居民小区内电动汽车充电负荷的仿真分析

居民小区内电动汽车充电负荷的仿真分析
邹念佐;程凡华;严方彬
【摘要】电动汽车大规模接入城市配电网充电的行为,必定会造成电网的负荷负担及电能质量的下降.文中首先对私家车的用车习惯进行常规研究分析,然后对居民小区的电动汽车规模以及小区的供电配置参数进行设定,最后采用蒙特卡罗法来模拟居民小区电动汽车的无序充电行为,计算小区内电动汽车的日总充电负荷.仿真结果表明:随着以后电动汽车产能的逐渐扩大,电动汽车充电负荷在小区的日常负荷曲线上起到了峰上加峰的作用,对小区电网的安全稳定运行有较大地影响,因此需要对电动汽车的无序充电行为进行调控.
【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2017(034)004
【总页数】3页(P64-65,69)
【关键词】电动汽车;无序充电;蒙特卡罗法;负荷曲线
【作者】邹念佐;程凡华;严方彬
【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002
【正文语种】中文
由于国家对新能源汽车各种优惠政策的大力推进，据权威统计，截止2016年底，我国电动汽车保有量约为80万辆，且市场逐步走向活跃。

在接下来的20年中，随着技术更加成熟、政策更加完善以及充电桩的普及，电动汽车将会迎来飞速发展
期，那时我国的电动汽车保有量预计会突破6 000万辆[1]。

规模化电动汽车接入
配网充电势必会对电网的运行带来一定的影响，文献[2]通过分析电动汽车充电行
为的聚集性来研究充电负荷对配电网运行的影响；文献[3]研究分析了电动汽车充
电对电网造成的谐波污染问题；文献[4]从负荷和电网损耗对电动汽车充电行为的
影响进行分析。

本文基于私家车用车习惯的研究，采用蒙特卡罗法模拟电动汽车的充电行为，进行充电负荷的仿真，得出不同电动汽车占比下小区全天的总负荷变化曲线图，来定性分析无序充电行为的经济性以及对配网造成的负荷负担等方面的影响。

1.1 私家车的充电方式
针对目前国内外存在的电动汽车类型以及车主不同的用车需求，现阶段主要的电动汽车充电方式为：常规慢速充电、快速充电以及换电池三种方式。

其中换电池是通过机械更换方式将车上电量耗尽的电池进行更换，这种方式所需时间较短，且换下的电池可以选择在电网负荷低谷期进行有序充电调控，但存在电池种类繁多以及初始成本较高的问题，短期内很难进行规模化的推广。

快速充电指的是通过充电桩接通较高的充电电流进行充电，在短时间内向电池充满电，这种充电方式快速方便，但是造成的电网负荷较大，短时间对电池造成的冲击较大，并对电池有一定的要求。

除上述两种充电方式外，常规慢速充电是用户使用最多最广泛的充电方式。

目前电动车多数采用16 A和10 A规格的插头电源线，这种充电装置多数设立在公共停
车场和居民小区等可以长时间停放的地方，因为充电时间较长，一般可以满足晚上充电、白天运作的车辆充电需求。

更为突出的优点是对电池进行深度充电，对提升电池充放电效率和延长电池寿命有一定的帮助。

1.2 用户的用车习惯
1.2.1 私家车日常出行规律
私家车主的日常出行规律一般为上下班时间，且车主在下班回家后，在没有充电调
控的情况下，大多会采用直接将车接入配网进行充电。

在此可以将用户的下班时间作为电动汽车充电的起始时间，上班时间作为电动汽车充电的截止时间。

这里引用文献[5]中全美2009年对私家车的调查结果，并对数据进行归一化处理，采用极大似然估计法将私家车每日最后回家时间和第一次出门时间表示为正态分布函数。

每日私家车最后回家时间即电动汽车开始充电时间，满足正态分布，其概率密度函数为：
式中，σs=3.41，μs=17.47。

每日私家车第一次出门时间即电动汽车截止充电时间，满足正态分布，其概率密度函数为：
式中，σe=3.24，μe=8.92。

1.2.2 日行里程
电动汽车的每日行驶路程直接反映了其电池电量的消耗，决定了电动汽车所需的充电时长，根据上面引用文献的调查数据得出车辆的日行驶路程d满足对数正态分布，概率密度函数为：
式中，σD=1.14，μD=2.98，d的单位是km。

根据车辆的日行驶路程和电池的参数情况可以算出车辆返回充电时的初始荷电状态(State of Charge,SOC)：
式中，E100、B分别表示电动汽车的百公里耗电量和电池容量；Sq为电动汽车当日第一次出门时的电量，也是用户每次充电结束时的期望电池荷电状态。

