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电动汽车充电对电网的影响研究

韩晓，袁慧妹，魏晨 首都师范大学信息工程学院 北京，中国

摘要

电动汽车（EV）产业在中国已经进入快速增长的阶段，因此未来规模化的电动汽车充电会对电网造成不可避免影响。这篇文章将会研究电动汽车充电负荷的主要影响因素及建模方法分析；本文将会就电动汽车一体化和对电网的影响，包括电网接入能力，电能质量及电力经济与环境等问题进行综述；此外，智能充电的优点和实现方法以及充电策略也在文中进行讨论。同时本文对V2G（车辆到电网）研究现状的操作也进行了总结。最后，作者指出了未解决的问题和未来可能研究领域.

关键词：电动汽车；电网；车联网（V2G）；充电负荷建模；

1.引言

根据世界能源发展格局，电动汽车能源基本特征的多样性，世界各国对电动汽车及其研究的动力已经使电动汽车成为未来能源汽车的主要发展方向，此外，它也将成为二十一世纪最有发展前途的交通工具^{[ 1 ]}。大量的电动汽车接入电网已给电力系统运行的安全性和经济性带来了新的挑战^{[ 2 ]}。首先，大量电动汽车连接到电网将导致电力负荷的增加。如果大量电动汽车连接到电网正值电网负荷高峰，这将进一步增加电力系统的负担，并会导致功率负荷峰值差进一步加大。其次，电动汽车充电行为与电动汽车用户的行为具有较大的不确定性，因此使得电动汽车的充电负荷具有随机性，这将增大电网的控制难度，并且会对整个电力系统的可靠性产生不好的影响。同时，电动汽车的充电行为会对电力系统运行的质量和经济性方面产生影响。为了探讨电动汽车对电力系统网络，本文将在电动汽车的充电负荷模型和仿真计算的基础上探讨电能质量，网络经济，生态环境，电池寿民以及参与辅助设备，并总结当前电动汽车充放电对电力系统的影响及其进展。最后做作者将指出未解决的问题和未来的研究方向。

2.电力汽车充电负荷模型及仿真

这一领域多是研究接入电网的电动汽车产生的影响，也是电动汽车充放电控制研究的基础^[3]。电动汽车作为不同于传统的电力负荷，其充电行为具有不确定性和间歇性，因此，十分有必要研究电动汽车充电行为的特性。

2.1充电负荷因素

电动汽车充电负荷模型非常复杂，主要有以下因素：

1）电动车规模

各个国家和地区的电动汽车的发展方向与趋势是不同的，大规模电动汽车充电直接影响当地电力负荷特性。然而，这方面的研究大多设置有不同电动汽车普及水平^{[ 4 ]}，以预测电动车的未来所有权。文献[ 5 ]通过回归模型预测中国未来的汽车保有量，并通过设定电动汽车的普及水平来计算未来电动车的所有权。文献[ 6 ]分别设置低渗透和高渗透率来预测2015年，2020年和2030年中国的电动汽车的规模。这种预测方法具有较强的主观性，并且模型相对简单，但结果可靠性不高。国外研究多是基于 Bass模型和Agent模型进行预测。文献[ 7 ]提出了一种基于Agent模型，并充分考虑了燃油价格，车辆税费，以及面向未来价格政策和电动车充电安全等各种因素的研究方法，并用于预测冰岛从2012年到2030年的电动汽车规模。

2）电池特性

由于电动汽车的动力电池没有统一标准，其类型、容量和特点不同，因此电池的建模是一个复杂的问题。在这个领域，许多学者采用类似或简化模型。目前，有三种主要类型的车载电池：铅酸电池，镍氢电池和锂离子电池。文献[ 8 ]从这三种类型电池的各方面基本性能进行比较研究，提出了锂离子电池进一步发展和大规模应用前景。文献[ 9,10 ]研究了当前市场流通的锂离子电池模型并分析了车载动力电池。

