電動汽車充電樁對城市供電負(fù)荷的影響
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1城市常規(guī)用戶用電行為習(xí)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(qū)的時差約為1h左右。本文選擇華中武漢充電網(wǎng)日負(fù)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(wǎng)內(nèi)涌入大量的負(fù)荷，造成用電擁擠，在這時段增加小量級的負(fù)荷不會有太大壓力，但出現(xiàn)大型負(fù)荷波動，則會嚴(yán)重影響電網(wǎng)運行；在低谷時段，大部分設(shè)備及人們處于休息狀態(tài)，負(fù)荷抖降下來，這時的負(fù)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(guān)系。政府綜合考慮用戶實際需求，出臺了小區(qū)內(nèi)充電樁一樁一戶及優(yōu)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(huán)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(xiàn)，將會帶來大量的電網(wǎng)負(fù)荷需求，如果電動車充電負(fù)荷的時間恰好與城市常規(guī)用電行為曲線相近，將會出現(xiàn)在某時段城市電力負(fù)荷不足的現(xiàn)象，電網(wǎng)需選擇全網(wǎng)范圍內(nèi)擴容變壓器設(shè)備或者新建變電站來迎合電力負(fù)荷需求。如果深度分析電動車充電行為習(xí)慣，研究其與城市用電習(xí)慣的重合度及補漏性，形成一套削峰填谷的用電優(yōu)化方案，就可以最大限度地提升電網(wǎng)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(qū)慢充。選取一定面積區(qū)域的充電設(shè)施使用情況調(diào)研數(shù)據(jù)，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(fā)生充電行為，這段時間內(nèi)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(qū)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(fā)生在9：00～16：00之間，辦公區(qū)慢充為50臺，集中式快充為5臺，總功率550kW。根據(jù)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(fù)荷損耗。如何有效地實現(xiàn)電動汽車集中負(fù)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(xí)慣，將轉(zhuǎn)移一部分充電負(fù)荷，在一定程度上改善成熟負(fù)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(fù)荷模型建立
電動汽車應(yīng)用過程具有隨機性、分散性、規(guī)模化的特點，需對分散式充電柱的充電過程科學(xué)化、合理化管理，如按需隨意性地對充電樁進行調(diào)度，將會增加電網(wǎng)負(fù)荷突發(fā)性不可控的問題。因此需要選擇一種中間服務(wù)者，為充電樁集群提供調(diào)峰、調(diào)頻、能源池調(diào)用等輔助性功能服務(wù)，將4類充電樁看做一個整體，中間服務(wù)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(cè)用電算法，在合適的時刻調(diào)用相應(yīng)的調(diào)用規(guī)則，實現(xiàn)充電樁和城市配網(wǎng)負(fù)荷的優(yōu)化配置，構(gòu)建分層分區(qū)優(yōu)化策略。中間服務(wù)者在配網(wǎng)中起到承上啟下的作用，包含中間管理者的充電樁系統(tǒng)雙層通信架構(gòu)模式。雙層架構(gòu)模式將實現(xiàn)用戶、中間服務(wù)者和電力公司各自利益的最大化，電力系統(tǒng)無需為邊緣負(fù)荷的小型波動而增加新的電源系統(tǒng)，從而節(jié)約了建設(shè)成本，中間服務(wù)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(wǎng)的性能。調(diào)度系統(tǒng)將權(quán)責(zé)下放給中間服務(wù)者，中間服務(wù)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(wǎng)的集中調(diào)度決策和電動汽車分散性的問題。