电动汽车充电时对电网负荷和电气设备的影响

电动汽车充电时对电网负荷和电气设备的影响

刘曙光

（身份证号码：3709831982****6919）

摘要：电动汽车充电负荷预测是分析电动汽车接入电网的基础。在分析私家车、公交车、出租车、物流车、公务车行驶特性和充电规律的基础上，提出了不同类别电动汽车的充电负荷模型；并采用蒙特卡洛模拟法对某市2020年不同类型的电动汽车充电负荷进行预测，将预测的电动汽车充电负荷曲线和电网最大负荷曲线进行对比分析，分析出在不同充电模式下，电动汽车充电对配电变压器和配电线路的影响，为电网规划和运行提供参考。

关键词：电动汽车；充电负荷模型；负荷曲线；蒙特卡洛模拟

引言

当前背景下，我国的电动汽车发展极快。由于电动汽车充电功率大、随机性强，未来大规模电动汽车接入电网势必会对电网产生重要的影响，预测充电负荷需求以及准确掌握其特征是定量分析电动汽车充电过程对电网影响的关键。因此，准确把握电动汽车的负荷需求，对电力系统运行和规划具有重要的意义。目前，国内外研究主要集中在电动汽车充电对电网负荷的影响上，也有相关文献分析了电动汽车充电对配电变压器和网损的影响。本文提出了私家车、公交车、出租车等几种类型电动汽车的充电负荷模型，结合该市电动汽车发展预测数据，采用蒙特卡洛模拟法对不同类型的电动汽车充电负荷进行了计算，对该市电网最大负荷的影响进行了分析，对不同充电模式下电动汽车充电对配电变压器和配电线路的影响也进行了分析。

1电动汽车充电模式

目前，电动汽车主要有常规充电、快速充电、电池更换、大功率充电、无线充电等模式，前3种为目前较普遍的充电模式。

1.1常规充电

常规充电模式是采用较低电流为车用动力电池进行充电，通常使用交流充电桩连接车载充电机为电池充电。充电电流通常小于0.3A，充电时间一般较长，需要5～8h，也称为慢速充电模式。常规充电的优点：充电电流和功率较小，对电池寿命影响较小，对电网冲击也较小。可充分利用电力低谷时段充电，降低充电成本。常规充电的缺点：充电时间较长，需要充电车辆长时间占用停车位。在车辆有紧急充电需求时，难以实现紧急补充电能要求。

1.2快速充电

快速充电通过非车载充电机采用大电流给电池直接充电，使电池在短时间内可充至80%左右的电量。充电电流和电压一般为150～400A和200～750V，充电功率大于50kW，充电时间通常为20min～2h，此方式多为直流供电方式，快速充电通常采用脉冲快速充电方法。快速充电的优点：充电时间短，充电功率较大，在短时间内能够充电70%～80%的电池容量，提高了车主充电的便捷性。快速充电的缺点：充电电流非常大，电池发热现象严重，对电池寿命影响较大；充电功率大，规模化电动汽车在相近时段内密集快充，增大了电网的峰值，负荷总量将给电网的承载力带来考验。

1.3大功率充电

根据欧美等国的电动汽车技术路线，预计到2020年左右，其电池容量将达到100kWh，其续驶里程将达到500km，要求充电时间在15min左右，对充电功率提出了要达到350～500kW的要求。大功率充电技术上可分为传导直流大功率充电、传导交流大功率充电和无线大功率充电[1]。大功率充电由于充电时间短，可以和传统燃油车加油时间保持一致，大大提高车主的消费体验，同时也满足电动汽车续航里程400～500km的快速补电要求。

