电动汽车充电对电网电能质量影响研究

赵志刚

摘要：目前能源和环境是制约经济社会发展的重要因素，也是当今全球范围内关注的热点问题，汽车产业作为现代社会化大工业的产物得到迅速发展，新增汽车的数量逐年加大，特别是私家车增速显著。汽车给人们的日常交通出行带来舒适和便捷的同时，也使能源和环境面临危机。随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系统的运行与规划产生不可忽视的影响。文本在综合考虑现电网结构及电动汽车渗透率情况下，针对规模化电动汽车充电与电网的影响进行研究，对于缓解未来规模化电动汽车充电给电网带来的影响具有重要的理论和实际意义。

关键字：智能变电站;监控体系;智能评估;一体化调度

0引言

我国对电动汽车领域的探索起步较晚。然而，在最近十年里，通过国家项目持续、大力的研发支持，我国的电动汽车产业已取得了突破性的进展。2013年9月17日，科技部、工信部等四部委联合发布《关于继续开展新能源推广应用工作的通知》，通知中提出：2013至2015年，特大型城市或重点区域新能源汽车累计推广量不低于1萬辆，其他城市或区域累计推广量不低于5000辆，政府机关、公共机构等领域车辆采购要向新能源汽车倾斜，新增或更新的公交、公务、物流、环卫车辆中新能源汽车比例不低于30%。到2019年电动汽车配套能力明显增强，充电设施建设与新能源汽车产销规模相适应，满足重点区域内或城际间新能源汽车的运行需要。

1研究必要性

随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向。电动汽车作为新一代的交通工具，在节能减排、减少人类对传统化石能源的依赖方面具备传统汽车不可比拟的优势，但是随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，将对电力系统的运行与规划产生不可忽视的影响。

2电动汽车充电负荷建模

为了对电动汽车接入电网影响进行定量分析，或进行配电网规划、定容选址、控制策略研究，首先需要有适当的模型来表征充电负荷的特性。影响负荷建模的主要因素有：

1）充电方式

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。按照电动汽车与电网的互动程度，其充电模式可分为：

集中式充电：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。

智能充电：根据是否向电网返送电力分为智能单向有序充电和智能双向有序充放电模式。

2）电池特性

电池的电路模型是研究充电特性的基础，动力电池组充电模式一般采用“恒流-恒压”两阶段充电模式。综合考虑电动汽车制造工艺，未来广泛使用的电池是锂电池。锂电池的充电特性主要受充电电流、SOC、健康状态（state of health， SOH）、循环充放电次数的影响。除此之外，环境温度对锂电池的容量也有很大的影响。在分析充电负荷对电力系统影响时，大多数的研究假设各用户釆用相同规格型号的充电电池以简化研究。

3）用户行为习惯

用户行为是影响电动汽车功率需求的关键因素，具有随机性。对电动汽车产生影响的用户行为主要包括开始充电时刻和日行驶里程两个方面，用户充电时间越集中，电网需提供的充电功率越大;而日行驶里程反映了用户当日的耗电量，在一定充电功率下，行驶里程与充电持续时间相关。对用户行为研究和功率需求的统计模型建立，通常依据交通部门或统计部门的调查数据，或利用车载在线，全球定位系统（global positioning systems，GPS）、住宅区配置的信息采集器等对电动汽车行为进行跟踪记录。

3电动汽车接入对配电网的影响

电动汽车充电对输电网的影响是间接的，输电线路和变电站等容量可满足要求，因此不作为研究重点。电动汽车大量无序、随机充电负荷与原有峰值叠加，将形成新的负荷，对配电网带来巨大影响，对配电网的影响，主要分为三方面：电能质量（谐波电流、电压偏移、电压不平衡）电网经济性（网络和变压器功率损耗、线路及变压器负载），安全稳定运行（电压波形、峰值负荷、电器设施寿命）。

4电动汽车规模化充电控制策略研究

电动汽车无序充电会对电力系统产生负面影响，因此研究电动汽车的充电策略非常重要。非协调的充电策略会影响系统的稳定性和可靠性，而智能充电策略却会增强系统的稳定性和可靠性。最基本的充电策略是削峰填谷策略。目前国内外研究充电控制策略主要集中在以下几个方面：

1）基于分时分段电价的电动汽车充电策略

利用国家激励政策和分段电价，引导大量用户利用晚间低谷进行夜间充电或延迟充电，避开高峰时段，这一方法在近期可有效实现大量充电负荷的转移，但存在一定局限性。

2）电动汽车智能充电策略

在研究电动汽车智能充电策略时要考虑到所研究地区的电网和私家车行驶特性，以及充电时在时间和空间上的不确定性，结合配电网具体运行情况，研究电动汽车充电布点问题，以提高电网运行的经济性，使电动汽车智能充电策略更灵活更人性化，甶于输电系统调度人员无法对大量的电动汽车进行调度所以比较实际的方法是采用分层分区调度方法，故需以某个优化目标，如用户获利最大、电网负荷变化率最小、电网峰值负荷最小、配电损耗最小或电压偏移最小等作为目标函数，同时考虑一定约束条件，最终实现用户侧和供电侧的双赢。

3）电动汽车充电与新能源接入相结合的控制策略研究

电动汽车因响应了我国的节能减排政策而发展迅速。另一方面，传统的化石燃料资源日益枯竭，风能和太阳能作为较有前景的可再生能源被人们广泛研究和利用。但同时也衍生出一些问题，首先，大规模的电动汽车入网充电时，会导致局部地区的负荷紧张，尤其会加重高峰时段的电网负担，如何通过协调控制电动汽车的充电过程来减小其对电网的影响是值得研究的问题。其次，风能、太阳能等可再生能源发电入网时会产生相应的功率波动，当大规模可再生能源接入电网时，如何平抑其对电网造成的功率波动并提高电网对其的消纳能力也是亟待解决的问题。结合以上两点问题，通过引导电动汽车进行有序充电，能够减少大规模无序充电对电网造成的冲击，通过对充电负荷时间和数量上的控制能够平抑风、光等新能源对电网造成的波动，优化区域电网峰谷差。

5总结

本文的研究具有良好的应用前景，填补了电网对未来大规模增加电动汽车充电站后对电网影响的适应性研究的空白，对于缓解未来规模化电动汽车充电给电网带来的影响具有重要的理论和实际意义。从一定程度上促进我国智能电网的发展，研究过程中建立充电站负荷模型，为充电站其它方面的研究奠定理论基础;而有序充电控制策略的研究，能够提高电网的稳定性，改善电网的使用效率，并且为电网、电动汽车充电站与用户之间的运营模式提供参考依据。