淺談電動汽車無序充電對配電網的影響及有序充電優化

安科瑞 劉邁

　　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、環境污染等嚴重問題。人類在逐步減少對傳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。作為污染排放量的汽車早已成為研究者的熱門課題，而電動汽車由于其污染排放量幾乎為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。但由于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于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使電網形成“峰上加峰"的負荷，對電力系統運行的穩定性造成極為嚴重的影響。所以，對于合理引導電動汽車有序充電就顯得至關重要。

　　本文首先討論了影響電動汽車無序充電的相關因素，對比分析電動汽車不同充電方式的優劣，并對不同種類電動汽車的行為特點進行分析。接著對用戶電動汽車行駛習慣進行建模分析，模擬出不同類型電動汽車的出行規律，并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化方式，即基于用戶需求側的動汽車有序充電策略，通過對用戶側的需求目標及相關約束條件進行分析來得到用戶側的有序充電策略，對充電負荷時間、空間及時空上的優化以及配電網網損優化、電動汽車用戶充電費用總體優化來驗證該混合反向學習鯨魚優化算法的有序充電策略在實際算例優化的可行性。

　　關鍵詞：電動汽車；無序充電；用戶需求側；鯨魚優化算法；有序優化

　　1引言

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

　　雖然全球電動汽車及相關產業的發展非常迅速，各國也都制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電動汽車數量的不匹配，高峰期會出現“車等樁"的現象，低谷期則是充電樁的冗余。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過于集中，而有些區域則分布零散。由此帶來的直接影響則直接關系到電動汽車充電時對于地區電網的電能質量，由于充電時的諧波干擾，會使網損并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地點的隨機性強的特點會越來越明顯的體現，無序充電對于配電網的影響將會越來越大，在系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，嚴重的情況則是在用電高峰時期使得電網發生解列與崩潰的危險。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 國內外發展現狀

　　近年來各國逐步重視并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系統面臨著雙重挑戰。作為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的過渡選擇。從目前的發展情況來看，全球電動汽車的發展依舊面l臨諸多挑戰，對于關鍵技術突破、汽車制造轉型、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技術方面的發展起步較早，而且也有各自的側。

　　2.2電動汽車國內發展現狀

　　在21世紀初期，我國便已經開始對新能源汽車的部分產業進行研發，從2001年起新能源汽車項目被列入“863"重大科技課題起，就已經制定了從“汽油車向氫動力汽車邁進"的戰略。“十一五"期間，作為重大發展目標，新能源汽車的研發與發展備受關注，提出了“節能型新能源汽車"戰略，并大力扶持相關新能源汽車制造產業。自2009年起國務院通過對汽車產業的近遠期規劃，在此基礎上執行以自主創新為，以新能源汽車為主要突破口的新型新能源汽車發展戰略，力爭在2025．2035年使國產新能源汽車居于世界前列。根據《新能源汽車產業發展規劃(2021．2035年)》，我國將在“十四五"期間對新能源汽車產業推進、著重發展，加快其在創新技術、產業生態及產業等方面的融合，同時，根據《“十四五"規劃綱要》，“十四五"期間，對于新能源汽車十分重要的動力電池續航等關鍵技術取得重大突破。

　　我國近幾年電動汽車及其相關行業的發展尤為迅速，電動汽車的銷量與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"的局面。

　　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，電動汽車作為移動式儲能裝置，在削峰填谷、提供電力系統輔助服務、協同消納新能源等方面具有廣闊的應用前景。但是，電動汽車的無序充電可能會導致電網的峰谷差加劇、電壓下降等不利影響，所以對于

　　電動汽車無序充電的分析顯得尤為重要。

　　由于電動汽車型號和種類上的多樣化，主要分為交流一級、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谷差。

　　3.2電動汽車有序充電現狀

　　電網于2019年10月發布的《泛在電力物聯網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系交互以及分層控制，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，優化配變負荷運行曲線，實現削峰填谷。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用戶需求側和電網供給側兩方面進行研究。對于用戶需求側而言，在滿足電動汽車用戶期望值之后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；而對于電網供給側而言，主要的目的即在規模化的電動汽車接入電網后使電網的峰谷差達到，即“削峰填谷"，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考慮用戶需求側的有序充電策略

　　通過以用戶為核心，城市配電網規劃為框架，分析討論只考慮電動汽車充電行為、考慮電動汽車V2G行為以及不考慮電動汽車V2G行為的城市配電網規劃，論證了考慮電動汽車V2G行為對降低配電網規劃總投資的必要性。從時空上對電動汽車用戶充

