張振夫，凌生智

( 1.湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410082;2.湖南女子學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)與智能信息處理研究所，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410004 )

人類正面臨嚴(yán)重的環(huán)境與資源問題[1]，隨著政府的大力推動(dòng)及相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，電動(dòng)汽車的保有量在不斷增長(zhǎng)[2]．不斷增加的充電負(fù)荷在無(wú)序充電時(shí)可能將推高電網(wǎng)最大負(fù)荷，造成系統(tǒng)設(shè)備過載[3]，引起供電能力不足等問題[4]．

為了降低電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的不利影響，現(xiàn)有的研究已提出了多種優(yōu)化充電方案[5-9]，通過調(diào)整充電功率，充電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化充電的目標(biāo)．但是這些方案對(duì)通信、量測(cè)、控制系統(tǒng)提出了較高的要求，可行性較低．在中國(guó)電力市場(chǎng)高度管制的背景下，分時(shí)電價(jià)是一種較為可行的調(diào)節(jié)手段．文獻(xiàn)[10]研究了峰時(shí)段及谷時(shí)段電價(jià)對(duì)含電動(dòng)汽車配電系統(tǒng)負(fù)荷曲線的影響，但是沒有考慮時(shí)段劃分的問題．而為了制定合適的分時(shí)電價(jià)政策減輕車輛充電行為對(duì)電網(wǎng)的影響，首先需要確定合適的時(shí)段劃分．因此有必要研究不同時(shí)段劃分對(duì)含電動(dòng)汽車的配電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響．

本文首先建立了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了充電負(fù)荷的分時(shí)電價(jià)響應(yīng)模型，研究了不同時(shí)段劃分下電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷曲線的變化規(guī)律．

1 配電系統(tǒng)負(fù)荷曲線及充電負(fù)荷計(jì)算

1.1 基本假設(shè)

為了方便計(jì)算充電負(fù)荷，作出如下假設(shè)：

(1)電動(dòng)汽車電池容量為24 kW·h；

(2)每公里耗電量為0.15 kW·h；

(3)電動(dòng)汽車每天只在家中充一次電；

(4)每次充電需將電池充至滿電量；

圖1 配電系統(tǒng)負(fù)荷曲線Fig.1 Load curve of a distribution system

(5)電動(dòng)汽車日行駛里程與行程結(jié)束時(shí)間是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量．

1.2 配電系統(tǒng)負(fù)荷曲線

假設(shè)沒有電動(dòng)汽車接入時(shí)配電系統(tǒng)負(fù)荷xh服從正態(tài)分布[11]，其概率密度函數(shù)如(1)式所示：

(1)

1.3 充電負(fù)荷計(jì)算

1.3.1 日行駛里程 根據(jù)駕車習(xí)慣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，電動(dòng)汽車日行駛里程x近似滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布[10]，其概率密度函數(shù)如式(2)所示：

(2)

式中μD為期望值，μD=3.2；σD為標(biāo)準(zhǔn)差，σD=0.88.

1.3.2 行程結(jié)束時(shí)間 在到家即充電的模式下，電動(dòng)汽車開始充電時(shí)間為行程結(jié)束時(shí)間．行程結(jié)束時(shí)間t近似滿足正態(tài)分布[12]，其概率密度函數(shù)如式(3)所示：

(3)

式中μS為行程結(jié)束時(shí)間期望值，μS=17.6；σS為標(biāo)準(zhǔn)差，σS=3.4．由于95%的車輛在上午10:00之后結(jié)束行程[13]，為了簡(jiǎn)化分析過程，假設(shè)所有電動(dòng)汽車均在上午10:00后結(jié)束行程．

1.3.3 充電方式 根據(jù)前面假設(shè)電動(dòng)汽車在家充電，因此選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中充電方式1[14]，其充電功率為4 kW．

圖2 單臺(tái)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of an EV charging load calculation

1.3.4 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算流程 單臺(tái)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算流程如圖2所示，具體過程如下：

