电动汽车对低压配电网的影响
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南京师范大学电气与自动化工程学院的研究人员李凯婷、陈世喆、李天然，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，近年来，由于人们对环境和能源问题的关注，电动汽车技术发展迅速。可以预见未来大规模电动汽车的使用将给电网带来重大影响。本文仿真分析了电动汽车在无序充电、有序充电模式以及V2G模式下对低压配电网的影响。
仿真结果表明若不对其充电进行调控，可能会增大电力峰荷，导致变电容量需求增加；若充电管理计划得当，并充分利用V2G技术，则可有效调整负荷曲线，满足现有变电容量，并可消纳过剩可再生能源。
电动汽车以电代油，具有绿色、环保的特点，在实现低碳无污染的同时，也使能源得到高效和均衡地利用。目前，市场上已经出现了一系列的电动汽车，主要包括混合动力电动汽车（PHEV）和小型全充电电动汽车（EV）。汽油价格的不断上涨和电池技术的不断发展，会促进EV价格的降低，从而让电动汽车的选择更具吸引力。
电动汽车电池具有相当大的能量存储容量，因此大规模电动汽车的使用将对电网产生重大影响[1]。如果电动汽车充电不受控制，某些低压配电变电站和馈线可能无法满足其充电造成的峰上加峰；如果对电动汽车的充电进行有序调控，则有利于减轻低压配电网的压力。
比如当电源有剩余容量时，可对电动汽车进行充电，当电源容量不足时，使其放电，以实现削峰填谷[2]。这就是我们所熟知的“G2V”（Grid to Vehicle）和“V2G”（Vehicleto Grid）概念[3-4]。此外，当可再生能源以分布式发电（Distributed Generation，DG）的形式存在时，若某一个地区可再生能源输出功率高，而电能的需求较低，可能会出现逆向潮流和线路过电压的问题，影响低压配电网的电能质量[5]。如果有效设置电动汽车充电时间，则有助于解决DG过剩问题。本文对上述问题进行了仿真分析。
1 仿真工具
本文利用文献[6]中建立的仿真工具进行分析。该工具基于Excel软件设计，界面如图1所示。用户可以在界面上选择负荷曲线类型（夏季或冬季），设置每个节点上的负荷数量，负荷类型（居民住宅，商店，学校，工厂等）。也可以设置每个节点上的电动汽车数量及充电功率类型（3kW或7kW），以及电动汽车的启动充电时间、初始SOC值，如图2所示。
该工具中，电缆的长度和类型（例如每单位长度的电阻或电抗，如图3所示），变压器额定参数，都可以根据实际情况进行设置，所以该工具可以普遍适用。
图1 工具的数据输入页
图2 电动汽车充电模式选择
图3 400V线路参数
2 仿真场景设置
本文根据我国南方某地区的低压电网进行建模分析[7]，图4为该电网等效模型。400V低压配电网的线路参数如图3所示。线路的长度分别为100m、100m、50m、30m、50m、100m。
图4 某地区低压配电网等效模型
本案例中，每个节点设置的家庭数分别为17、18、16、5、4、1。有两种家用电动汽车充电器容量可以选择，分别为3kW和7kW。无电动汽车的情况下，3kW和7kW家用充电器连接数均设置为0。其他情况下，根据具体需要进行设置。
居民普通日负荷的数据如表1，居民日负荷曲线图如图5[7]。
表1 典型居民负载日负荷曲线数据
图5 冬、夏季居民负载日负荷曲线
本文主要设置以下两个仿真场景：
首先，针对无可再生能源发电的情况下，分析电网接入电动汽车的影响，分为下面三个情况：（1）基本情况（无电动汽车）；（2）接入电动汽车充电（10%和30%）；（3）利用V2G技术解决变压器超负荷问题（30%的电动汽车）。
其次，对于预测的2050年增加可再生能源发电的情况，电网会连接热泵、风力发电机、光伏发电系统等。通过V2G技术和分阶段充电缓解低压配电网问题，分为下面两个情况：（1）使用V2G技术缓解过量DG导致的变压器过载；（2）使用分阶段充电和V2G缓解过量DG导致的过电压。