2对电网最大负荷的影响

2.1充电负荷曲线预测方法

电动汽车的电池特性、起始荷电状态（SOC）、起始充电时刻和日行驶里程这几个参数都具有一定的随机特征，可采用蒙特卡洛求解电动汽车的充电负荷。蒙特卡洛是一种以概率和统计原理为基础，利用随机数来解决问题的模拟方法。在得到所求解问题概率函数的基础上，通过计算机来解决问题的统计和抽样，从而得到所求问题的解[2]。首先，按电动汽车类型，选一类电动汽车，输入电动汽车电池容量、充电功率、车辆规模等基础信息；接着，随机抽取起始充电时刻、起始充电SOC，计算得到充电持续时间；然后，计算一天24h整点的充电负荷，得到充电负荷曲线，重复以上过程，累加充电负荷曲线，得到最终该类型电动汽车充电负荷。如果把各种类型充电汽车充电负荷曲线叠加，就得到所有电动汽车的充电负荷曲线。

2.2对电网最大负荷的影响

为简便起见，对于电动乘用车、出租车、物流车、环卫车、公务车统一取额定电池容量为45kWh，充电功率为7kW。电动公交车取额定电池容量为324kWh、充电功率为90kW，到2020年达到0.32万辆（包括0.12万辆超级电容公交车，充电时间短，不考虑其充电负荷）。电动汽车最大充电负荷发生在19：00左右，为152.1MW，主要由私人电动乘用车引起。在2020年，某市电动汽车的最大充电负荷占网调负荷的1.1%，且电动汽车最大负荷出现的时段是电网低谷时段。上午10：00左右，电动汽车充电负荷为75.64MW，占电网网调负荷的0.496%，对该市电网网调负荷峰值有抬高作用。此部分负荷主要是私人电动乘用车、电动出租车充电负荷，其中，私人电动乘用车占绝大部分，为75.096MW，电动出租车充电负荷只有0.544MW。综上所述，电动汽车充电负荷在宏观上对整个该市电网的影响很小，几乎可以忽略。

3对电气设备的影响

3.1对配电变压器的影响

假定快速充电功率、常规充电功率暂为40kW、7kW。400kVA及以下的配电变压器，最大接入5座快速充电桩；容量在630～800kVA的配电变压器，同时接入的快速充电桩为7～10台；容量在1000kVA及以上的变压器，具有较强接纳能力，允许同时接入12台及以上快速充电桩。

3.2对配电线路的影响

该市低压线路主干线截面积主要以120、150、185mm2为主，支线截面积以50、75、120mm2为主，接户线截面积以25、50、75mm2为主。采用直流充电，如果充电电压为1000V，充电电流为125、200、250A时，则要求0.4kV导线截面在50、120、120mm2以上，才能满足安全载流量的要求。对建成区的低压配电网，应依据建成区低压导线的带载能力和已接入的其他负荷水平，优先选择干线接入快速充电桩，避免充电桩接入造成低压线路过载[3]。当快速充电桩接入规划区，在不超出低压导线安全载流量要求的前提下，200kW及以上的快速充电桩应考虑接入120mm2及以上的线路。根据低压导线的安全载流量测算，350kW大功率充电电流超出0.4kV最大截面导线载流量，难以接入低压配电网，需要考虑接入更高电压等级电网。

结语

随着电动汽车的普及，大规模的电动汽车充电是不可忽视的重要负荷，将对电网负荷、电气设备带来影响。本文在分析私家车、公交车、出租车、物流车、公务车行驶特性和充电规律的基础上，提出了这几种类型电动汽车的充电负荷模型，并基于该市2020年各种类型电动汽车数量的预测值，采用蒙特卡洛模拟法对不同类型的电动汽车充电负荷进行了计算，并对该市电网最大负荷的影响进行了分析。另外，对不同充电模式下电动汽车充电对配电变压器和配电线路的影响也进行了分析。

参考文献：

[1]汪德夫，张树冰.考虑时空分布的电动汽车充电负荷预测及对电网负荷影响分析[J].电力学报，2017（6）.

[2]宫成，迟忠君，张宝群，等.电动汽车和光伏接入用户负荷对电网影响与互动分析[J].电气应用，2016（12）：24-28.

[3]任佳婧.电动汽车充电模式对电网负荷特性的影响分析[J].江苏经贸职业技术学院学报，2015（5）：52-54.