因此系統(tǒng)將電動汽車區(qū)域分層化，形成不同的資源池，很好地規(guī)避了充電樁時空不確定的問題，將結(jié)合分布式優(yōu)化控制和集中優(yōu)化控制的特點，形成一套動態(tài)能源規(guī)劃的控制流程，從而實現(xiàn)充電樁的有序充電和智能控制。通過中間服務(wù)者預(yù)測的電動汽車充電需求，結(jié)合調(diào)度中心短期負(fù)荷預(yù)測，接入目前充電汽車充電信息，調(diào)用充電汽車控制優(yōu)化約束條件，依據(jù)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(diào)整，直到滿足收斂條件才允許并網(wǎng)接入。
4充電樁優(yōu)化控制對供電特性決策的影響
4．1錯開用電負(fù)荷峰值
通過實施電價和負(fù)荷波動最小優(yōu)化的控制策略調(diào)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(xiàn)的峰值。通過浮動的電價優(yōu)惠政策避開這兩個峰值，將電動汽車的使用峰值轉(zhuǎn)移到附近的區(qū)段，避免了突破電網(wǎng)負(fù)荷最高點。在電網(wǎng)負(fù)荷高滲透率下，電動汽車的并網(wǎng)接入使得最小日負(fù)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(tǒng)整體調(diào)控手段，將電動車最大集中使用時間錯開峰值，使城市電網(wǎng)用電負(fù)荷在可控范圍內(nèi)，智能充電優(yōu)化效果更加明顯。
4．2電網(wǎng)設(shè)施利用率提升
電動汽車充電樁接入電網(wǎng)后，將充分利用電網(wǎng)資源，不會造成電力負(fù)荷在低谷時期的資源浪費，利用電價優(yōu)惠措施，避開電網(wǎng)高峰用電時期，不超過電網(wǎng)峰值負(fù)荷水平線，就不用重新布局規(guī)劃新的電網(wǎng)設(shè)備來做負(fù)荷的補給。如果通過上線大量的核心設(shè)備作為備份，對于電動汽車的運行沖擊只會產(chǎn)生短暫的負(fù)荷需求，之后會造成設(shè)備的閑置，因此應(yīng)盡量采用合理的調(diào)控手段來使得負(fù)荷利用最大化。
4．3高準(zhǔn)確度以降低諧波污染
充電樁的接入會產(chǎn)生諧波污染，從而產(chǎn)生諧波功率影響到計量誤差。根據(jù)《國家電網(wǎng)電動汽車充電站典型設(shè)計》中建議的交流側(cè)0．5S級準(zhǔn)確度，如果脈沖電壓產(chǎn)生的諧波過大，則會不符合電網(wǎng)供電要求，嚴(yán)重時產(chǎn)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(wǎng)的整體優(yōu)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(dāng)?shù)貙㈦娋W(wǎng)冗余負(fù)荷進行消納，形成可免容量的成本效益。營配調(diào)一體化工作深入開展后，可利用綜合平臺將所轄范圍內(nèi)的充電電源統(tǒng)一管理，形成可隨時調(diào)配的能源池，當(dāng)配電網(wǎng)遇到邊緣化負(fù)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(jié)約配網(wǎng)架構(gòu)邊緣化擴充建設(shè)成本。隨著電動汽車的全覆蓋發(fā)展，表現(xiàn)出的無序性和隨機性將被逐步馴化，形成可調(diào)可控的有序行為，給電網(wǎng)帶來長期的經(jīng)濟效益。預(yù)計2030年，有序充電產(chǎn)生的長期經(jīng)濟效益約4000億元，短期內(nèi)，可以有效地避免短期成本，節(jié)約峰值備用容量，增加供電效益。
5結(jié)語
電動汽車的引進并不是簡單的將汽車動力從燃油轉(zhuǎn)向為電力，而是使得電動汽車與可再生能源、電網(wǎng)產(chǎn)生良性的互動。但電動汽車具有的隨機性和規(guī)模性將會給電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊和影響，為使電動汽車完全融入電網(wǎng)系統(tǒng)中，需調(diào)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(dǎo)電力系統(tǒng)的運行與規(guī)劃，使兩者之間能夠保持可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。
作者：吳志剛 單位：國網(wǎng)山西省電力公司