论多种类型电动汽车接入配电网的充电负荷概率模拟的探讨

论多种类型电动汽车接入配电网的充电负荷概率模拟的探讨

高剑

中国汽车技术研究中心排放节能部耐久试验室天津东丽区300300

摘要：随着人们社会环保意识的增强，电动汽车(Electricvehicle,EV)作为最具发展潜力的环保节能新能源汽车，已成为汽车发展的主要方向。我国政府大力支持电动汽车的发展及其配套设施的建设，并积极开展电动汽车推广的示范工程。然而电动汽车的规模化充电将给配电网带来显著的影响，包括电能质量的下降、网络损耗的增加、设备利用率的降低等。因此，在电动汽车大规模接入电网前，需充分考虑其充电功率对配网的影响。本文针对电动汽车的充电负荷进行概率模拟。

关键词：电动汽车；配电网；充电符合；概率模拟

当大规模电动汽车并入电网时，由于其充电行为的随机性，使得其必会增加发输配电系统的压力。利用电动汽车的统计数据对充电负荷进行概率模拟，是评估电动汽车与配电网交互影响的基础。文章研究不同类型电动汽车的充电特性，提出了包含混合动力电动汽车的多种类型电动汽车充电负荷需求概率模型。

一、电动汽车的层次分类及充电特性

电动汽车按照能源供给方式可分为纯电动汽车、混合电动汽车及燃料电池电动汽车三大类。纯电动汽车是单独依靠蓄电池组（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。按我国现行电价和油价水平，纯电动汽车的运行费用低于传统汽车，具有较好的经济性。但是目前纯电动汽车仍存在着续驶里程短和性能价格低等不足，因而还未达广泛普及阶段。混合动力电动汽车除了载有常规燃料之外，还配以蓄电池、电动机来改善低速的动力输出和燃油的消耗。与纯电动汽车相比，由于其拥有内燃机和电动机两种动力源，续驶里程和动力性能均优于纯电动汽车，但仅有部分行驶耗能源于电网。燃料电池电动汽车的动力来源于氢气、甲醇等燃料化学反应产生的电流。现阶段国内燃料电池电动汽车的关键技术还没有到位，同时氢气在制备、供应、储运等方面还有着大量的技术与经济问题有待解决，另外其行驶能耗并不来自电网，因此本文研究的电动汽车仅针对纯电动汽车和混合动力电动汽车。

电动汽车充电方式分为交流和直流充电，其中交流充电按照充电电流大小又分为常规和快速充电，主要用于整车充电，而换电池电动汽车则采用直流充电方式。常规充电方式由于其充电电流一般较小维持在15A左右，且充电时间较长一般为5至8h，故而该充电方式可提高电池的充电效率并延长其使用寿命。快速充电方式的充电电流较常规方式大，一般为150~400A，但充电时间相对较短且取决于蓄电池的接受能力，一般为20min至2h。目前国内外汽车厂商主要生产采用整车充电技术的电动汽车，而换电池充电方式具有电池更换速度快和使用寿命长等优势主要在公交车进行推广应用。

二、不同类型电动汽车的充电功率和荷电状态特性

电动汽车的蓄电池类型和充电方式决定其充电功率和SOC特性，通过比较蓄电池的工作能力，安全性能，寿命长短及经济性，铅酸电池，锂电池及镍基电池成为了电动汽车厂商的首选。本文选取铅酸电池和锂电池作为研究对象，不仅是因为此二者能够从相关文献查到详细的充电功率数据，同时也是由于其在电动汽车市场的普及程度极高。而充电相同容量的锂电池和镍基电池特性基本一致，因而在此不做赘述。锂电池的常规和快速充电过程均可近似为恒功率，而铅酸电池在两种充电方式下的充电过程可近似为两阶段充电，其中铅酸电池采用常规充电时峰值功率为6.50kW而采用快速充电时峰值功率则为45.80kW。

三、电动汽车充电负荷的概率模拟方法

电网不主动控制电动汽车充电行为时，采用蒙特卡洛法进行电动汽车充电负荷模拟的常规概率模型如图1所示。首先根据电动汽车的用途类型获取行驶里程概率模型特征参数值，结合SOC计算式进行初始SOC抽样，由电动汽车SOC

特性确定充电时间长度；再由电动汽车类型得到开始充电时刻概率模型进行抽样；根据开始充电时刻和初始SOC/充电时间长度的抽样值来确定单台电动汽车的充电功率，最后结合各种类型电动汽车的数量和配电网电动汽车总数计算出配网电动汽车的充电负荷。

图1常规的电动汽车充电负荷概率模拟结构框图

电动汽车的充电负荷模拟时须根据电动汽车的类型来选择各抽样环节的概率模型及其参数，再根据不同区域各类电动汽车数量逐台叠加，从而得到电动汽车接入配电网的负荷需求。然而常规电动汽车充电功率的概率模型仅针对纯电动汽车进行建模，认为所有电动汽车接入电网后随即开始充电未考虑实时车流量概率分布，且假设开始充电时刻和初始SOC相互独立，不能计及初始SOC对用户决定是否进行充电的影响。由于不同类型电动汽车的开始充电时间、初始SOC等充电参数不尽相同，相应的充电负荷随机特性差别较大。为此针对多种类型的电动汽车接入配电网，本文改进了电动汽车负荷概率模拟结构如图2所示。改进后的电动汽车充电负荷概率模拟结构(改进部分由蓝色虚线方框表示)：首先根据电动汽车的用途类型及能源供给方式判断电动汽车属于纯电动汽车或混合动力电动汽车，继而进行行驶里程概率抽样以获取行驶里程概率模型特征参数值；选择相应的行驶里程概率模型后，再根据初始SOC来确定充电时间长度的概率模型参数；结合由电动汽车用途分类确定的开始充电时刻概率模型；对开始充电时刻进行抽样，可确定单台电动汽车的充电功率，此外，在改进模型中还加入电动汽车充电数量抽样来模拟电动汽车的行驶状态，避免处于行驶状态的电动汽车导致的充电负荷模拟误差。

图2改进的电动汽车充电符合概率模拟结构框图

四、电动汽车充电负荷概率模型

以下以初始SOC和充电时间长度的概率模型为例进行研究，纯电动汽车日行驶里程dp与汽车分类相关，根据NHTS统计数据可知其满足对数正态分布。

总之，不同类型电动汽车用户的驾驶行为和充电习惯决定了电动汽车充电负荷的时空随机特性。本文建立混合电动汽车接入配电网的充电负荷概率模型，提出多类电动汽车接入配电网的充电负荷需求概率模拟方法。

参考文献

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