　　放電行為進行引導，從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

　　域復雜負荷。針對電動汽車和分布式能源的資源特性，建立一種基于粒子群優化算法的

　　調度策略。通過電動汽車充放電負荷調節，實現分布式能源的并網消費，有效節約分布式能源的并網成本，但缺少對電動汽車運營商的市場收入的分析。從空間、時間與功率維度分析電動汽車充電行為特性，并提出一種用于改善電網運行的充電站選址定容優化策略，但并未對二者進行結合研究。則以化網損和電壓偏移為目標建立電網運行的動態定價優化策略，但卻缺少對區域性的整體分析。

　　3.2.2考慮電網供給側的有序充電策略

　　通過建立充電負荷預測影響因素概率模型，提出了基于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、預測結果與用戶隨機性駕駛行為不匹配的缺陷進行規避。探討了以二次規劃和動態規劃為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電壓變化進行了對比。對充電站的位置與規模化優化，并基于電動汽車的路線概率和到達公園概率，優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化后的充放電行為進行修正，在考慮電網測的調峰需求和用戶側的充電需求基礎上提出了分時電價動態優化方案，通過動態更新每輛電動汽車入網實時電價信息實現了對電動汽車的有序充放電優化。

　　4 考慮用戶需求側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后，無序充電負荷會對配電網網損、電壓質量產生不利影響，所以為了減少無序充電負荷對于電網的影響，需要有針對性的合理引導來規范電動汽車的充電行為。所以本文結合分析用戶需求側的電動汽車有序充電來實現基于用戶需求側的改進鯨魚優化算法的電動汽車有序充電優化。

　　4.1基于用戶需求側響應的原理

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

　　目前對于用戶需求側響應的分析可分為一下兩種：

　　4.1.1用戶激勵型需求側響應

　　（1）事先與系統運營商簽訂協議；

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

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

　　4.2.2用戶價格型需求側響應

　　（1）運營商制定多種電價機制；

　　（2）根據不同用戶對電價的敏感程度來合理引導用戶調整用電負荷。

　　4.2基于用戶側的有序充電策略

　　4.2.1有序充電過程及策略

　　為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，對于目前的電力市場主要是采用的是價格型需求響應，即以分時電價為主的響應需求。對于電網而言，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，在用電低谷期又積極鼓勵用戶充電來充分補償谷值，通過引導來逐步改變用戶的常規充電時間，逐漸實現“削峰填谷"的作用，這是一種傳統的電動汽車有序充電策略。

　　但對于現階段大部分地區的分時電價價格均已負荷時段所對應的分時電價設定完成，對于每日即時性的改變電價策略較難實現，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出現與該時段分時電價難以匹配的問題。若峰值電價時段過長但電動汽車充電幾乎很少，或者峰谷電價時段過短但充電車輛過多，二者均會對系統造成利的影響。

　　由于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。對于實際配電網中含有這兩部分負荷應分別優化。對于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有序充電節點，部分為無序充電節點。

　　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。而且由于實際配電網中這兩部分同時存在，所以在有序充電優化時需要考慮無序充電負荷。考慮到愿意參與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化，將電動汽車有序充電負荷疊加至新的基礎負荷上，并通過采取優化算法來得到優化后的系統負荷時空分布。

　　5安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

　　5.1概述

　　AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個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，云閃付掃碼充電。

　　5.2應用場所

　　適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

　　5.3系統結構

系統分為四層：

　　1）即數據采集層、網絡傳輸層、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標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

　　3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳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、歷史數據庫、基礎數據庫。

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

　　小區充電平臺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，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

　　5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

　　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

　　平臺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，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，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后將結果上報。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

　　通過系統平臺，從充電站點、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

　　在系統平臺建立運營商戶，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、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

　　面向運維人員使用，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

　　面向充電用戶使用，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系統硬件配置

　　6.總結

　　電動汽車因其污染小、噪聲低等特點未來在我國汽車總量的占比勢必會快速上升，而且近些年對于電動汽車制定的優惠政策也會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，尤其是對于配電網峰谷差、配電網網損等方面的影響必將成為亟待解決的問題。

　　宏觀上講，電動汽車用戶出行規律及其行駛習慣在一定程度上對電動汽車的充電產生較為明顯的影響，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里程，通過對區域內充電站電動汽車分析模擬出電動汽車的充電負荷曲線，對于影響電動汽車無序充電的因素有了較為充分的分析。

　　通過考慮基于用戶需求側的有序充電策略，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化、配電網網損的優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。