3）充电方法

电动汽车充电方式包括三种：慢充电，快速充电和电池更换，2010年4月，中国采用了“电动车辆传导接口“，它提供了三种标准模式的充电电压和充电电流。如表1所示：

表一 区别不同的电动汽车充电方法

4)用户行为

用户行为对充电电源需求的影响具有时间的随机性和空间性随机性，主要包括充电起始时间和每日里程费用。更多用户关注充电起始时间，需要更多的负载裕度来保证配电网的供电质量；日里反映了动力电池的功耗，通过日里程，可以研究电动汽车的初始电池状态。文献[ 11 ]通过跟踪多个电机驱动机动车调查用户的驾驶行为并且分析电动汽车充电时间和充电位置。文献[ 12 ]考虑电动汽车的充电负荷模型，其中用户的充电行为是一个非常重要的因素。在未来的研究中，用户行为将成为电动汽车充电模型研究的重点。

2.2建模方法

现有的文献大多使用蒙特卡洛方法对大量电动汽车充电这一实际物理过程进行建模和仿真计算[ 13 ]。文献[ 5 ]采用了基于蒙特卡洛方法的电动汽车充电负荷计算，虽然主观上设置了一些参数，但其预测未来中国电动汽车充电负荷对电网的影响仍具有一定的参考价值。文献[ 13 ]探讨大量电动汽车充电行为的动力学和物理过程，表明该过程可以描述为从低电荷（SOC）到高SOC的增殖的动力学扩散过程，当变量是连接到电网的电动车辆的速率时，这是扰乱大型充电负载的因素。

三、影响电动汽车接入电网对电力系统的影响

3.1电动车接入电网的建模方法

将电动汽车并网模型分为短期时间序列模型和长期大规模模型[14]。长期大型模式是基于区域或国家的未来几十年，系统充分考虑各种制约因素（经济，政治等），结合电动汽车和发电机的综合发展，建立优化模型。短期时间序列模型是基于每小时电力供需的历史数据以及电动汽车的充电数据，以判断电力系统在短期内是否满足电力供应的需求。

目前，与电网相连的电动汽车模型大多是短期时间序列模型，这主要是因为其计算简单，模型易于实现，但其精度可能低于长期模型。参考文献[ 15 ]比较了二次规划法和动态规划法，输入了每小时的充电负荷和电网本身的负荷，建立了短期时间序列模型。最后，我们比较了仿真结果，发现二次规划方法更好，运行时间更短。西班牙学者提出了一个中期模型[ 16 ]，在每小时步数期间，考虑到未来功率模型的变化和电动汽车经济规模的预测等因素。一些研究人员认为，平衡计算的方便性和实际情况的准确度更好，对于这一问题未来还有许多研究需要做[ 17 ]。文献[ 12 ]认为未来的研究应该更多地包括对模型的随机性和网格可靠性指标的分析和计算。

3.2电动车充电对电网的影响

根据目前的研究来看，电动汽车充电对电力系统的影响基本上分为四个方面：首先，根据不同类型电动汽车的发展，分析电动汽车的充电行为电网电能质量的影响；二、电力系统负荷均衡的影响；第三，电动汽车的接入对经济的影响；最后环境问题。如图1所示：

图1 电动汽车充电行为产生的影响

1）电动汽车充电对电网负荷容量的影响

针对现有或计划能源供电能力来满足电动汽车充电（负荷平衡点）负荷增长这一问题，国外做了许多相关研究^{[ 18-25 ]}。文献[ 2 ]从能够承受电动车接入电网的能力的角度，总结出了当前的相关研究。文献[ 22 ]的研究结果表明无序充电会增加电网负荷高峰，因此需要发电及传输容量的附加投资。文献[ 23-24 ]研究了加拿大安大略地区50万混合动力汽车充电行为并网在电力系统上将不会有重大影响。文献[ 25 ]中提到德国每周电力系统负荷预测曲线显示，到2030年德国电动汽车无序充电将严重影响其电网负荷，并且仿真结果显示，每增加100万辆电动车充电将会增长1.5%电力供应的要求，但当电动车拥有量达到4200万辆，这将增长92%电力供应需求。对于常规发电，即使在有序充电策略下，也会对电网产生一些负面影响。而如果是在新能源（风能，太阳能）发电情况下，有序充电策略可以抵消一定程度的间歇性，将导致积极意义^{[ 26 ]}。

