大容量直流充电桩集群的调峰研究

张祖平，陈麒宇，杨秀媛，贺瑜环



大容量直流充电桩集群的调峰研究

张祖平1，陈麒宇1，杨秀媛2，贺瑜环2

（1．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192； 2．北京信息科技大学自动化学院，北京市 海淀区 100192）

在新能源政策倡导的发展趋势下，我国新能源汽车的发展已取得了长足的进步，随之增加的是电动汽车的电池能量密度。相应的电动汽车动力电池充电的直流充电桩的功率越来越高，使得直流充电桩的充电功率在配电层总负荷功率中的占比越来越大，这对配电网的规划建设带来新的挑战。根据电动汽车充电过程的随时可中断性，提出在电动汽车的总规模达到一定数量时，可以通过灵活控制电动汽车的总体充电功率，从而达到为电网调峰的目的。通过对电动汽车充电桩的功率和控制模式的分析，得出当直流充电桩的数量及其总功率在配电网负荷中的占比达到一定规模时，在集群控制模式下，更加适合参与配电网层的调峰。

电动汽车；配电网；直流充电桩；集群控制；调峰

0 引言

在发展新能源汽车的大趋势下，在国家相关政策的引导扶持下，我国新能源汽车的发展已取得了非常大的进步。随着技术的进步，纯电动乘用车的电池容量在不断提升，这对充电设施的容量提出了更高的要求，也使得相应配电网的改造工作面临更大的挑战。电网规模的扩大以及复杂性的提高，使得城市配电网供电能力评估面临新的挑战，需要适应新环境下的配电网络，对城市配电网进行规划[1-2]。

近些年来，风电、光伏发电等可再生能源发电规模迅猛增长，并大量并网运行。由于风电、光伏出力的随机性和反调峰特性，导致电网峰谷差不断加大，电网调峰压力越来越大，使电网的安全运行面临巨大的挑战[3-4]。

高比例可再生能源并网给电力系统调峰带来了较大压力，应用储能辅助调峰可有效解决系统调峰问题[5]。随着电动汽车大量投入和使用，电动汽车参与电网的调度，不仅能提高可再生能源发电系统的可靠性和电能质量，而且还能增加负荷调度的灵活性，促进电动汽车与可再生能源发电系统的协调发展[6-8]。目前，国内外学者针对电动汽车的充放电策略逐步展开研究。文献[9]提出了一种考虑电动汽车充电负荷和电池储能系统(battery energy storage system，BESS)接入情况下与配电网扩展联合的多阶段规划模型和求解方法。文献[10]针对耦合电动汽车充电站基础设施和配电网络，提出了一种多目标，多阶段协同规划模型。文献[12]在考虑电网的调峰需求和电动汽车电池管理的基础上，提出了一种采用粒子群算法进行优化计算的调度管理模型。文献[12-14]对V2G参与电网调峰进行了分析, 只有日行驶里程较短的用户才能参与 V2G，反向传递能量给电网[15]。文献[16]在考虑可控性的电池更换模式下，提出电动汽车参与电网调峰、平衡负荷的模型。文献[17]提出2种电动汽车充电策略—延时充电和错峰充电，运用混合整数二阶锥规划求解，有效研究电动汽车充电对系统的影响，但未考虑在负荷需求高峰期放电。

本文提出在电动汽车直流充电桩总功率在配电网负荷中的占比达到一定规模时，通过集群控制参与配电网层的调峰，使得配电网安全可靠 运行。

1 我国新能源汽车的发展现状及未来发展趋势

1.1 我国新能源汽车的发展现状

近十多年来，我国新能源汽车的发展，在国家相关政策的引导和扶持下，已取得了长足的进步，如果说中国汽车企业在全球传统汽车产业的竞争格局上始终在跟跑，那么在新能源汽车的产业化方面，中国企业在局部技术领域已经实现领跑，新能源汽车市场已稳居世界第一位。

据公安部统计，截至2017年年底，全国登记注册的机动车保有量为3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆。2017年，全国有53个城市的汽车保有量超过百万辆，24个城市超200万辆，7个城市超300万辆，分别是北京、成都、重庆、上海、苏州、深圳和郑州。2017年，全国新能源汽车保有量达153万辆，占汽车保有总量的0.7%。

工信部的统计数据显示，2017年，我国汽车产量2901.54万辆，同比增长3.19%，销量达 2887.89万辆，同比增长3.04%。其中新能源汽车产销量分别达到79.4万辆和77.7万辆，连续3年位居世界第一，2017年全国新能源汽车销量占汽车总销售量的约2.69%。