(1)數(shù)據(jù)初始化：根據(jù)電動(dòng)汽車日行駛里程概率密度函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，得到該輛電動(dòng)汽車的日行駛里程；根據(jù)行程結(jié)束時(shí)間的概率密度函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，得到該車充電開始時(shí)間；

(2)計(jì)算電動(dòng)汽車消耗電量：每公里耗電量乘以日行駛里程得到消耗電量；

(3)計(jì)算電動(dòng)汽車充電持續(xù)時(shí)間：消耗電量除以額定的充電功率得到充電持續(xù)時(shí)間；

(4)得到電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線：根據(jù)充電開始時(shí)間，充電持續(xù)時(shí)間，充電功率得到單臺(tái)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線．

2 負(fù)荷對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)

2.1 分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分

電價(jià)因素對(duì)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的影響較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化分析過程，本文主要考慮分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分的影響而忽略電價(jià)的影響．目前已經(jīng)實(shí)施的分時(shí)電價(jià)將全天分為峰時(shí)段，谷時(shí)段及平時(shí)段3段時(shí)間或者分為峰時(shí)段及谷時(shí)段兩段時(shí)間．本文將全天分為峰時(shí)段及谷時(shí)段兩段時(shí)間，T1為谷時(shí)段開始時(shí)刻．

2.2 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)

考慮到峰時(shí)段電價(jià)較高，谷時(shí)段電價(jià)較低，電動(dòng)汽車將在谷時(shí)段充電以減少充電費(fèi)用．因此電動(dòng)汽車對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)是電動(dòng)汽車在到家后，改變開始充電時(shí)間，選擇在谷時(shí)段充電．

在分時(shí)電價(jià)調(diào)節(jié)下，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷計(jì)算流程如圖3所示，其中T1為荷谷開始時(shí)間，Ts為充電開始時(shí)間，Ta為行程結(jié)束時(shí)間，N為充電車輛數(shù)量．

首先根據(jù)駕車習(xí)慣的概率分布產(chǎn)生代表各輛電動(dòng)汽車行程結(jié)束時(shí)間及日行駛距離的隨機(jī)數(shù)．若電動(dòng)汽車行程結(jié)束時(shí)間Ta在峰時(shí)段，出于充電費(fèi)用最小的考慮，則該電動(dòng)汽車將在谷時(shí)段開始時(shí)刻即T1時(shí)刻開始充電；當(dāng)電動(dòng)汽車行程結(jié)束時(shí)間在谷時(shí)段，則采取立即充電模式，即行程結(jié)束時(shí)間Ta為開始充電時(shí)間．然后采用前述方法計(jì)算每輛電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷．由于消耗電量及充電方式未發(fā)生變化，充電持續(xù)時(shí)間，充電功率等在考慮分時(shí)電價(jià)后仍然不變．將所有車輛的充電負(fù)荷曲線疊加，得到考慮分時(shí)電價(jià)時(shí)配電系統(tǒng)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷曲線．

圖4為10 000輛電動(dòng)汽車在沒有分時(shí)電價(jià)調(diào)節(jié)時(shí)的負(fù)荷曲線，圖5為谷時(shí)段開始時(shí)間為18:00，結(jié)束時(shí)間為6:00，10 000輛電動(dòng)汽車的負(fù)荷曲線．由圖可知，沒有分時(shí)電價(jià)時(shí)，充電負(fù)荷在時(shí)間上分布較廣，在考慮分時(shí)電價(jià)后，大部分電動(dòng)汽車在谷時(shí)段開始充電，充電負(fù)荷集中分布于谷時(shí)段．當(dāng)時(shí)段劃分改變時(shí)，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的響應(yīng)與此類似．

圖3 考慮分時(shí)電價(jià)的充電負(fù)荷計(jì)算流程圖Fig.3 Flow chart of charging load calculation with TOU

圖4 無(wú)分時(shí)電價(jià)的充電負(fù)荷曲線Fig.4 Load curve of charging load without TOU

2.3 配電系統(tǒng)其他負(fù)荷對(duì)分時(shí)電價(jià)響應(yīng)

