并网相关课题的科技研究，从而有效促进安徽省电动汽车的健康有序发展。

致谢：本文在撰写过程中得到了合肥工业大学吴红斌教授的大力支持，在此对吴老师表示深深的感谢，感谢老师的悉心辅导和关怀。

参考文献：

[1] 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.

[2] 熊虎，向铁元，祝勇刚，等．电动汽车公共充电站布局的最优规划[J].电力系统自动化，2012,36(20):1- 6.

[3] 郭建龙，文福拴．电动汽车充电对电力系统的影响及其对策[J].电力自动化设备，2015,35(6):1-9.

[4] 杨允，张士杰，肖云汉，等.蒙特卡罗法在分布式供能系统不确定性评价中的应用[J].中国电机工程学报，2013(02).

[5] 张良，严正，冯冬涵，等．采用两阶段优化模型的电动汽车充电站内有序充电[J].电网技术，2014，38(4):967-973.