2017年新能源汽车新注册登记65万辆，与2016年相比，增加15.6万辆，增长24.02%。全国已有107个城市启用新能源汽车专用号牌，覆盖31个省(自治区、直辖市)。

1.2 新能源汽车的发展预测

发展新能源汽车是全球汽车行业发展的大趋势，是经济可持续发展的必然要求。中国政府十分重视新能源汽车的发展，出台了一系列相关政策，支持基础设施建设，减免电动汽车购置税，鼓励企业研发电动汽车等。

在国家大力扶持新能源汽车的背景下，各地都在抢抓新能源汽车发展机遇，不断加大投入，全面提升新能源汽车产业发展水平。据初步预测，2018年新能源汽车产量大约为105万~120万辆，到2020年新能源汽车市场份额应该占当年的7%左右，2025年新能源汽车产量预计达到700万辆，市场份额应该占20%左右。

2018年4月1日起，工信部颁发的《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》将正式施行。这是指对所有在华生产和销售汽车的制造商实行油耗积分和新能源积分并行管理，汽车制造商除了需要降低燃油消耗来获取油耗正积分，还必须出售足够数量的新能源汽车才能获得相应的新能源积分。为新能源汽车的发展提供了政策保障。

随着新能源汽车产业技术不断突破带来成本降低，新建小区同步规划新能源汽车充电桩等配套政策的实施，轿车电动化越来越得到消费者的接纳。

总之，为了全面体现党中央的新发展理念，我国新能源汽车产业必将持续稳定发展，我国的汽车产业一定会抢抓新能源汽车发展的大好机遇，努力促进汽车产业的转型升级，为改善城乡大气环境做出更大的贡献。

2 纯电动乘用车的电气参数及其对电网的影响

2.1 纯电动乘用车的电气参数

纯电动乘用车是国家重点扶持的新能源汽车品类。随着电池能量密度的不断增加，纯电动乘用车的续驶里程近年来有了长足的进步。已从过去的几十公里增加到了几百公里，已越来越接近燃油汽车的续驶里程，极大地改善了使用者的驾乘感受。

纯电动乘用车百公里续航里程的耗电量大约在15~25kW×h，最新型的纯电动乘用车，其电池容量也已从过去的20~40kW×h提升到80~100kW×h甚至更高。电池容量的提升虽然为提升纯电动乘用车的续驶里程提供了保障，但也对相应的充电设施的容量提出了更高的要求。例如，电动汽车交流充电桩功率从3~5kW发展至10~ 20kW，直流充电桩的充电功率也已达到100~ 500千瓦级的水平，这也使得相应配电网的改造工作开始面临极大的挑战。

2.2 纯电动乘用车充电设施的类型

电动汽车充电设施可分为交流充电桩和直流充电桩。不同类型的充电桩都是由桩体、电气模块、计量模块等部分组成。

2.2.1 交流充电桩

交流充电桩也称慢速充电桩，固定安装并与交流电网连接，为电动汽车车载充电机(即固定安装在电动汽车上的小功率直流充电机)提供交流电源的供电装置。交流充电桩只提供电力供应，需连接车载充电机为电动汽车充电。基本型的交流充电桩设计要求的功能规范有以下6点：

1）可以提供交流220V/7kW供电能力。

2）具备漏电、短路、过压、欠压、过流等保护功能，确保充电桩安全可靠运行。

3）具备显示、操作等必需的人机接口。

4）交流充电计量。

5）设置刷卡接口，支持RFID卡、IC卡等常见的刷卡方式，并可配置打印机，提供票据打印功能。

6）具备充电接口的连接状态判断、控制导引等完善的安全保护控制逻辑。

交流充电桩的电源要求为，输入电压：单相交流(220±10%) V，输出频率(50±2% )Hz，输出为交流 220V/7kW。

交流充电桩的系统框图如图1所示。

图1 交流充电桩的系统框图

交流充电桩可供给待充电的电动汽车单相/三相交流电(AC220/380V)，通过车载充电机转换成直流电给车载电池充电，功率一般较小(功率一般为7、10、22、40kW等)，充电速度一般较慢，充电时间通常要几个甚至十几个小时。故一般安装在小区停车场的专用车位处。

交流充电桩仅提供充电功率，由于车载充电机功率小，因而充电时间长，且充电功率不可调。

2.2.2 直流充电桩

直流充电桩与交流充电桩最大的区别在于，直流充电桩配置了一个大功率的非车载充电机(可由若干充电模块组成)，可直接为电动汽车的动力电池充电，因而充电功率大充电时间短，且充电功率可调。交流充电桩与直流充电桩的区别如图2所示。

