電動汽車充電樁對城市供電負荷的影響
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1城市常規用戶用電行為習慣分析
我國各省由于白晝時間的差異，制約著人們的生活作息時間，東北、西北、華北和華中、華東地區的時差約為1h左右。本文選擇華中武漢充電網日負荷曲線進行特性分析，供電部門將每日劃分為8：30～11：30（高峰時段）、19：00～22：00（高峰時段）、23：00～7：00（低谷時段）、其余時間（平時段）。在高峰時段，電網內涌入大量的負荷，造成用電擁擠，在這時段增加小量級的負荷不會有太大壓力，但出現大型負荷波動，則會嚴重影響電網運行；在低谷時段，大部分設備及人們處于休息狀態，負荷抖降下來，這時的負荷是大量冗余，缺少利用。
目前，電動汽車充電樁的部署及利用率并不是太高，這與電動汽車購買率及充電樁安裝問題有一定關系。政府綜合考慮用戶實際需求，出臺了小區內充電樁一樁一戶及優惠電價充電等多項政策，促進了用戶購買使用電動汽車的熱情，加上環境保護意識的提升，電動車將逐步完全替代油車。一旦電動車完全替代油車的局面出現，將會帶來大量的電網負荷需求，如果電動車充電負荷的時間恰好與城市常規用電行為曲線相近，將會出現在某時段城市電力負荷不足的現象，電網需選擇全網范圍內擴容變壓器設備或者新建變電站來迎合電力負荷需求。如果深度分析電動車充電行為習慣，研究其與城市用電習慣的重合度及補漏性，形成一套削峰填谷的用電優化方案，就可以最大限度地提升電網資源利用率。本文綜合考慮充電樁的分布位置及充電功率大小將充電樁分為4大類：集中式快充模式、集中式慢充模式、分布式慢充和辦公區慢充。選取一定面積區域的充電設施使用情況調研數據，分布式慢充和集中式慢充主要集中在晚上0：00～7：00之間發生充電行為，這段時間內分布式慢充的充電樁使用250臺，集中式慢充30臺，總的使用功率為1035kW；集中式快充主要給公交車和出租車充電，辦公區慢充主要針對私家車及班車充電，這兩類主要充電行為集中發生在9：00～16：00之間，辦公區慢充為50臺，集中式快充為5臺，總功率550kW。根據分時段用電情況可見，大功率使用主要集中在晚上，但是白天也還是會存在一定的負荷損耗。如何有效地實現電動汽車集中負荷與城市用電峰值的避錯，需通過推動政策和手段改變電動汽車充電的習慣，將轉移一部分充電負荷，在一定程度上改善成熟負荷波形曲線。在滿足多方需求和利益的前提下，盡量選擇零點之后進行電動車能量補給，避開傍晚的高峰用電時段。
3充電樁合理運行負荷模型建立
電動汽車應用過程具有隨機性、分散性、規模化的特點，需對分散式充電柱的充電過程科學化、合理化管理，如按需隨意性地對充電樁進行調度，將會增加電網負荷突發性不可控的問題。因此需要選擇一種中間服務者，為充電樁集群提供調峰、調頻、能源池調用等輔助性功能服務，將4類充電樁看做一個整體，中間服務者通過綜合考慮用車行為和城市用戶用電行為，融合一定的需求側用電算法，在合適的時刻調用相應的調用規則，實現充電樁和城市配網負荷的優化配置，構建分層分區優化策略。中間服務者在配網中起到承上啟下的作用，包含中間管理者的充電樁系統雙層通信架構模式。雙層架構模式將實現用戶、中間服務者和電力公司各自利益的最大化，電力系統無需為邊緣負荷的小型波動而增加新的電源系統，從而節約了建設成本，中間服務者可通過電力差價盈利，最終達到多方共贏的效果，而且還改善了整體電網的性能。調度系統將權責下放給中間服務者，中間服務者需考慮電動汽車的部署特性，充電量大和隨機性強，需要解決電網的集中調度決策和電動汽車分散性的問題。因此系統將電動汽車區域分層化，形成不同的資源池，很好地規避了充電樁時空不確定的問題，將結合分布式優化控制和集中優化控制的特點，形成一套動態能源規劃的控制流程，從而實現充電樁的有序充電和智能控制。通過中間服務者預測的電動汽車充電需求，結合調度中心短期負荷預測，接入目前充電汽車充電信息，調用充電汽車控制優化約束條件，依據電動汽車充電功率值、電池剩余電量、充電電流等限制，判斷是否允許接入，如不滿足條件，則返回做進一步調整，直到滿足收斂條件才允許并網接入。
4充電樁優化控制對供電特性決策的影響
4．1錯開用電負荷峰值
通過實施電價和負荷波動最小優化的控制策略調整，可明顯避開白天的用電高峰時間點10：30和19：00左右出現的峰值。通過浮動的電價優惠政策避開這兩個峰值，將電動汽車的使用峰值轉移到附近的區段，避免了突破電網負荷最高點。在電網負荷高滲透率下，電動汽車的并網接入使得最小日負荷率有所提高，如果不采取錯峰控制，將會峰值溢出。通過電動汽車系統整體調控手段，將電動車最大集中使用時間錯開峰值，使城市電網用電負荷在可控范圍內，智能充電優化效果更加明顯。
4．2電網設施利用率提升
電動汽車充電樁接入電網后，將充分利用電網資源，不會造成電力負荷在低谷時期的資源浪費，利用電價優惠措施，避開電網高峰用電時期，不超過電網峰值負荷水平線，就不用重新布局規劃新的電網設備來做負荷的補給。如果通過上線大量的核心設備作為備份，對于電動汽車的運行沖擊只會產生短暫的負荷需求，之后會造成設備的閑置，因此應盡量采用合理的調控手段來使得負荷利用最大化。
4．3高準確度以降低諧波污染
充電樁的接入會產生諧波污染，從而產生諧波功率影響到計量誤差。根據《國家電網電動汽車充電站典型設計》中建議的交流側0．5S級準確度，如果脈沖電壓產生的諧波過大，則會不符合電網供電要求，嚴重時產生跳閘、斷電等危害性影響。
4．4整體改善電力市場運營體系
通過采取對電動汽車并網的整體優化控制手段后，將采用智能化的充電方式，選擇合適的時段進行充電，恰當地將電網冗余負荷進行消納，形成可免容量的成本效益。營配調一體化工作深入開展后，可利用綜合平臺將所轄范圍內的充電電源統一管理，形成可隨時調配的能源池，當配電網遇到邊緣化負荷需求短時沖擊時，可利用空閑的充電電源進行集中供電補給，將節約配網架構邊緣化擴充建設成本。隨著電動汽車的全覆蓋發展，表現出的無序性和隨機性將被逐步馴化，形成可調可控的有序行為，給電網帶來長期的經濟效益。預計2030年，有序充電產生的長期經濟效益約4000億元，短期內，可以有效地避免短期成本，節約峰值備用容量，增加供電效益。
5結語
電動汽車的引進并不是簡單的將汽車動力從燃油轉向為電力，而是使得電動汽車與可再生能源、電網產生良性的互動。但電動汽車具有的隨機性和規模性將會給電網產生一定的沖擊和影響，為使電動汽車完全融入電網系統中，需調和雙方的運行方式，綜合考慮多方面因素，形成良性的互動操控，指導電力系統的運行與規劃，使兩者之間能夠保持可持續發展狀態。
作者：吳志剛 單位：國網山西省電力公司