充电设施对配电的影响
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《电气时代》2014年第五期
根据《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》中对充电设备及充电设施的定义，充电设施（ChargingInfrastructure）为电动汽车动力蓄电池提供电能的相关设备的总称，包括各种交流充电桩、充电站和电池更换站等。1.交流充电桩又称交流供电装置，指采用传导方式为具有车载充电机的电动汽车提供交流电源的专用供电装置。根据国网公司《电动汽车交流充电桩技术条件》中的相关标准，普通一桩二充式交流充电桩的额定工作电压为单相220V，额定电流32A。2.充电站由3台及以上充电设备组成，为电动汽车进行充电，并能够在充电过程中对充电设备、动力蓄电池进行状态监控的场所。根据国网公司《电动汽车充电设施典型设计》中对充电站的分类，按配备的充电机数量规模不同，主要分为大型、中型及小型三种充电站。大型充电站配备8台直流充电机和4台交流充电桩；中型充电站配备4台直流充电机和4台交流充电桩；小型充电站配备一两台小型直流充电机和两三台交流充电桩。3.电池更换站指采用电池更换方式为电动汽车提供电能供给的场所。它能实现电动汽车快速补充电能，减少电动汽车在充电站内的等待时间。电池更换站模式一般采用集中更换、统一配送的运作方式，即电池更换站位于市中心满足电动汽车更换电池续航的需求，其本身不设置对电池的充电设备，而是将替换下的电池集中送至郊区上级220kV变电站站内或者附近的专用电池充电站进行充电，充电完成后再从充电站统一配送至各电池更换站。
二、充电设施对配电系统的影响
大规模的电动汽车接入电网会使得充电设施对配电系统产生很大的影响，主要有：配电网负荷曲线的影响，产生系统电压偏差，系统的网损会增加，交流充电桩会导致系统三相不平衡。同时充电站的专线接入会使变电站的供电范围减小，充电设施的放电使母线短路容量增加，充电站采用了大量的电力电子器件造成系统谐波污染。1.充电设施对配电网负荷曲线的影响电动汽车的充电时刻和充电时间会影响电网的负荷曲线，以1000辆电动汽车为例，采用蒙特卡洛仿真方法在分别对其概率密度函数进行抽样，表明无序充电的电动汽车总的充电功率负荷峰值出现在18∶00到21∶00，并和相关地区的居民用电的日平均负荷曲线叠加，表明电动汽车无序充电会造成“峰上加峰”，导致系统峰谷差进一步拉大。2.充电设施对配电系统电压的影响根据我国相关规定，在电力系统正常运行情况下，10kV用户容许的电压偏移为±7%。定义电动汽车渗透率＝电动汽车的最大充电功率/系统峰荷。得出电动汽车接入电力系统后，系统的各节点电压普遍有所下降。当电动汽车的渗透率较低时，节点电压在允许的范围以内；当电动汽车的渗透率大于60%时，部分末端节点电压越限。3.系统网损有关研究表明，当一天中负荷总量一定时，日负荷曲线越平坦，网络损耗就越小；反之，峰谷差越大，网络损耗就越大。当大量电动汽车采取随机充电时，可能形成“峰上加峰”，使得整个电力系统峰谷差进一步拉大，有功和无功损耗都增大，系统运行的经济性变差。4.交流充电桩会导致系统产生三相不平衡及谐波污染三相不平衡度是衡量电能质量的重要指标，国家对三相平衡度早有规定，接于公共接点的每个用户，引起该点电压不平衡的允许值一般为1.3%。一般私家车采用常规充电方式，从最极端的假设条件考虑，假设全部接在A相，将导致系统三相严重不平衡。5.充电站的专线接入对变电站的供电范围及母线短路容量的影响为减少充电站接入对同线路其他负荷的影响，在条件允许的区域可考虑从上级变电站接10kV专线对充电站进行供电的方式。110kV电站出专线供充电站，相当于减少了对其他负荷的供电，因此对该110kV电站来说，如果考虑负荷密度不变的条件下，供电面积将会减少。考虑在放电状态下，充电站的放电会使变电站母线短路电流增加。
三、解决措施
充电设施对配电系统的影响主要有大规模电动汽车接入的无序充电负荷，对电网将产生很大的负荷冲击。伴随电动汽车产业的不断发展，若任由这部分负荷无序接入电网，必然将进一步加剧负荷峰谷差。可以采取以下措施减小其影响。1.基于峰谷电价的电动汽车有序充电为实现电动汽车的有序充电，电力部门通过一天24h内的峰谷电价的制订，对用户充电时间的选择进行引导和干预。本文考虑的简化两段式峰谷电价模型如下式所示式中，Pv和Pi分别为谷电价和峰电价，显然Pv<Pi；（t1，t2）为谷电价区间，在该区间内发生的充电电量消费按谷电价Pv计费；而在其他时段内，则按照峰值电价Pi计算。针对不同城市的电网负荷情况，可制定对应最优的谷电价时段，对改善负荷特性，特别是负荷峰谷特性的调控有良好的效果。2.充电设施的V2G模式抽样调查表明，私人车辆日行驶里程在10～50km之间的较多，这样如果早上出车的时候电池是充满电的，则可以行驶80～100km左右，那下午下班回来电池仍存有一半左右的电能。考虑到下午下班后至晚上22点左右系统的负荷较高，并一般在19～22时之间出现负荷晚高峰，这样如果电动汽车车主回家后先让电池向系统放电，则有助于系统应对晚高峰时的负荷需求。一般夜里22时之后，系统负荷开始下降，24时至第二天早上7时系统负荷一般较低；可以在负荷较低的时段给电池充电，以取得填谷的效果。充电设施的V2G模式不仅能够削峰填谷，平缓日负荷曲线，而且还能降低电压偏差，降低网络损耗。3.充电设施的智能充电智能充电是指在满足电动汽车充电需求的情况下以多时段内总损耗及电压越界之和最小为最优目标，利用最优算法计算电动汽车各时段的可充电功率以达到平稳电网负荷，减少电网损耗，提高电压质量的目的。智能充电方法的数学模型以电网多时段内总损耗及电压越界之和最小为最优目标。智能充电方法的主要步骤如下：1）调度中心进行24h短期负荷预测。2）车主将次日的行程安排、充电计划及是否参与调度等信息提交至服务商，服务商汇总后再上报至调度中心，根据上报数据预测24h的电动汽车充电负荷并调整短期负荷预测的结果，电动汽车车主通过服务商参与统一调度，避免盲目的无序充电行为，与此同时也将获得经济利益。3）根据短期负荷预测的结果在满足电动汽车充电需求的情况下，进行智能充电优化计算，得到电动汽车各时段的优化充电功率。4）调度中心将各时段电价和优化充电功率等数据下发给各服务商，服务商再向自己管辖范围内的电动汽车发送充电调度安排，车主根据下发的充电调度安排，调整各自的充电计划从而实现最优充电。交流充电桩采用单相充电模式，有可能会产生三相不平衡，可通过计算得出其值，若其值超出了国家规定范围，可采用补偿器对三相不平衡系统补偿。在规划设计充电站的选址时，尽可能满足配电系统的综合评价指标，同时使电力系统供电利润最大化。充分利用充电设施的V2G，可以提高系统的可靠性，同时还能接纳风电、光电等不稳定电源。充电设施的智能响应能够对系统进行调频调压。
作者：辜俊明刘敏苏波单位：贵州大学电气工程学院乌江水电开发（集团）有限责任公司