淺談電動汽車無序充電對配電網的影響及有序充電優化

hth下载地址 陳聰

摘要：自21世紀以來在全球經濟加速發展的背景下，能源的過度開采導致了資源枯竭、環境汙染等嚴(yan) 重問題。人類在逐步減少對傳(chuan) 統資源依賴的同時也加大了對風、光、電等新型可再生能源的研究。作為(wei) 汙染排放量的汽車早已成為(wei) 研究者的熱門課題，而電動汽車由於(yu) 其汙染排放量幾乎為(wei) 零的特點近些年來則快速發展，在汽車保有量中的占比也逐步增長。但由於(yu) 電動汽車數量的急劇增長，電動汽車充電形成的充電負荷對於(yu) 電網的不利影響也在日益增加，尤其是電動汽車的大規模無序充電會(hui) 使電網形成“峰上加峰”的負荷，對電力係統運行的穩定性造成極為(wei) 嚴(yan) 重的影響。所以，對於(yu) 合理引導電動汽車有序充電就顯得至關(guan) 重要。

本文首先討論了影響電動汽車無序充電的相關(guan) 因素，對比分析電動汽車不同充電方式的優(you) 劣，並對不同種類電動汽車的行為(wei) 特點進行分析。接著對用戶電動汽車行駛習(xi) 慣進行建模分析，模擬出不同類型電動汽車的出行規律，並對電動汽車充電負荷進行模擬得到該區域的充電負荷變化曲線。

通過分析電動汽車無序充電的不利影響提出了一種新的優(you) 化方式，即基於(yu) 用戶需求側(ce) 的動汽車有序充電策略，通過對用戶側(ce) 的需求目標及相關(guan) 約束條件進行分析來得到用戶側(ce) 的有序充電策略，對充電負荷時間、空間及時空上的優(you) 化以及配電網網損優(you) 化、電動汽車用戶充電費用總體(ti) 優(you) 化來驗證該混合反向學習(xi) 鯨魚優(you) 化算法的有序充電策略在實際算例優(you) 化的可行性。

關(guan) 鍵詞：電動汽車；無序充電；用戶需求側(ce) ；鯨魚優(you) 化算法；有序優(you) 化

1引言

自21世紀以來，在全球經濟的高速發展下的背景下，以化石能源為(wei) 主的多種能源被大量消耗[1]。但其帶來的代價(jia) 對全球環境的影響愈發嚴(yan) 重，目前，能源與(yu) 汙染成為(wei) 社會(hui) 發展所麵臨(lin) 的關(guan) 鍵問題。所以，在可持續發展的背景下，綠色低碳的清潔能源成為(wei) 目前*人類追求的共同目標。經過多年的發展，實現並形成以太陽能、風能等清潔能源為(wei) 主的規模化發電。為(wei) 了實現既定的目標，我國要在能源使用上進行轉型，逐步從(cong) 化石能源向風、水、光等清潔能源轉變，並加大對新能源汽車發展，逐步替代對傳(chuan) 統燃油汽車的依賴。而在這其中電動汽車(ElectricVehicle，Ev)就是完*隻依靠電能來驅動行駛的新能源汽車，其特點相比於(yu) 傳(chuan) 統燃油車更環保、更有效。所以目前各國為(wei) 了應對資源枯竭與(yu) 環境惡化的問題，都在大力推廣電動汽車。

