电动汽车对居民小区配电网的影响及接纳能力的评估

王海亮，骆子潆，代 璐，向 颖，周晓霞

（国网湖北省电力公司宜昌供电公司，湖北 宜昌443000）

0 引 言

为解决全球变暖问题，各国政府和汽车制造商积极探索电动汽车技术，以达到降低汽车的温室气体（GHG）排放及减少对化石燃料依赖的目的。根据加拿大最新的温室气体来源评估分析，每年近12%的排放总量来自于工业汽车的使用［2］。目前，插电式混合动力电动汽车（PHEV）和电池电动汽车（BEV）由于能够接入电网供电而受到广泛的关注和发展。

电动汽车产业的发展与各国政府出台的相关政策密不可分。由美国能源部组织牵头实行了EV Project［3］，其目的是通过免费为电动汽车用户建造家用充电桩来推动电动汽车的发展。相应地，中国科技部也打算组织实行“十个城市1000辆车”方案［4］。该项目旨在将来的两三年内，我国局部地区的公交车、出租车等新能源汽车的社会服务体系能够逐渐走向正轨。

电力网的运行和规划将会由于电动汽车的大量覆盖产生一定的变化。在文献［3］中，通过采用蒙特卡罗模拟方法，分析出电力网中变压器过载情况将随着变压器磁导率的变化而变化。由仿真可得，EV的充电功率能够改变配电变压器的过载几率，若EV覆盖率高，那么变压器的使用寿命也会相应的降低。

1 小区配电网对电动汽车充电的承载能力评估

大量电动汽车的接入将直接影响配电网的运作和布局。有针对性地研究电力系统可允许电动汽车最大充电负荷接入的极限情况，来降低其对电力系统的影响。

目前放射型的接线方式主要运用于小区的低压配电网中［5］。因此，本文将供电方案简图转化为最基本的配电网模型为研究对象。

本文基于上述配电网模型，运用电动汽车充电负荷和居民用电负荷的特点以及两者彼此的关系，构建小区配电网关于电动汽车充电负荷能够容纳最大充电数量的数学模型与评价措施。

1.1 承载能力评估数学模型

1．1．1 居民区内住宅用电负荷

以A市为研究的样本数据，通过对城市配电网规划的深入研究得出，通常在小区规划初期时，电力部门会根据小区的发展类型选出相应的单户用电负荷指标及居民用电负荷同时率［1］。

居民用电负荷同时率与小区规模大小的关系如表1所示。

表1 用电负荷同时率与小区规模大小的关系［1］

综合分析，在对小区用电负荷进行讨论时需要将上述各影响要素加以计算。根据《湖北省电力公司客户供电方案编制标准》，居民用电负荷在单台配电变压器下的值为：

式中：p为单个小区用户的计算负荷（kW）；n为该区域拥有的入住数；λ为用电需用系数；a为小区用电负荷同时率［1］。

按照该小区的住宅用户数量、小区性能定位、居民住宅用电负荷以及功率因数和用电裕度等参数，能够计算出小区配电变压器的容量确定对比值：

式中：S1为变压器容量对比值（kVA）；k’为用电负荷浮动值；cosφ为居民用电负荷功率因数。

按照式（2）可计算得到变压器容量对比值，那么配电变压器的实际容量和型号就可按照下式确定。

式中，S是所选配电网变压器容量；SA为10 kV变压器的额定容量序列。

联立公式（3）和公式（4）得小区实际运行中的配电变压器承载率β。

1．1．2 居民区内电动汽车充电负荷

根据前文分析可知，电动汽车充电负荷曲线与电网实际负荷曲线一样，最大值及最小值也会在不同时间点出现。因此，在讨论变压器可容纳电动汽车最大充电容量时，需要以接入配电网的充电负荷最大值为研究对象。

电动汽车规模、充电功率、日行驶里程数及开始充电时刻等动态因素都会时时刻刻影响着电动汽车充电负荷数量，其中电动汽车规模会对电动汽车充电负荷峰值的大小起着决定性的作用［1］。通过研究小区中电动汽车占总汽车数量的百分比，就能够以此作为评价配电网对于充电负荷承载能力的重要依据，其计算表达式为：

