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插电式混合动力汽车对住宅配电网的影响

克里斯蒂安·克莱门特·尼克斯，埃德温·海森，学生，IEEE，约翰·德里森，IEEE成员

摘要——插电式混合动力汽车这种替代性交通工具，正变得越来越受欢迎。这些插电式混合动力汽车的电池可以在家里的标准插座或公司停车场充电。这些额外的电力负载必然会对配电网产生影响，这种影响会从功率消耗和电压偏差两方面进行分析。在没有充电协调的情况下，当汽车插入电源或在固定的启动延迟后进行立即充电。这种局部不协调的功率消耗可能会导致电网问题。为此，本文提出了一种协调充电的方法，以最大限度地降低电网的功率损失，最大限度地提高电网的主负载因数。通过最小化功率损失，计算了插电式混合动力汽车的最优充电曲线。由于无法准确预测家庭负载，本文引入了随机编程方法，分析了二次方程编程和动态编程两种主要技术。

索引词——协调充电、配电网、动态规划、插电式混合动力汽车、二次方程编程。

I.介绍

混合动力汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)目前越来越受欢迎。PHEV是通过插入外部电源插座或车载电源的方式充电。这些车辆可以在有限的范围内以纯电力模式全速行驶。因此，PHEV具有宝贵的燃料灵活性[1]。与HEV相比，PHEV可能拥有更大的电池和更强大的发动机，但它们的续航能力仍然非常有限[2].

PHEV的充电对配电网有一定的影响，因为会消耗大量电能，而这种电能需求会导致其电耗峰值过大而产生不良影响。PHEV的电池充电主要有两个地方，要么在停车场，公司或公共场所的电源，要么住宅的电源。本文的主要关注后者。到2030年的比利时，PHEV的充电消耗量可能会占到总电量消耗的5%[3]。对于一辆续航能力为60英里（100公里）的PHEV来说，如果考虑到电力提供所占的驾驶比例的实际因素来算的话，这个消耗占比可能会提高到8%[4].

从配电系统运行人员的角度来看，充电过程中的功率损失是一个经济问题，必须最小化，并避免变压器和馈线过载。不仅是电力损耗，还有电能质量(如电压分布、不平衡、谐波等)对配电网运营商和电网用户都是至关重要的。电压偏差是一个电能质量问题。电压偏差过大会引起可靠性问题，为保证电器的良好运行，必须避免这些问题。通宵充电还增加了基本负载能力发电厂的负载，使其日循环平稳，或避免额外的发电机启动，否则会降低总效率[5]。从PHEV车主的角度来看，PHEV的电池只能在夜间充电，从而司机可以在早上带着充满电的电池开车离开。这为智能充电提供了机会，因此可以进行远程协调充电，以便将需求转移到低负载消耗时期，从而避免用电高峰。

这项研究适用于更全球化的背景，在这种背景下，小型风力涡轮机和光伏电池等其他新技术也在配电网中得到应用。在这个优化问题中，只有功率损耗和电压偏差得以最小化。其他方面，如功率因数控制，也可以包括在内。文本提出的方法可以帮助评估计划中的电网加强和PHEV辅助服务，以实现最高效的电网运行。

本文想强调的是，通过使用协调充电或智能计量，可以提高电能质量。研究还表明，充电不协调会降低配电网的效率。

II 假设和建模

1. 负载场景

我们从一组可用的住宅负载测量[6]中，选择了两大组的冬季和夏季每日负载量。负载量覆盖24小时，瞬时功耗以15分钟为基准，如图1所示，为冬季中任意一天。

图1，冬季的住宅电量负载（竖轴是电量[W],横轴是时间[h]）

图2. 每小时车辆行程次数的百分比（竖轴是行程次数[W],横轴是时间[h]）

1. PHEV的规格

每辆PHEV都有一个有个最大存储容量为11kWh的电池[5]。只有80%的电池容量可以用于优化预期寿命，即8.8kWh的可用容量。假设从公用电网吸收的交流电到储存在车辆电池中的直流电的能量转换效率为88%，则公用电网需要10kWh[4]。电池只能充电不能放电，意味着电流是单向的，目前不用考虑电量从车辆流向电网的情况。充电器的额最大输出电量为4kW，选择这个规格的充电器是因为标准单相230V插座的最大输出功率是4.6W。因此，因此，这是可以用于家用标准插座而没有增强布线的最大充电器。不快速充电，因为它需要更高的短路功率，而这在家庭标准电源插座中是不可用的。为了快速充电，高电压是必不可少的。可以安装一个更高的电压连接，但是只用于需要额外投资的PHEV所有者。根据Tremove模型预测，到2030年的比利时，PHEV的最大穿透程度将达到30%。

1. 充电阶段

假设PHEV可以在任何有标准插座的地方充电是不现实的。因此本文假设车辆的电池是在家里进行充电。图2展示了每小时所有车辆行程的百分比，那时它们还不能进行充电。根据这个图，可以看到三个重要的充电阶段。第一个充电阶段是在晚上。大多数车辆在21h00到早上6h00的时候都是在家的。为了充分利用晚上的时间，一些PHEV在下班到家后就立即插入电源充电。因此第二充电阶段在18h00到21h00之间。这个充电阶段和夜间的负载峰值是一致的。在这个阶段中，充电车辆的数量可能会较小一些。同时还考虑了另一个充电阶段，即白天10h00到16h00之间，在城区小型办公区域进行的充电。假设每家或每个办公室只能对一辆车进行充电。不考虑每家或每个办公室有多辆车同时进行充电，因为不可能反映出所有可能的情况。但是，本文提出的方法同样适用于其他充电阶段和情况。本文主要关注在较弱非非专用配电网的住宅中进行充电。

