纯电动汽车对城市电网的影响和应对策略研究

The mass deployment of fully electric vehicles (EVs) has become a consensus across the world, due to the increasing challenges in energy crisis, environment pollution and climate change. The power industry is concerned about the impacts that electric vehicles charging may have on the power system operation and the possible countermeasures. Compared to large power systems, city power systems may suffer a more significant impact from the massive EV charging load. Therefore, it is urgent to carry out research work on evaluating the impact of EV charging load on city power systems and the countermeasures that can be taken. Literature review has shown that the work has been done in this area often made too many assumptions in the development of mathematical models for simplifications, most important of all; the availability of data for study remains a problem in China. This project intends to develop mathematical models for EV charging load by taking into account both the temporal and spatial stochastic natures, based on survey data. An evaluation of the impact of EV charging on the city power systems operation will also be carried out based on the mathematical models developed in this project, using the dynamic probabilistic power analysis method. Finally, an optimal charging strategy for EVs will be proposed by taking into account both the consumer satisfaction and utility companies benefits. The output of the work will provide essential technical support for city power system planning, operation, control and demand side management.

面对能源、环境和气候问题，大规模发展纯电动汽车已成为国内外共识。电力行业首先关心电动汽车大规模接入电网充电时，对于电网的影响和应当采取的应对措施。与大电网相比，城市电网更易受到大规模纯电动汽车充电负荷的影响，因此亟需研究电动汽车充电负荷对城市电网带来的影响，从而制定科学的应对策略。当前国内外研究存在模型不完整、简化假设过多以及数据获取难等瓶颈，难以准确地反映纯电动汽车充电对我国城市电网的影响。课题基于实际统计数据，考虑城市电网中电动汽车充电负荷的时间和空间随机特性，建立电动汽车充电负荷数学模型；在该模型基础上，基于所提出的多目标量化指标，采用动态概率随机潮流法对电动汽车充放电给城市电网造成的影响进行评估；基于所提出的评估指标，建立电动汽车用户满意度模型，并在此基础上提出兼顾电动汽车用户和电网公司利益的充电优化策略。项目成果将为城市电网规划、调度运行控制及需求侧响应提供重要技术支撑。

随着电池储能技术的不断进步，在国家政策的强力推动下，电动汽车在我国得到了飞速发展。现阶段，电动汽车主要通过电网补充电能，因此，电动汽车已成为城市电网的重要负荷之一。由于车主交通行为和充电意愿的不确定性，电动汽车充电负荷具有明显的随机特性，将对城市电网的运行工况产生显著影响。因此，有必要对电动汽车充电对城市电网运行的影响进行研究，并在此基础上提出应对策略。在此背景下，项目主要进行了以下几方面的研究工作。首先，收集了大量电动汽车车主的用车信息，并在此基础上对车主用车行为特征进行了建模，具体包括：起始充电时刻、起始充电荷电状态、充电模式与充电地点及时长等，该研究工作为电动汽车充电负荷建模奠定了数据基础；其次，基于车主用车行为特征，采用蒙特卡洛模拟技术对充电站典型日内的充电负荷进行模拟，在此基础上，提出了基于场景概率的潮流分析方法，对电动汽车大规模接入城市电网后的概率潮流进行了分析。该方法能以较小的计算量获得较为准确的概率潮流分析结果，为电动汽车大规模接入后的城市电网规划与运行提供决策依据。接着，提出同时考虑充电站运行成本和负荷峰谷差的电动公交车充电站多目标优化调度模型，模型中考虑了车-桩连接状态、电动公交车出行需求等贴合工程实际的约束，为电动公交充电站优化调度提供了有效的方法。最后，建设合理的充电网络是降低大规模电动汽车充电对城市电网负面影响的重要措施之一，项目提出了基于多目标规划的充电网络规划模型，同时考虑充电网络充电服务能力最大与配电网络损耗最小两个不同维度的优化目标。模型考虑了充电站数量约束，配电网络电压偏移约束等贴合工程实际的约束条件。研究表明，电动汽车充电网络是电力系统和交通系统两大系统的耦合系统，为给出合理的电动汽车充电网络规划方案，规划中必须同时考虑这两大系统的技术需求与约束。项目研究成果将为电动汽车接入后的城市电网规划与运行提供技术支撑。