式中：为居民小区中电动汽车覆盖率；mEV为小区内电动汽车总数（辆）；m为小区汽车总数。

为了简便计算，先设定每户居民拥有一辆汽车。

按照前文中对于电动汽车充电负荷同时率的定义与物理意义，能够列出对于电动汽车充电负荷曲线的最大值与电动汽车数量的表达式：

式中：pEV为单辆电动汽车的充电功率（kW）；NEV为电动汽车充电同时率。

电动汽车充电负荷最大值的大小与该地段的电动汽车数量及其充电功率呈现紧密相关性。

1．1．3 电动汽车最大覆盖率

经研究出的结论可知，当车为无序充电时，其充电负荷互同时率［1］为非恒定值，而是在一定区域内随机分布。

联立式（2）、（6）可以求得居民小区配电网可以承载的最大电动汽车覆盖率m为：

通过式（8）可以得到电动汽车最大覆盖率与变压器负载率之间的关系，适用于评估小区规划过程中，采取不同变压器容量选择措施时配电网对于电动汽车充电负荷的承载能力，也就是说，为了让变压器处于“经济容量”运行状态，即配电变压器的承载率在0．5～0．6之间，此时可以得出该区域配电网可承载的电动汽车最大覆盖率。

1.2 搭建配电网模型

现应用Matlab中Simulink搭建该配电网结构，该配电网有2个电压等级，分别为10 kV和0．4 kV［6］。电源侧为一个10 kV主供电源及一个10 kV备供电源供电，采用环路、多端供电模式，保证可靠、不间断供电。

将该配电网的小区负荷等效为5个负荷点，分别为Load1～Load5，小区负荷的基础负荷为实测负荷，结合本文对小区居民住户的数量做相应调整。同时，该配电网中含有5个变压器，分别为T1～T5，电压转换等级均为10 kV／0．4 kV。

根据式（7）分析可知，居民配电网可以承载的电动汽车最大覆盖率m与小区规模、电动汽车充电功率等各方面因素相关。m代表对于电动汽车充电负荷的覆盖程度，即住宅小区配电网可以承受的最大能力，当小区内电动汽车覆盖率大于m时，则配电变压器就会有过载的风险，此时电动汽车规模便超过了小区配电网的承载能力。

联立式（2）、式（6）和（7）可以得到：

2 算例分析

本文针对两种情形进行算例分析。情形1：该小区所有配电变压器中超过额定负载率的变压器数量与电动汽车覆盖率的关系。情形2：添加时间变化因子，讨论小区初始负荷以及电动汽车覆盖率由于时间维度的影响出现的变化情形。

（1）情形1：针对该小区，结合前文所建立的评估模型得到变压器超过额定负载率的数量与电动汽车覆盖率的关系，结果如图1所示。

图1 该小区配电变压器过载情况

图1 展示了该小区在不同覆盖率的电动汽车接入后，变压器中出现超过额定负载率的变压器数量。

如图1所示，出现变压器过载现象的比例会随着电动汽车覆盖率的增长而增加。以3 kW充电为例，当电动汽车覆盖率不高于54%时，配电变压器过载比例为0；而当覆盖率达到100%时，变压器过载比例将增长至42%以上。同时，从图中还可以看出，同样规模的电动汽车，采用的充电功率越大，小区配电网出现变压器过载的比例也越高。

综合分析情形1中结果可以得出结论：现有的居民小区并不能永久允许所有电动汽车接入该区域配电网；如果系统中出现变压器过载现象，那么这种现象会随着电动汽车覆盖率的升高而持续升高；同时，保持电动汽车的覆盖率一定，当充电功率越大，配电网出现过载的比例也就越高。

（2）情形2：增加时间变化因子，探讨小区初始负荷和电动汽车覆盖率随时间变化的状况，结合居民用电负荷增长进行分析。

图2为情形2中居民区配电变压器负载率随电动汽车覆盖率增加的变化情形。现设定电动汽车覆盖率为每年增长5．12%，比较小区用电负荷增长率为0、1．845%和2．125%时存在的变化。由图2可知，若设定居民负荷不随时间增长，那么当居民区电车覆盖率为100%时，此时小区配电变压器负载率为0．58。当居民负荷增长率为1．812%、2．124%时，小区的电车临界覆盖率分别为89%、80%。

图2 该小区配电变压器负载率

3 总 结

本文所构建的数学模型可用于城市区域社区配电网电动汽车充电接受度的综合评价。对配电网规划有一定的参考价值。

通过仿真数据证明，配电网容纳电动汽车最大充电数量的能力受到多项不定性因子的干扰。因此，在建立评估模型时要综合考虑居民区住户的经济条件、生活习惯等方面的影响，使得评估结果更加准确。

居民区配电变压器会因电动汽车的不断渗入而导致存在过载风险，所以在考虑配电网规划运行时不可忽视电动汽车充电负荷所带来的影响，应适时调控充电负荷或升级配电网等措施，以保证配电网的运行安全性。