電能是一種缺乏價(jià)格彈性的特殊商品[15]，居民對(duì)電價(jià)的變化及不同時(shí)段劃分響應(yīng)較?。疚闹饕芯糠謺r(shí)電價(jià)改變充電負(fù)荷分布后，充電負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷曲線的影響，因此忽略配電系統(tǒng)其他負(fù)荷對(duì)分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)，即根據(jù)前述方法得到其他負(fù)荷的負(fù)荷曲線后，在考慮分時(shí)電價(jià)時(shí)原負(fù)荷曲線仍保持不變．配電系統(tǒng)其他負(fù)荷的負(fù)荷曲線與考慮分時(shí)電價(jià)的配電系統(tǒng)充電負(fù)荷曲線相疊加可以得到考慮分時(shí)電價(jià)時(shí)配電系統(tǒng)的負(fù)荷曲線．

3 算例分析

3.1 場(chǎng)景設(shè)置與仿真流程

假設(shè)配電系統(tǒng)最大負(fù)荷為200 000 kW，負(fù)荷期望值標(biāo)幺曲線如圖5所示，系統(tǒng)中有 10 000輛電動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車駕車習(xí)慣，充電行為遵循前述假設(shè)．為了研究不同時(shí)段劃分對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷曲線的影響，采用場(chǎng)景分析的方法，根據(jù)不同的時(shí)段劃分設(shè)定多個(gè)相關(guān)場(chǎng)景．設(shè)場(chǎng)景1不考慮分時(shí)電價(jià)，電動(dòng)汽車到家后即開始充電；另設(shè)定場(chǎng)景2至場(chǎng)景5共4個(gè)場(chǎng)景，其谷時(shí)段結(jié)束時(shí)刻均為早上6時(shí)，谷時(shí)段開始時(shí)刻分別為18時(shí)，20時(shí)，22時(shí)及24時(shí)．

仿真采用蒙特卡洛模擬的方法計(jì)算含電動(dòng)汽車的配電系統(tǒng)負(fù)荷，為了減少隨機(jī)性對(duì)仿真結(jié)果的影響，進(jìn)行4 000次仿真，取其平均值．仿真流程如圖6所示，先根據(jù)2.2節(jié)中的方法計(jì)算配電系統(tǒng)其他負(fù)荷的負(fù)荷曲線，然后分別計(jì)算前述5種場(chǎng)景下電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷，再將兩者疊加后得到配電系統(tǒng)在各種場(chǎng)景下的負(fù)荷曲線，最后計(jì)算4 000次仿真中各時(shí)刻的負(fù)荷平均值．具體計(jì)算過程如前面章節(jié)所述．

圖5 考慮分時(shí)電價(jià)的充電負(fù)荷曲線Fig.5 Load curve of charging load with TOU

圖6 仿真流程圖Fig.6 Flow chart of simulation

3.2 仿真結(jié)果分析

在設(shè)置上述5個(gè)場(chǎng)景后，采用前述仿真方法從谷時(shí)段開始時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷的變化，系統(tǒng)最大負(fù)荷的大小，出現(xiàn)時(shí)間及系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差的變化4個(gè)方面研究時(shí)段劃分對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷曲線的影響．

場(chǎng)景1系統(tǒng)負(fù)荷曲線如圖7所示．其他4個(gè)場(chǎng)景下，系統(tǒng)的負(fù)荷曲線如圖8所示．由圖可見，場(chǎng)景2至5中谷時(shí)段開始時(shí)刻的負(fù)荷與場(chǎng)景1中該時(shí)刻負(fù)荷相比，系統(tǒng)負(fù)荷有較大的增加．隨著谷時(shí)段開始時(shí)刻越接近24點(diǎn)，該時(shí)刻負(fù)荷較場(chǎng)景一中相應(yīng)時(shí)刻負(fù)荷增加越多．造成這一現(xiàn)象的原因是在谷時(shí)段之前到家的車輛集中于谷時(shí)段開始時(shí)刻充電，大量充電負(fù)荷聚集推高了該時(shí)刻系統(tǒng)的負(fù)荷．而隨著谷時(shí)段開始時(shí)刻不斷推后，同時(shí)充電的車輛也越多，負(fù)荷增加的幅值也越大．