1. 网络拓扑结构

用于本次分析的径向网络为IEEE 34节点测试馈线[9]，如图3所示。该网络从24.9 kV降至230 V，因此这种网格拓扑结构代表了一个住宅径向网络。采用线路阻抗来实现可容许的电压偏差和功率损失。每个节点都有一个与住宅负载的连接，随机选择的一些节点将对PHEV进行充电。

1. 假设

协调充电的确切优势取决于本章的假设。对于比利时来说，住宅负载的配置非常典型。其他地区因为不同的气候条件可能会存在不同的负载配置，例如在炎热地区的下午使用空调会引起用电峰值。一些地区还具备其他电网电压，例如120V。IEEE电网只是配电网的一种形式，因此得出的结论只适用于这种电网。充电器的最大电量取决于标准电源插座最大功率。其他影响测试结果的参数还有基本负载发电厂的公用负载，智能电表的使用和刺激。

III．不协调的充电

目前，PHEV还没有配套的智能计量系统，所以车辆在充电时不需要协调。不协调充电是指车辆的电池要么在插入电源后立即开始充电，要么在用户可调的固定启动延迟后开始充电。车主目前既没有动力，也没有必要的信息来计划对电池充电和优化电网利用率。引入固定启动延迟是为了给车主提供利用非高峰电价充电的可能性。

1. 负载流量分析

负载流量分析是为了评估所选电网的电压偏差和功率损失。该分析是基于后向-前向扫描法计算节点电流，线电流和节点电压[10].在初始化步骤中，节点电压采用平面配置。每个时间步骤中，所有的连接都使用恒功率负载模型。在后向步骤中，基于前一次迭代的电压计算出电流。在前向步骤中，根据根节点的电压和节点间线路的电压，计算出电压。电流和电压迭代更新，直到达到基于节点电压的停止标准。

1. 方法论

在一天24h的循环开始时，白天配置是从属于特定场景（冬季，夏季）中可用数据中随机筛选出来的，并分配到每个节点。对于每个场景，根据占有程度选择了四种情况。第一种情况中，没有PHEV，作为参照组。其余的情况中，PHEV的占有程度分别为10%，20%和30%，代表目前含有PHEV的节点比例。PHEV随机置放。针对每个充电阶段，分别进行测试。每个充电阶段的车辆数量介于0%到30%之间。

PHEV充电的配置保持简单明了。每辆车在特定的时间段内以随机的时间步长开始充电，使车辆在充电阶段结束时仍然充满电。假设车辆电池在第一时间步长时完全放电。每隔一刻钟，重复前后向扫描法计算各节点电压，直到收敛。

1. 结论

通过计算不同充电阶段的功率损耗和最大电压偏差，说明了不协调充电对配电网的影响。样本数量是1000，足以实现每个场景的精确平均值。取更多的样本并不会显著改变测试结果。表I和表II展示了4kW充电器的测试结果。表I描述了功率消耗与总负载的比例。如果存在，总负载包括每天的家庭负载和PHEV的充电。在所有的情况中，由于较高的家庭负载，冬季的功率消耗比夏季高。PHEV数量的增加导致功率消耗显著增加。这里功率消耗对配电网运行人员来说是很重要的。配置系统运行员（DSO）将通过增加电费来补偿较高的消耗。

表I 4kW充电器在不协调充电情况下的功率消耗占总功率的比例[%]

表II 4kW充电器在不协调充电情况下的最大电压偏差

如表II所示，功率消耗和配电网电压（230V）的电压偏差对于DSO来说都很重要。PHEV数量的增加导致电压偏差的显著增加。根据强制性EN50160标准[11]，在95%的情况下，低压电网中高达10%的电压偏差是可以接受的。从表II可以看出，当占有水平为30%时，部分电压偏差接近10%，尤其是在傍晚峰值时。

在晚上18h00到21h00的充电阶段，功率消耗和电压偏差达到最高。原因有两个方面。首先，电池在这个充电阶段必须充满电的时间很短，只有4个小时。因此，充电器的输出功率必须更高。其次，晚上的家庭负载是全天最高的，因为充电器的输出功率也加入到了家庭负载中。与夜间充电相比，白天充电对配电网的要求更高一些。这些结果与图1直接相关。

图4为配电网某节点冬季占有程度为0%和30%时的电压分布图。该图表明了两个充电例子，并不是部分样本的平均值。明显地，在21h00到06h00的充电阶段，有PHEV的存在的电压会降低。在23h00到04h00之间，大部分车辆都在充电，这段时间的电压降最大，与0% 时的PHEV电压曲线的偏差最大。在夜间，为这些车辆充电所需的功率明显比家庭负载要高。在一天当中的其余时间里，由于两种情况选择了不同的负载特性，造成了电压偏差的微小差异。

IV.协调充电

在上一节中，PHEV的电池充电是随机启动的，要么即插即充，要么在固定的迟延时间后开始。本节旨在实现最优化的充电和电网利用，以尽量减少功率损失。我们通过智能计量和向单台车辆发送信号进行直接协调充电。

图4.带30%PHEV的节点电压曲线与0%PHEV节点电压曲线比较。

这种优化问题可通过二次规划技术（QP）来解决。该技术优化多个变量（本例中为所有步骤中PHEV充电器的功率）的二次函数，二次函数受限于线性约束。本节应用Q

资料编号：[4793]