雖然全球電動汽車及相關(guan) 產(chan) 業(ye) 的發展非常迅速，各國也都製定相應的補貼政策來推動電動汽車的高速發展，但是在電動汽車高速發展的同時也產(chan) 生了不少的隱患及問題。明顯的問題是電動汽車充電樁數量與(yu) 電動汽車數量的不匹配，高峰期會(hui) 出現“車等樁”的現象，低穀期則是充電樁的冗餘(yu) 。另外，汽車充電樁的空間分布極不均勻，某些區域的充電樁會(hui) 過於(yu) 集中，而有些區域則分布零散。由此帶來的直接影響則直接關(guan) 係到電動汽車充電時對於(yu) 地區電網的電能質量，由於(yu) 充電時的諧波幹擾，會(hui) 使網損並使電網功率因數下降。隨著電動汽車數量連年快速增加，電動汽車充電時間與(yu) 地點的隨機性強的特點會(hui) 越來越明顯的體(ti) 現，無序充電對於(yu) 配電網的影響將會(hui) 越來越大，在係統負荷中的占比也將越來越明顯。而如果無法即時對電動汽車充電進行合理分配，嚴(yan) 重的情況則是在用電高峰時期使得電網發生解列與(yu) 崩潰的危險。因此，電動汽車充電負荷的快速增長以及大量電動汽車的無序充電行為(wei) 將對配電網的全新規劃以及負荷承擔能力提出新的挑戰。

2 國內(nei) 外發展現狀

近年來各國逐步重視並加大了對電動汽車的推廣，電動汽車數量也增長的越來越快。圖

1展示了從(cong) 2015-2021年間中國、美國和歐盟的電動汽車銷量變化情況，中國和歐盟的增長幅度明顯，年平均增長幅度分別達到58.6%和50.3%。

圖1中國、美國、歐盟電動汽車銷量

2.1電動汽車國外發展現狀

在現行全球經濟環境的背景下，全球能源分配和生態環境係統麵臨(lin) 著雙重挑戰。作為(wei) 目

前石油消耗和二氧化碳排放的大戶一一燃油汽車，需要對其的改革來減少對資源的消耗，而從(cong) 目前全球電動汽車的發展情況來看，以純電動和燃料電池為(wei) 主的純電驅動技術將是電動汽車現階段的主攻技術方向和未來長期目標，而油電混動汽車和插電混動汽車則是短期內(nei) 的過渡選擇。從(cong) 目前的發展情況來看，全球電動汽車的發展依舊麵l臨(lin) 諸多挑戰，對於(yu) 關(guan) 鍵技術突破、汽車製造轉型、消費者對電車的接納程度等還有待進一步提升。具體(ti) 到各國，推動電動汽車發展的依舊是美國、日本及歐洲這些的在電動汽車相關(guan) 技術方麵的發展起步較早，而且也有各自的側(ce) 。

2.2電動汽車國內(nei) 發展現狀

在21世紀初期，我國便已經開始對新能源汽車的部分產(chan) 業(ye) 進行研發，從(cong) 2001年起新能源汽車項目被列入“863”重大科技課題起，就已經製定了從(cong) “汽油車向氫動力汽車邁進”的戰略。“十一五”期間，作為(wei) 重大發展目標，新能源汽車的研發與(yu) 發展備受關(guan) 注，提出了“節能型新能源汽車”戰略，並大力扶持相關(guan) 新能源汽車製造產(chan) 業(ye) 。自2009年起國務院通過對汽車產(chan) 業(ye) 的近遠期規劃，在此基礎上執行以自主創新為(wei) ，以新能源汽車為(wei) 主要突破口的新型新能源汽車發展戰略，力爭(zheng) 在2025．2035年使國產(chan) 新能源汽車居於(yu) 世界前列。根據《新能源汽車產(chan) 業(ye) 發展規劃(2021．2035年)》，我國將在“十四五”期間對新能源汽車產(chan) 業(ye) 推進、著重發展，加快其在創新技術、產(chan) 業(ye) 生態及產(chan) 業(ye) 等方麵的融合，同時，根據《“十四五”規劃綱要》，“十四五”期間，對於(yu) 新能源汽車十分重要的動力電池續航等關(guan) 鍵技術取得重大突破。

我國近幾年電動汽車及其相關(guan) 行業(ye) 的發展尤為(wei) 迅速，電動汽車的銷量與(yu) 保有量占比也在逐年快速遞增，純電動汽車在電動汽車中的占比也越來越大，我國電動汽車經過幾年的發展已經形成“百花齊放”的局麵。