直流充电桩也称快速充电桩，含有大功率充电模块，标准的非车载充电模块的参数为750V/ 20A、15kW，单个的充电模块目前以15kW为主，不能满足电动汽车充电功率的要求，需要多个充电模块并联在一起工作，如10个15kW充电模块并联可得到150kW的直流电桩。目前 30kW充电模块的需求也变得越来越迫切，由此可组合出更大容量的超级直流充电桩。直流充电桩在充电时还可根据需求，随意组合或调整充电功率。

图2 交流充电桩与直流充电桩的区别

根据2018年国家电网公司首批发布的充电设备招标公告分析，招标中的高功率直流充电桩产品的占比明显提升，首次出现了475kW规格的直流充电桩(34个)，200kW以上的直流充电桩有171个。直流充电桩的平均功率也由2017年全年的75kW上升18%至88 kW，体现了大功率快充设备的需求在不断提升。

2.3 充电桩对电网的影响

随着电动汽车在汽车总量中的占比越来越高，电动汽车的充电需求在配电网负荷中的占比将越来越大，由于电动汽车的使用具有较高的同时性，因此其充电时间也将具有较高的同时性，这些都对配电网的规划建设带来新的挑战。当电动汽车的占比达到一定比例时，必须采用有序充电的模式，才能避免由于配电设备过载而对电网安全造成不利的影响。

3 电力系统运行的特点及其调峰需求

3.1 电力生产的特点

电能与其他能源不同，其主要特点是：不能大规模储存，发电、输电、配电和用电在同一瞬间完成；发电和用电之间必须实时保持供需平衡，如果不能保持实时平衡，将危及用电的安全性和连续性。在储能技术没有取得重大突破之前，电力生产和消费的整体性、同时性和随机性是电力生产最突出的特征。

3.1.1 电力成产的整体性

3.1.2 电力成产的同时性

现代电力系统的发电、输电、配电和用电是同时完成的，既不能中断，又不能储存，必须用多少，发多少，是典型的连续生产、连续消费的过程。

3.1.3 电力成产的随机性

电力系统是世界上最大的人造系统，负荷变化、设备异常、突发干扰等，都有可能导致电能质量的变化以及事故的发生。这些事件的发生，使得电力系统的运行状况随时都在发生变化，而且发展迅速，波及面大。因此，在电力生产过程中，需要适时调度，要求适时安全监控，随时跟踪随机事件动态，以保证电能质量及电网的安全运行。

3.2 电力系统的负荷曲线

人们生产、生活的用电规律，既有周期性的特点，又有随机性的特点。导致电力系统的负荷曲线既呈现一定的周期性规律，又呈现一定的随机性，具有随机性与周期性相叠加的特点。通常电力系统负荷的自然峰谷差(不考虑调峰时)在30%~50%甚至更高。通过技术手段进行调峰，可以削峰填谷，达到经济运行的目的，并可提高电网运行的安全可靠水平。

3.3 电力系统的调峰需求

调峰目标：通过技术手段对负荷曲线进行 削峰填谷，使电网达到安全、可靠、经济运行的目的。

总体要求：整体平衡、分区平衡、分层平衡。

五凤溪古镇在原有基础上进行建设，只进行各街铺商业开发，开发类型单一，游客主要集中在高龄消费人群，经济带动性较差。但是，五凤溪古镇内古街与山体走势融洽结合，自然植被在大自然的哺育下茁壮生长，在古街内形成天然风光。

3.3.1 整体平衡的技术手段

调峰的技术手段一般有大型发电机组的日调度计划、抽水蓄能机组的抽蓄能力，我国大区电网的负荷水平，一般已达到几千万甚至过亿kW，电网整体平衡的调峰需求可达到数千万千瓦级。

3.3.2 分区平衡的技术手段

在一个分区内，可调节的发电装机容量应与最大负荷基本平衡，且略有裕度(一般应留出15%~25%的可调发电容量裕度)。

3.3.3 分层平衡的技术手段

超高压电网层：一般为省级电网，负荷水平一般在几百万至几千万kW，调峰的技术手段一般为大型发电机组的容量裕度及日调度计划、抽水蓄能机组的抽蓄能力，调峰需求几百万至上千万千瓦级。

配电网层：高压配电网一般为地市级电网，主要依靠上级超高压电网的调峰能力，中低压配电网一般为小区电网，调峰的技术手段一般为上级电网、可调节分布式电源、电动汽车有序充电、储能电池等，调峰需求几百至上千千瓦级。