圖7 場(chǎng)景一系統(tǒng)負(fù)荷曲線Fig.7 Load curves of distribution system in scenario 1

圖8 場(chǎng)景二至場(chǎng)景五系統(tǒng)負(fù)荷曲線Fig.8 Load curves of distribution system in scenario 2 to 5

盡管在場(chǎng)景2到場(chǎng)景5中谷時(shí)段開始時(shí)刻負(fù)荷較場(chǎng)景一有一定程度的增長(zhǎng)，但是系統(tǒng)最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間卻不一定在谷時(shí)段開始時(shí)刻．表1為5個(gè)場(chǎng)景下，系統(tǒng)的最大負(fù)荷大小及出現(xiàn)時(shí)間．從表中可見，未實(shí)施分時(shí)電價(jià)時(shí)，最大負(fù)荷出現(xiàn)在18時(shí)，在實(shí)施分時(shí)電價(jià)后，場(chǎng)景2與場(chǎng)景3下系統(tǒng)最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間與谷時(shí)段開始時(shí)間一致，而在之后兩個(gè)場(chǎng)景中最大負(fù)荷出現(xiàn)在18時(shí)．因此當(dāng)谷時(shí)段開始時(shí)間在深夜時(shí)，時(shí)段劃分對(duì)最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間沒有影響．而谷時(shí)段開始時(shí)間在傍晚時(shí)，改變了系統(tǒng)最大負(fù)荷的出現(xiàn)時(shí)間．

由于谷時(shí)段開始時(shí)間與配電系統(tǒng)中其他負(fù)荷的最大值出現(xiàn)時(shí)間相重合，此時(shí)刻的充電負(fù)荷與系統(tǒng)其他負(fù)荷疊加后，場(chǎng)景2的最大負(fù)荷較其他場(chǎng)景要高很多．在20時(shí)，系統(tǒng)其他負(fù)荷比18時(shí)要小，疊加充電負(fù)荷后，場(chǎng)景3與場(chǎng)景2相比其最大負(fù)荷要略小一些．場(chǎng)景4及場(chǎng)景5與其他場(chǎng)景相比，其最大負(fù)荷最小，等于系統(tǒng)中其他負(fù)荷的最大負(fù)荷．從上述分析可以看到，谷時(shí)段開始時(shí)間與系統(tǒng)其他負(fù)荷的最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間相距越遠(yuǎn)，時(shí)段劃分對(duì)最大負(fù)荷的大小影響越小．

不同的時(shí)段劃分對(duì)系統(tǒng)峰谷差有一定影響，各場(chǎng)景下系統(tǒng)的峰谷差如表2所示．

表1 不同場(chǎng)景下系統(tǒng)最大負(fù)荷及出現(xiàn)時(shí)間

表2 不同場(chǎng)景下系統(tǒng)峰谷差

從表中可知，場(chǎng)景1的峰谷差比場(chǎng)景2及場(chǎng)景3中的小，但是比場(chǎng)景4及場(chǎng)景5中峰谷差大，隨著時(shí)段劃分的推晚，峰谷差越來(lái)越?。趫?chǎng)景2中，由于系統(tǒng)中其他負(fù)荷的最大負(fù)荷與充電負(fù)荷疊加作用，使得接入電動(dòng)汽車后系統(tǒng)最大負(fù)荷進(jìn)一步增大，而最小負(fù)荷變化不大，系統(tǒng)峰谷差較其他場(chǎng)景要大．場(chǎng)景4與場(chǎng)景5中，時(shí)段劃分較晚，與系統(tǒng)最小負(fù)荷時(shí)間接近，加入充電負(fù)荷后，系統(tǒng)最小負(fù)荷較其他場(chǎng)景有所增長(zhǎng)，而最大負(fù)荷較其他場(chǎng)景要小，從而減小了系統(tǒng)峰谷差．因此谷時(shí)段開始時(shí)刻與最小負(fù)荷時(shí)刻越接近，系統(tǒng)負(fù)荷的峰谷差越?。?/p>