3 電動汽車充電現狀

3.1電動汽車無序充電現狀

技術的進步不斷刺激著電動汽車數量的快速增加l酡l。同時，電動汽車作為(wei) 移動式儲(chu) 能裝置，在削峰填穀、提供電力係統輔助服務、協同消納新能源等方麵具有廣闊的應用前景。但是，電動汽車的無序充電可能會(hui) 導致電網的峰穀差加劇、電壓下降等不利影響，所以對於(yu)

電動汽車無序充電的分析顯得尤為(wei) 重要。

由於(yu) 電動汽車型號和種類上的多樣化，主要分為(wei) 交流一級、交流二級和直流充電電動汽車，其充電功率存在較大差別。電動汽車的數量和充電功率對電網的影響不同，所以分析不同充電功率等級的比例，既能滿足用戶的需求在充電連接時長獲取預期的充電電量，也能減少設備投資，降低電動汽車無序充電負荷的峰穀差。

3.2電動汽車有序充電現狀

電網於(yu) 2019年10月發布的《泛在電力物聯網*皮書(shu) 2019》中指出，電動汽車有序充電通過將網、戶、樁和車四者之間充分聯係交互以及分層控製，在感知配變負荷變化的基礎上，智能動態調整充電時間和功率，優(you) 化配變負荷運行曲線，實現削峰填穀。既滿足用戶充電需求，又提升了配電網設備和發電設備的利用率，降低了電網和發電設備投資。

所以，針對目前電動汽車有序充電的策略研究主要從(cong) 用戶需求側(ce) 和電網供給側(ce) 兩(liang) 方麵進行研究。對於(yu) 用戶需求側(ce) 而言，在滿足電動汽車用戶期望值之後應當盡可能的使用戶電動汽車充電費用達到，以達到用戶經濟性的目的；而對於(yu) 電網供給側(ce) 而言，主要的目的即在規模化的電動汽車接入電網後使電網的峰穀差達到，即“削峰填穀”，包括減少配電網網損、降低電壓偏差以及削弱或消除電壓諧波等目標手段。

3.2.1考慮用戶需求側(ce) 的有序充電策略

通過以用戶為(wei) 核心，城市配電網規劃為(wei) 框架，分析討論隻考慮電動汽車充電行為(wei) 、考慮電動汽車V2G行為(wei) 以及不考慮電動汽車V2G行為(wei) 的城市配電網規劃，論證了考慮電動汽車V2G行為(wei) 對降低配電網規劃總投資的必要性。從(cong) 時空上對電動汽車用戶充

放電行為(wei) 進行引導，從(cong) 時空雙尺度上給出了電動汽車有序充放電策略來實現電網、用戶及充

電站之間的資源均衡分布，實現電動汽車的時空分布，但其涉及的節點數較少，未能滿足區

域複雜負荷。針對電動汽車和分布式能源的資源特性，建立一種基於(yu) 粒子群優(you) 化算法的

調度策略。通過電動汽車充放電負荷調節，實現分布式能源的並網消費，有效節約分布式能源的並網成本，但缺少對電動汽車運營商的市場收入的分析。從(cong) 空間、時間與(yu) 功率維度分析電動汽車充電行為(wei) 特性，並提出一種用於(yu) 改善電網運行的充電站選址定容優(you) 化策略，但並未對二者進行結合研究。則以化網損和電壓偏移為(wei) 目標建立電網運行的動態定價(jia) 優(you) 化策略，但卻缺少對區域性的整體(ti) 分析。

