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《電氣時代》2014年第五期

一、充電設(shè)施

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司電動汽車充電設(shè)施建設(shè)指導(dǎo)意見》中對充電設(shè)備及充電設(shè)施的定義，充電設(shè)施（ChargingInfrastructure）為電動汽車動力蓄電池提供電能的相關(guān)設(shè)備的總稱，包括各種交流充電樁、充電站和電池更換站等。1.交流充電樁又稱交流供電裝置，指采用傳導(dǎo)方式為具有車載充電機的電動汽車提供交流電源的專用供電裝置。根據(jù)國網(wǎng)公司《電動汽車交流充電樁技術(shù)條件》中的相關(guān)標準，普通一樁二充式交流充電樁的額定工作電壓為單相220V，額定電流32A。2.充電站由3臺及以上充電設(shè)備組成，為電動汽車進行充電，并能夠在充電過程中對充電設(shè)備、動力蓄電池進行狀態(tài)監(jiān)控的場所。根據(jù)國網(wǎng)公司《電動汽車充電設(shè)施典型設(shè)計》中對充電站的分類，按配備的充電機數(shù)量規(guī)模不同，主要分為大型、中型及小型三種充電站。大型充電站配備8臺直流充電機和4臺交流充電樁；中型充電站配備4臺直流充電機和4臺交流充電樁；小型充電站配備一兩臺小型直流充電機和兩三臺交流充電樁。3.電池更換站指采用電池更換方式為電動汽車提供電能供給的場所。它能實現(xiàn)電動汽車快速補充電能，減少電動汽車在充電站內(nèi)的等待時間。電池更換站模式一般采用集中更換、統(tǒng)一配送的運作方式，即電池更換站位于市中心滿足電動汽車更換電池續(xù)航的需求，其本身不設(shè)置對電池的充電設(shè)備，而是將替換下的電池集中送至郊區(qū)上級220kV變電站站內(nèi)或者附近的專用電池充電站進行充電，充電完成后再從充電站統(tǒng)一配送至各電池更換站。

二、充電設(shè)施對配電系統(tǒng)的影響

大規(guī)模的電動汽車接入電網(wǎng)會使得充電設(shè)施對配電系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，主要有：配電網(wǎng)負荷曲線的影響，產(chǎn)生系統(tǒng)電壓偏差，系統(tǒng)的網(wǎng)損會增加，交流充電樁會導(dǎo)致系統(tǒng)三相不平衡。同時充電站的專線接入會使變電站的供電范圍減小，充電設(shè)施的放電使母線短路容量增加，充電站采用了大量的電力電子器件造成系統(tǒng)諧波污染。1.充電設(shè)施對配電網(wǎng)負荷曲線的影響電動汽車的充電時刻和充電時間會影響電網(wǎng)的負荷曲線，以1000輛電動汽車為例，采用蒙特卡洛仿真方法在分別對其概率密度函數(shù)進行抽樣，表明無序充電的電動汽車總的充電功率負荷峰值出現(xiàn)在18∶00到21∶00，并和相關(guān)地區(qū)的居民用電的日平均負荷曲線疊加，表明電動汽車無序充電會造成“峰上加峰”，導(dǎo)致系統(tǒng)峰谷差進一步拉大。2.充電設(shè)施對配電系統(tǒng)電壓的影響根據(jù)我國相關(guān)規(guī)定，在電力系統(tǒng)正常運行情況下，10kV用戶容許的電壓偏移為±7%。定義電動汽車滲透率＝電動汽車的最大充電功率/系統(tǒng)峰荷。得出電動汽車接入電力系統(tǒng)后，系統(tǒng)的各節(jié)點電壓普遍有所下降。當電動汽車的滲透率較低時，節(jié)點電壓在允許的范圍以內(nèi)；當電動汽車的滲透率大于60%時，部分末端節(jié)點電壓越限。3.系統(tǒng)網(wǎng)損有關(guān)研究表明，當一天中負荷總量一定時，日負荷曲線越平坦，網(wǎng)絡(luò)損耗就越小；反之，峰谷差越大，網(wǎng)絡(luò)損耗就越大。當大量電動汽車采取隨機充電時，可能形成“峰上加峰”，使得整個電力系統(tǒng)峰谷差進一步拉大，有功和無功損耗都增大，系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性變差。4.交流充電樁會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡及諧波污染三相不平衡度是衡量電能質(zhì)量的重要指標，國家對三相平衡度早有規(guī)定，接于公共接點的每個用戶，引起該點電壓不平衡的允許值一般為1.3%。一般私家車采用常規(guī)充電方式，從最極端的假設(shè)條件考慮，假設(shè)全部接在A相，將導(dǎo)致系統(tǒng)三相嚴重不平衡。5.充電站的專線接入對變電站的供電范圍及母線短路容量的影響為減少充電站接入對同線路其他負荷的影響，在條件允許的區(qū)域可考慮從上級變電站接10kV專線對充電站進行供電的方式。110kV電站出專線供充電站，相當于減少了對其他負荷的供電，因此對該110kV電站來說，如果考慮負荷密度不變的條件下，供電面積將會減少。考慮在放電狀態(tài)下，充電站的放電會使變電站母線短路電流增加。