利用电动汽车充电时的直流充电桩集群控制功能，为电动汽车进行有序充电，可组织几百甚至几千kW连续可调的充电功率参与配电网层的调峰，达到为配电网层削峰填谷，以及避免配电设备过载的目的。同时，还可间接减轻上一级电网的调峰压力。

4 利用电动车充电的集群控制功能调峰

4.1 充电桩的调峰能力

电动汽车的充电过程，具有随时可中断性，而不会对电动汽车造成损坏，只是适当延长了充电时间。当电动汽车的总体规模达到一定数量时，适于根据电网的调峰需求，灵活控制电动汽车的总体充电功率，从而达到为电网调峰的目的。

单一直流充电桩的功率规模既可达100 kW以上，若干集群直流充电桩的总容量可达几千kW，甚至更高，可通过有序充电参与调峰。

4.2 充电桩的调峰策略

当电动汽车处于充电状态时，为该电动汽车充电的充电桩，理论上即可参与调峰。

1）交流充电桩的充电功率较小，参与调峰的作用有限，除非确有必要(如同时接入某配电变压器的交流充电桩过于集中运行，使得该配电变压器存在过载风险时)，一般不建议参与调峰。

2）直流充电桩的充电功率较大，且充电功率可组合及连续调节。因此直流充电桩及其集群参与配电网层调峰，是非常理想的调峰技术手段，当直流充电桩参与调峰时，还可以减轻上级电网的调峰压力。

3）充电桩调峰的控制模式。

集中控制：可采用光纤或无线方式，将各充电桩接入充电桩监控中心，通过充电桩监控中心控制各参与调峰的直流充电桩的充电功率。需调减充电功率进行调峰时，如果处于充电的动力电池的已充电量大于80%，则可优先调减或断开该充电桩的充电功率；当已充电量大于50%，可考虑适当调减该充电桩的充电功率；当已充电量小于50%，除非确有必要，一般暂不考虑调减该充电桩的充电功率。

分散控制：应使接入同一配电变压器，或同一中压馈线的充电桩充电时的总功率，不引起相关配电变压器或中压馈线过载。

4）由于电动汽车动力电池的成本较高，且电池寿命与充放电次数相关，因此，一般不建议采用电动汽车供电电池反送的方式参与调峰。此时，应通过规划进一步加强配电网建设，提高配电网自身的供电能力。

5 结论

电动汽车的大规模应用，是新能源政策倡导的发展趋势。随着技术的进步，电动汽车动力电池的能量密度越来越大，整车续驶里程越来越接近燃油汽车的水平，相应的为电动汽车动力电池充电的直流充电桩的功率也越来越高，使得直流充电桩的充电功率在配电层总负荷功率中的占比越来越大。

单一直流充电桩额定功率大，可达百千瓦级，且充电功率可实现平滑调节，当直流充电桩的数量及其总功率在配电网负荷中的占比达到一定规模时，在集群控制模式下，更加适合参与配电网层的调峰，可为配电网的安全可靠运行，提供较理想的调节手段。

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Study of the Group Controlling on Large-Capacity DC Charging Piles for Peak Load Regulation

ZHANG Zuping1, CHEN Qiyu1, YANG Xiuyuan2, HE Yuhuan2

(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. School of Automation, Beijing Information Science &Technology University, Haidian District, Beijing 100192, China)

Under the development trend advocated by the new energy policy, the development of new energy vehicles in China has made great progress, and the battery energy density of electric vehicles has increased. The power of the DC charging pile charged by the corresponding electric vehicle power battery is getting higher and higher, so that the charging power of the DC charging pile accounts for an increasing proportion of the total load power of the distribution layer, which brings new challenges to the planning and construction of the distribution network. According to the arbitrarily interruptible charging process of the electric vehicle, it is proposed that when the total scale of the electric vehicle reaches a certain amount, the overall charging power of the electric vehicle can be flexibly controlled, thereby achieving the purpose of peak shaving for the power grid. Through the analysis of the power and control mode of the electric vehicle charging pile, it is concluded that when the number of DC charging piles and their total power in the distribution network load reaches a certain scale, in the cluster control mode, it is more suitable to participate in the peaking of the distribution network layer.

electric vehicle; distribution network; DC charging pile; cluster control; peak shift

10.12096/j.2096-4528.pgt.18264

2018-12-29。

张祖平(1950)，男，硕士，教授级高级工程师，研究领域为电网安全稳定分析、配电网规划及分布式发电并网技术、城市电网规划方法等，zpzhang@epri.sgcc.com.cn。

张祖平

国家自然科学基金项目(51377011)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51377011).

(责任编辑 辛培裕)