3.2.2考慮電網供給側(ce) 的有序充電策略

通過建立充電負荷預測影響因素概率模型，提出了基於(yu) 時刻充電概率的負荷預測方法，但未對常規負荷預測方法中存在的參數模型設置主觀、預測結果與(yu) 用戶隨機性駕駛行為(wei) 不匹配的缺陷進行規避。探討了以二次規劃和動態規劃為(wei) 主的隨即規劃對不同滲透率的電動汽車接入引起的電網網損與(yu) 電壓變化進行了對比。對充電站的位置與(yu) 規模化優(you) 化，並基於(yu) 電動汽車的路線概率和到達公園概率，優(you) 化了電動汽車的充電場，平衡了配電網中的能量流。通過引入虛擬荷電狀態對優(you) 化後的充放電行為(wei) 進行修正，在考慮電網測的調峰需求和用戶側(ce) 的充電需求基礎上提出了分時電價(jia) 動態優(you) 化方案，通過動態更新每輛電動汽車入網實時電價(jia) 信息實現了對電動汽車的有序充放電優(you) 化。

4 考慮用戶需求側(ce) 的電動汽車有序充電策略

在電動汽車大規模無序接入電網後，無序充電負荷會(hui) 對配電網網損、電壓質量產(chan) 生不利影響，所以為(wei) 了減少無序充電負荷對於(yu) 電網的影響，需要有針對性的合理引導來規範電動汽車的充電行為(wei) 。所以本文結合分析用戶需求側(ce) 的電動汽車有序充電來實現基於(yu) 用戶需求側(ce) 的改進鯨魚優(you) 化算法的電動汽車有序充電優(you) 化。

4.1基於(yu) 用戶需求側(ce) 響應的原理

需求側(ce) 響應是指由外部原因的影響造成電力市場價(jia) 格上漲或者係統安全性受到一定影響時，由供電用戶通過與(yu) 供電方的誘導力在供電價(jia) 格補償(chang) 上達成補償(chang) 合同或方案，通過改變用戶固有的用電習(xi) 慣來減輕或者轉移某段時間內(nei) 的用電負荷，電價(jia) 上升，保障電力供應的穩定。對於(yu) 電動汽車用戶則可以靈活根據充電電價(jia) 的變化來合理安排充電計劃。此充電方式不僅(jin) 能減輕對電網的影響，更能提升用戶充電的經濟性。

目前對於(yu) 用戶需求側(ce) 響應的分析可分為(wei) 一下兩(liang) 種：

4.1.1用戶激勵型需求側(ce) 響應

（1）事先與(yu) 係統運營商簽訂協議；

（2）在運行商對用戶發出需求側(ce) 響應時，在係統安全運行的前提下，係統運營商根據所簽協議切除負荷；

（3）在負荷切除後或調整結束後，運行商根據所簽協議對用戶進行相應的補償(chang) 。

4.2.2用戶價(jia) 格型需求側(ce) 響應

（1）運營商製定多種電價(jia) 機製；

（2）根據不同用戶對電價(jia) 的敏感程度來合理引導用戶調整用電負荷。

4.2基於(yu) 用戶側(ce) 的有序充電策略

4.2.1有序充電過程及策略

為(wei) 了使電動汽車充電對電網的不利影響降至，提高電網的穩定性，對於(yu) 目前的電力市場主要是采用的是價(jia) 格型需求響應，即以分時電價(jia) 為(wei) 主的響應需求。對於(yu) 電網而言，在用電高峰期合理的引導電動汽車用戶減少充電，減輕對電網的負荷壓力，在用電低穀期又積極鼓勵用戶充電來充分補償(chang) 穀值，通過引導來逐步改變用戶的常規充電時間，逐漸實現“削峰填穀”的作用，這是一種傳(chuan) 統的電動汽車有序充電策略。

但對於(yu) 現階段大部分地區的分時電價(jia) 價(jia) 格均已負荷時段所對應的分時電價(jia) 設定完成，對於(yu) 每日即時性的改變電價(jia) 策略較難實現，另外每天的實際負荷也在動態性的改變，所以在實際中概率會(hui) 出現與(yu) 該時段分時電價(jia) 難以匹配的問題。若峰值電價(jia) 時段過長但電動汽車充電幾乎很少，或者峰穀電價(jia) 時段過短但充電車輛過多，二者均會(hui) 對係統造成利的影響。