2）电动汽车充电对电能质量的影响

电动汽车充电行为对电力系统的影响主要集中在在电能质量方面，充电行为会带来电压低于配网电压，电源质量下降，线损增加，变压器寿命降低，谐波和故障电流增加等其他不良影响^[27-33]。英国学者指出大量电动汽车充电会造成电压过载，变压器过载和线路损耗增加。他们建议增加电网的可靠性，并进行智能化安全有效地控制电动汽车充放电行为^{[ 47 ]}。文献[ 34 ]研究了插电式混合动力电动汽车（PHEV）无序充电行为对配电网的影响，因为无序充电方式对用户没有任何限制，因此这种方法会导致节点电压偏移和输电线的损坏。文献[ 35 ]通过在软件matlab上对电动汽车充电的仿真和试验，探讨了其产生的谐波影响，并且求出了电动车充电时总电流的谐波失真率为20%到45%，所以我们需要对谐波进行控制与政府治理的三种途径。

3）电动汽车充电对电网经济性的影响

在电网经济的影响下，目前的相关研究主要集中在变压器损耗^{[ 36-37 ]}，功率损^{[ 38 ]}和电力系统设备的额外投资^{[ 22 ]}。文献[ 36 ]研究在低渗透情况下电动汽车充电时对变压器的影响，这种影响是可以忽略不计的，但越来越多的电动汽车势必会增加变压器的损耗。文献[ 37 ]研究了洛杉矶和佛蒙特州两地，电动汽车的充电行为将影响15kva和25kva的老化配电变压器；结果表明，一定数量的电动汽车充电行为会影响大量老化的配电变压器并且缩短其寿命。同时文献也指出了做研究模型的重要因素，其中环境温度也是需要考虑的。

4）电动汽车充电对环境的影响

电动汽车的大规模普及也会对环境产生影响，这将不同程度地降低二氧化碳排放量。中国学者研究了三种情景，电动车接入电网都会减少二氧化碳排放^{[ 39 ]}。国外学者研究在研究北欧电网时发现，电动汽车的使用将分别减少1%到6%和3%到28 %的二氧化碳排放量^{[ 40 ]}。在丹麦，与交通运输部门配合电力系统，研究人员发现，电动汽车接入电网将减少85%的二氧化碳排放量^{[ 41 ]}。

国外学者发现2025辆和2030辆电动汽车接入北欧电网将减少6%和28 %的二氧化碳排放量^{[ 40 ]}。在丹麦，电力系统和交通运输部门合作，研究人员发现，电动汽车入网将减少85%的二氧化碳排放量^{[ 41 ]}。

四、电动汽车放电对电力系统的影响

在实际应用中，风能、太阳能等可再生资源，与常规发电厂往往发生不匹配电力需求的现象。其主要原因是可再生发电资源的间歇性，然而与电网相连的电动汽车的放电可以起到调节电力供需平衡的作用。我们可以在电网负荷处于低谷状态时对电动汽车进行充电，使它成为分布式电源以存储电能；当电网负荷为高峰时，电动汽车接入电网并对电网进行放电可以反馈整个电力系统的电能；实现这一双向互动的电动汽车和电力网络，这就是所谓的V2G模式。

4.1 V2G的概念

电动汽车与电网的交互作用（V2G）是指电动汽车作为一种分布式储能单元，一种涉及电网调节的充电和放电行为。Amory Lovins于1995提出的V2G（车联网技术）概念，德拉瓦大学William Kempton教授对其做出了进一步发展^{[ 42,43 ]}。相比传统的发电方式，V2G接受大规模间歇性可再生能源（风能、太阳能），其接入电网巨大的潜力已经引起各方面关注。

B. V2G技术应用的影响

根据目前的研究来看，电动汽车的放电行为对电力系统的影响分为四个方面：首先，为电力系统提供支持服务；其次，影响电网系统的经济性；再次，能协调电动汽车排放和可再生能源的匹配；最后，对电池的寿命和安全性产生影响。如图2所示：

图2 电动汽车放电行为产生的影响

1）参与电力系统的V2G提供辅助服务

目前，有许多学者关注V2G（车联网）技术期望实现错峰，频率调节，和其他的控制策略。文献[ 44 ]专注于电动汽车实现充电和放电控制策略，以达到调节功率峰值和FM功能。文献提出稳定负荷曲线以及完成预定计划等目标，在考虑电动汽车充放电功率的限制，电池容量的大小，可用时间和用户设置的情况下来建立数学模型，利用粒子群优化算法来寻求电动汽车最优充放电功率。其仿真数据表明，V2G参与电网调频可以有效地提高响应速度和系统的稳定性。

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