三、解決措施

充電設(shè)施對配電系統(tǒng)的影響主要有大規(guī)模電動汽車接入的無序充電負荷，對電網(wǎng)將產(chǎn)生很大的負荷沖擊。伴隨電動汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，若任由這部分負荷無序接入電網(wǎng)，必然將進一步加劇負荷峰谷差。可以采取以下措施減小其影響。1.基于峰谷電價的電動汽車有序充電為實現(xiàn)電動汽車的有序充電，電力部門通過一天24h內(nèi)的峰谷電價的制訂，對用戶充電時間的選擇進行引導(dǎo)和干預(yù)。本文考慮的簡化兩段式峰谷電價模型如下式所示式中，Pv和Pi分別為谷電價和峰電價，顯然Pv<Pi；（t1，t2）為谷電價區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)發(fā)生的充電電量消費按谷電價Pv計費；而在其他時段內(nèi)，則按照峰值電價Pi計算。針對不同城市的電網(wǎng)負荷情況，可制定對應(yīng)最優(yōu)的谷電價時段，對改善負荷特性，特別是負荷峰谷特性的調(diào)控有良好的效果。2.充電設(shè)施的V2G模式抽樣調(diào)查表明，私人車輛日行駛里程在10～50km之間的較多，這樣如果早上出車的時候電池是充滿電的，則可以行駛80～100km左右，那下午下班回來電池仍存有一半左右的電能。考慮到下午下班后至晚上22點左右系統(tǒng)的負荷較高，并一般在19～22時之間出現(xiàn)負荷晚高峰，這樣如果電動汽車車主回家后先讓電池向系統(tǒng)放電，則有助于系統(tǒng)應(yīng)對晚高峰時的負荷需求。一般夜里22時之后，系統(tǒng)負荷開始下降，24時至第二天早上7時系統(tǒng)負荷一般較低；可以在負荷較低的時段給電池充電，以取得填谷的效果。充電設(shè)施的V2G模式不僅能夠削峰填谷，平緩日負荷曲線，而且還能降低電壓偏差，降低網(wǎng)絡(luò)損耗。3.充電設(shè)施的智能充電智能充電是指在滿足電動汽車充電需求的情況下以多時段內(nèi)總損耗及電壓越界之和最小為最優(yōu)目標，利用最優(yōu)算法計算電動汽車各時段的可充電功率以達到平穩(wěn)電網(wǎng)負荷，減少電網(wǎng)損耗，提高電壓質(zhì)量的目的。智能充電方法的數(shù)學(xué)模型以電網(wǎng)多時段內(nèi)總損耗及電壓越界之和最小為最優(yōu)目標。智能充電方法的主要步驟如下：1）調(diào)度中心進行24h短期負荷預(yù)測。2）車主將次日的行程安排、充電計劃及是否參與調(diào)度等信息提交至服務(wù)商，服務(wù)商匯總后再上報至調(diào)度中心，根據(jù)上報數(shù)據(jù)預(yù)測24h的電動汽車充電負荷并調(diào)整短期負荷預(yù)測的結(jié)果，電動汽車車主通過服務(wù)商參與統(tǒng)一調(diào)度，避免盲目的無序充電行為，與此同時也將獲得經(jīng)濟利益。3）根據(jù)短期負荷預(yù)測的結(jié)果在滿足電動汽車充電需求的情況下，進行智能充電優(yōu)化計算，得到電動汽車各時段的優(yōu)化充電功率。4）調(diào)度中心將各時段電價和優(yōu)化充電功率等數(shù)據(jù)下發(fā)給各服務(wù)商，服務(wù)商再向自己管轄范圍內(nèi)的電動汽車發(fā)送充電調(diào)度安排，車主根據(jù)下發(fā)的充電調(diào)度安排，調(diào)整各自的充電計劃從而實現(xiàn)最優(yōu)充電。交流充電樁采用單相充電模式，有可能會產(chǎn)生三相不平衡，可通過計算得出其值，若其值超出了國家規(guī)定范圍，可采用補償器對三相不平衡系統(tǒng)補償。在規(guī)劃設(shè)計充電站的選址時，盡可能滿足配電系統(tǒng)的綜合評價指標，同時使電力系統(tǒng)供電利潤最大化。充分利用充電設(shè)施的V2G，可以提高系統(tǒng)的可靠性，同時還能接納風(fēng)電、光電等不穩(wěn)定電源。充電設(shè)施的智能響應(yīng)能夠?qū)ο到y(tǒng)進行調(diào)頻調(diào)壓。

作者：辜俊明劉敏蘇波單位：貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院烏江水電開發(fā)（集團）有限責任公司