3 仿真结果分析
3.1 由于不受控制的充电导致变压器超负荷
1）基本情况（无电动汽车）
基本情况下的仿真结果如图6所示，仅包括居民负载，没有可再生能源、电动汽车、热泵等。这表明基本情况下，低压配电网的性能基本符合要求，没有变压器超负荷或线电流过载的问题，节点电压也都在允许的范围内。
图6 基本情况的仿真结果
2）接入不同数量的电动汽车
当低压配电网接入电动汽车时，若电动汽车用户完全按照自身的意愿和需求进行充电，不接受引导和充电时间控制，则为无序充电。不受控制的电动汽车充电的仿真结果，如图7所示。主要使用7kW的家用充电器，分别接入了不同数量的电动汽车（分别为10%，30%），假设大部分电动汽车会在用户下班回家后，即18点左右充电[8-10]。
图7（a）为接入10%的电动汽车，图7（b）为接入30%的电动汽车。严重的变压器超负荷的现象将出现在18点左右，并且接入电动汽车的数量越多，超负荷现象越严重。
图7 无序充电时的过载情况
当用户采取有序充电时，可以在接入10%电动汽车的情况下解决变压器过载问题，如图8（a）所示，但在接入30%电动汽车的情况下，不能完全解决过载问题，如图8（b）所示。此时需要进一步使用V2G技术。
图8 有序充电时的过载情况
3）使用V2G技术解决变压器超负荷问题
未使用V2G技术时，因为充电负荷峰谷期与电网负荷峰谷期相近，导致电网运行经济性降低。如图9（a）所示，变压器超负荷会出现在18点左右。如果在18点时，安排2/3的电动车连接在V2G模式，将电能反馈到电网，并且在凌晨3点和6点之间再充电，就可以避免变压器超负荷现象，如图9（b）所示。
在整个充放电过程中，需要某种程度的中央控制。因为在没有智能控制的情况下，个人电动汽车用户不太可能在正确的时间安排正确的数量电动汽车连接到电网。
图9 使用V2G技术解决变压器过载
3.2 由于过多的可再生能源带来的问题
1）使用V2G技术缓解过量的DG导致的变压器超载
到2050年，预计每一家可再生能源的数量都会很大，所以，反向功率流可能会发生在每天的中间时刻，导致变压器超负荷，如图10(a)所示。同样，可以使用智能技术来缓解问题，利用V2G技术使电动汽车在电力供应过剩时期吸收能量。此外，当电网在16点左右，有足够的负载来消耗能量时,再释放能量。使用了V2G技术，波形得到了很大的改善，如图10(b)所示。
图10 使用V2G技术缓解过量DG造成的变压器超载
2）使用V2G技术缓解过量的DG导致的电压上升
系统负荷在冬季时较轻，但因为分布式发电能源较多，在低压配电网的不同节点，尤其是在远离变压器的节点位置，线路可能会承受超范围的电压上升。预测的2050年分布式电源对电网线电压的影响，如图11（a）所示。图中V2-V7依次为离变压器最近到最远的节点。同样，可以利用智能技术解决这个问题，包括分阶段充电和适当时间的V2G技术。
分阶段充电，即安排部分电动汽车在过电压期间进行充电，从而电能会在上午10点和下午3点之间的过电压期间被吸收；当下午6点负荷增加时，再安排电动汽车将电能反馈给电网，进行放电。当使用了分阶段充电和V2G技术后，各节点电压都在允许范围内，如图11（b）所示。
图11 通过分阶段充电和V2G技术消除线路过电压
4 结论
电动汽车具有可控负荷和储能单元的双重属性，是未来电网可以利用的重要资源。通过改变用户充电行为可以减少电动汽车对电网的不利影响，保障电网运行的安全性、可靠性和经济性。通过需求侧管理手段，对电动汽车用户实施有效的激励和引导，改变电动汽车用户的充电行为，保障规模化电动汽车的顺利接入，实现电动汽车储能能力的利用，是未来电动汽车充电技术发展的方向。
本文通过仿真分析验证了电动汽车有序充电控制和V2G技术对低压配电网负荷曲线“削峰填谷”的作用，电动汽车有序充电模式及V2G技术将成为协调分布式电源消纳和推动主动配电网发展的有利因素。
致谢：在此特别感谢英国Northumbria University的PaWER研究组提供的仿真工具及指导。