4 結(jié)論

(1)在實(shí)施分時(shí)電價(jià)后，谷時(shí)段開始時(shí)刻負(fù)荷較沒有分時(shí)電價(jià)時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷有所增長(zhǎng)，且時(shí)段劃分越晚，增長(zhǎng)的幅度越大；

(2)谷時(shí)段開始時(shí)刻與系統(tǒng)其他負(fù)荷的最大負(fù)荷時(shí)刻相距越遠(yuǎn)，配電系統(tǒng)最大負(fù)荷數(shù)值越小，最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間與系統(tǒng)其他負(fù)荷的最大負(fù)荷時(shí)間一致；

(3)不同的時(shí)段劃分將改變系統(tǒng)峰谷差大小，谷時(shí)段開始時(shí)刻與系統(tǒng)其他負(fù)荷的最小負(fù)荷時(shí)刻越接近，系統(tǒng)峰谷差越?。?/p>

(4)為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車有序充電，分時(shí)電價(jià)時(shí)段劃分應(yīng)考慮系統(tǒng)的負(fù)荷曲線特性，電動(dòng)汽車數(shù)量等因素，谷時(shí)段開始時(shí)刻應(yīng)遠(yuǎn)離系統(tǒng)最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間，接近最小負(fù)荷時(shí)刻，避免出現(xiàn)峰上加峰的現(xiàn)象.

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛六平，王耀南．混合動(dòng)力汽車能源總成控制系統(tǒng)的研究[J]． 湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào), 2005，28(2)：33-36．

[2] 朱 翔，蒲火元，蘇 明．資源節(jié)約型與環(huán)境友好型視角下的縣域經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力綜合評(píng)價(jià)研究[J]．湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào), 2009，32(3)：101-107．

[3] SHENGNAN S, PIPATTANASOMPOM M, RAHMAN S. Challenges of phev penetration to the residential distributio-n network[C]//Power and Energy Society General Meeting．Alberta，Canada：IEEE, 2009：1-8．

[4] 毛 弋，蔣 盈，李寶玉,等.多種通信方式并存的配網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)的研究[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)， 2013,36(4):31-36.

[5] CAO Y J, TANG S W, LI C B,etal. An optimized ev charging model considering tou price and soc curve[J]．IEEE Trans Smart Grid, 2012，3(1)：388-393．

[6] SANCHEZ-MARTIN P, SANCHEZ G, MORALES-ESPANA G. Direct load control decision model for aggregated ev charging points[J]．IEEE Trans Power Syst, 2012，27(3)：1577-1584．

[7] CLEMENT-NYNS K, HAESEN E，DRIESEN J. The impact of charging plug-In hybrid electric vehicles on a residential distribution grid[J]．IEEE Trans Power Syst, 2010，25(1)：371-380．

[8] SHENGNAN S, PIPATTANASOMPORN M, RAHMAN S. Demand response as a load shaping tool in an intelligent grid with electric vehicles[J]．IEEE Trans Smart Grid, 2011，2(4)：624-631．

[9] ZHANG P, QIAN K J, ZHOU C K. A methodology for optimization of power systems demand due to electric vehicle charging load[J]．IEEE Trans Power Syst, 2012，27(3)：1628-1636．

[10] SHAO S N, ZHANG T S, PIPATTANASOMPORN M. Impact of tou rates on distribution load shapes in a smart grid with phev penetration[C]//Transmission and Distribution Conference and Exposition．New Orleans，USA：IEEE ，2010：1-6．

[11] HATZIARGYRIOU N, KARAKATSANIS T, PAPADOPOULOS M. Probabilistic load flow in distribution systems containing dispersed wind power generation[J]．IEEE Trans Power Syst, 1993，8(1)：159-165．

[12] 田立亭，史雙龍，賈 卓．電動(dòng)汽車充電功率需求的統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2010，34(11)：126-130．

[13] 徐立中，楊光亞，許 昭，等．電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)丹麥配電系統(tǒng)的影響[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2011，35(14)：18-23．

[14] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T20234.2-2011 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分：交流充電接口[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

[15] 毛 弋，向海燕，康 倫,等.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及仿真分析[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào), 2013,36(3):27-32.