由於(yu) 實際配電網中的電動汽車充電負荷既包括有序充電負荷還包括無序充電負荷。對於(yu) 實際配電網中含有這兩(liang) 部分負荷應分別優(you) 化。對於(yu) 電動汽車充電過程首先應確定配電網模型，根據配電網結構及初始負荷來設置部分節點為(wei) 有序充電節點，部分為(wei) 無序充電節點。

電動汽車有序充電部分應根據配電網中電動汽車的覆蓋率，對各個(ge) 節點按照初始負荷占據總負荷的比例來分配一定量的電動汽車。而且由於(yu) 實際配電網中這兩(liang) 部分同時存在，所以在有序充電優(you) 化時需要考慮無序充電負荷。考慮到願意參與(yu) 有序充電的用戶有限，所以針對這部分有序充電用戶引入有序充電用戶響應度，用來表示參與(yu) 有序充電的電動汽車數量占電動汽車總量的比例。需要在新的基礎負荷上對有序充電的電動汽車在充電的時間段和充電空間上分別進行優(you) 化，將電動汽車有序充電負荷疊加至新的基礎負荷上，並通過采取優(you) 化算法來得到優(you) 化後的係統負荷時空分布。

5hth下载地址充電樁收費運營雲(yun) 平台助力有序充電開展

5.1概述

AcrelCloud-9000hth下载地址充電柱收費運營雲(yun) 平台係統通過物聯網技術對接入係統的電動電動自行車充電站以及各個(ge) 充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，雲(yun) 閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用於(yu) 民用建築、一般工業(ye) 建築、居住小區、實業(ye) 單位、商業(ye) 綜合體(ti) 、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3係統結構

係統分為(wei) 四層：

1）即數據采集層、網絡傳(chuan) 輸層、數據層和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為(wei) 標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用於(yu) 采集充電回路的電力參數，並進行電能計量和保護。

3）網絡傳(chuan) 輸層：通過4G網絡將數據上傳(chuan) 至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、曆史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：係統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平台。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區充電平台功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為(wei) 運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4hth下载地址充電樁雲(yun) 平台係統功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個(ge) 站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平台管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平台管理人員可通過平台查看故障信息並進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成後將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

5.4.5統計分析

通過係統平台，從(cong) 充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

5.4.6基礎數據管理

在係統平台建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價(jia) 格策略、折扣、優(you) 惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

麵向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

麵向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5係統硬件配置

6.總結

電動汽車因其汙染小、噪聲低等特點未來在我國汽車總量的占比勢必會(hui) 快速上升，而且近些年對於(yu) 電動汽車製定的優(you) 惠政策也會(hui) 促使電動汽車銷量上漲，但是隨著電動汽車用戶的規模越來越大，相應的電動汽車在充電時充電負荷對電網運行穩定性也將帶來不可忽視的影響，尤其是對於(yu) 配電網峰穀差、配電網網損等方麵的影響必將成為(wei) 亟待解決(jue) 的問題。

宏觀上講，電動汽車用戶出行規律及其行駛習(xi) 慣在一定程度上對電動汽車的充電產(chan) 生較為(wei) 明顯的影響，通過分析電動汽車用戶平均返回概率模擬出用戶的日均行駛裏程，通過對區域內(nei) 充電站電動汽車分析模擬出電動汽車的充電負荷曲線，對於(yu) 影響電動汽車無序充電的因素有了較為(wei) 充分的分析。

通過考慮基於(yu) 用戶需求側(ce) 的有序充電策略，分析了有序充電過程中的約束要求，實現了有序充電負荷的優(you) 化、配電網網損的優(you) 化來實現了電網運行的經濟性，實現了用戶充電費用的來實現電費充電的經濟性。

參考文獻：

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[2] 曾雅文．電動汽車充電基礎設施規劃

[3] hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022.05版