根据电动汽车的起始SOC和用户期望的充电结束时的电池电量，计算得出电动汽车所需的充电时长t：
式中，P表示电动汽车电池的充电功率。

2.1 小区内电动汽车规模
本文选定W市一普通小区A作为仿真对象，该小区位于W市中心地区，于2005
年建成使用，小区共有住户1 200户。

根据实际经验，假定每户人家都有一辆私家车，那么可以设定不同的电动汽车占比来作为仿真设定参数。

2.2 小区供电参数
小区装载的配电变压器的额定容量为S=1 250 kVA，平均功率因数λ=0.9，运行效率η=90%，则变压器的有功功率最大值为：
在没有用户充电约束的指导时，大部分用户返回住宅小区以后都会选择直接将电动汽车通过充电桩接入配电网中，直到将电动汽车电量充到用户的期望荷电状态。

这种无序的充电方式会增加配电网的负荷负担，且这种负荷负担与电网的峰值负荷相叠加，对配网的安全性和稳定性造成很大影响。

为了了解这种负荷影响，本文通过蒙特卡罗法对A小区住户的无序充电负荷进行建模仿真。

首先对小区内的充电行为进行几点假设：
(1)用户对车辆充电结束后的期望电池荷电状态为满电量；
(2)用户的充电行为建立在车辆电池的剩余电量不足以满足次日的行程需求时；
(3)小区内的电动汽车每天只会在小区内进行一次充电；
(4)小区内的充电桩数量足够进入的每台车进行充电行为；
(5)小区内车主的出门时间、行驶里程、返回时间以及电动车的各个参数都是相互独立的随机变量。

然后将全天24 h分成48个时段(即仿真间隔30 min)，通过对一辆车的负荷进行仿真，最后通过车辆负荷的叠加来得出全天的负荷曲线，具体步骤如下：
(1)根据式(1)表示的车辆返回时间的概率密度函数计算出各个时间段的返回车辆数分布情况，为该车按照概率随机分配返回时间，来作为车辆的充电开始时刻；(2)同上，再根据式(2)和式(3)表示的概率密度函数计算车辆的离开时间和行驶里程分布情况，采用蒙特卡罗法为该车的次日离开时刻和日行驶里程进行抽样分配，同时对该车的电池信息进行随机设定；
(3)通过式(4)和式(5)计算该车的初始SOC以及需要的充电时长，通过30次蒙特卡罗仿真计算该车的平均充电负荷，最后累加小区内的全部电动汽车得出小区的电动汽车充电负荷；
(4)选取小区内的电动汽车的占比分别为0、10%、20%、30%时，得出充电负荷
曲线与小区内的常规负荷进行叠加绘制小区的总负荷曲线。

总负荷曲线如图1所示，表1列出了小区内电动汽车无序充电行为的部分参数。

从仿真负荷曲线图1可以看出，电动汽车的充电负荷在下午14:00以后持续增长，并在19:00～21:00达到峰值；在21:00以后，随着电能充满结束充电的电动汽车数量逐渐增多，而返回进行充电的电动汽车减少，充电负荷开始下降；凌晨6点
以后随着小区内所有电动汽车的充电全部结束及用户出行上班后，此时三种电动汽车占比下的总负荷曲线与不含电动汽车充电负荷的曲线基本上吻合。

由表1可以看出，随着电动汽车的占比越来越大，小区总负荷的峰谷差率达到了54.9%，大部分用户选择在峰时段进行充电的行为，不仅增加了充电成本，而且增加了小区和配电网的负荷负担。

另一方面，可以看到当电动汽车占比达到30%时，小区内的台变大约有6 h处于过负载状态，对居民的日常用电安全有一定的威胁。

本文按照私家车的用车规律，计算每辆车的充电需求，据此来构建电动汽车充电需求模型，通过蒙特卡罗法模拟电动汽车的充电行为，对充电负荷进行仿真分析。

仿真结果表明，电动汽车的占比越高，无序充电模式下的负荷峰谷差越大，对小区台变及配网运行的安全性、稳定性、经济性造成的负面影响越大。

电动汽车发展越来越迅猛，这就需要引入有序调控策略来对电动汽车的充电行为进行管理约束。

【相关文献】
[1] 工信部.电动汽车发展战略研究报告[R],2016.
[2] 杨冰,王丽芳,廖承林. 大规模电动汽车充电需求及影响因素[J]. 电工技术学报,2013,(02):22-
27+35.
[3] 周娟,任国影,魏琛,樊晨,毛海港. 电动汽车交流充电桩谐波分析及谐波抑制研究[J]. 电力系统保护与控制,2017,(05):18-25.
[4] 李惠玲,白晓民. 电动汽车充电对配电网的影响及对策[J]. 电力系统自动化,2011,(17):38-43.
[5] 张良，严正.采用两阶段优化模型的电动汽车充电站内有序充电策略[J].电网技术，
2014,(04):967-973.。