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摘要：新能源电动汽车的大量接入，将会显著地改变现有配电网负荷特性，给配电网运行发展带来较大冲击。本论文在调研宁波专用、公用、自用等不同类型充电设施参数基础上，分析研究其日最大负荷、负荷变化曲线、同时率等特性，以及和系统负荷拟合情况，预测电动汽车新增用电需求，指导配电网规划、建设、改造。
关键词：充电设施；负荷特性；预测分析
1 引言
随着资源、环境问题的日益加剧，新能源电动汽车以其能耗和减排等方面的优势，越来越受到社会各界的青睐。宁波市作为国家级电动汽车应用推广示范区域，预计未来将会有大量电动汽车，通过专用充电站、公用充电站、自用充电桩等方式接入电网，这将显著地改变现有配电网负荷特性，势必会对为传统负荷设计的配电系统造成冲击，因此，分析电动汽车充电行为对负荷特性的影响，研究电动汽车负荷预测模型方法，预测2020年宁波电动汽车充电设施用电需求，为宁波中心城电网布点、配电网建设、改造提供支撑，具有重要的研究价值。
2 电动汽车充电设施负特性分析
2.1 专用充电设施负荷特性分析
2.1.1超级电容公交车负荷特性
宁波已建鄞州区储能式无轨电车示范线，线路总长10.2公里，首末站分别设置4个150kW充电桩，充电时间10-20分钟；中间段设置2个70kW充电桩，充电间为15-30秒，站点最大负荷在60-120kW之间，充电设施利用效率在87%-95%之间。
2.1.2 纯电动公交车负荷特性
纯电动公交车日均行驶里程约为150km至200km，首班发车时间为5：30到6：30，末班为20：00到21：00，高峰时段发车（6：30到9：00，16：30到18：30）平均为5分钟，其余时段约10至15分钟。一次充电额定行驶里程约250km，一般在夜间进行充电（22：00至次日5：30）。现状数据分析，首末站最大负荷为145kW，中间站最大负荷为103kW。纯电动公交车充电设施内部设备利用效率一般在85%-95%之间。具体特性曲线见图1。
图1 纯电动公交充电站充电负荷曲线
2.1.3 电动出租车负荷特性
出租车日均行驶里程大约为350km至500km，12小时交接班一次。受换班、用餐和夜间运行等因素影响，其负荷特性呈分段概率分布的特点。经调研，一般每天充电2次，交流充电通常采取7kW，直流充电通常80kW。某电动出租车充电站配有1个交流充电桩、4个直流充电桩，能支撑25辆出租车日常运行，产生的最大负荷在260kW至315kW之间，电动出租车充电设施的利用效率在70%-90%之间。具体特性曲线见图2。
图2 出租车运营时间规律及特性曲线
2.1.4 私家车充电负荷特性
目前宁波主流私家车型有比亚迪E6、北汽E150EV等，续航里程为280km、130km，出行主要集中在7：00至9：00，17：00至19：00，一般，平日充电时间为8：00至17：00和18：00至次日7：00，节假日晚上22：00至次日7：00，每天充电1次即可满足日常需求。根据对某小区调研，小区总建筑面积约17.7万平方米，居民656户，设置1062个停车位，慢充桩约90个，所产生的最大负荷在500kW至530kW之间。电动私家车充电设施的利用效率在80%-90%之间。具体特性曲线见图3。
图3 含电动汽车住宅小区负荷曲线特性
2.1.5 公务车、特种车辆负荷特性
电动公务车每天充电一次，一般采用小功率（7kW）充电，充电时间为22：00至次日7：00，偶尔会在日间采用大功率充电（80kW），充电时间为10：00至17：00。支撑10辆电动公务车时，产生的最大负荷约为230kW。电动公务车充电设施的利用效率在60%至80%之间。
电动特种车每天充电一次，采用小功率充电，充电时间为22：00至次日5：00。支撑8辆电动物流车时，产生的最大负荷在245kW-260kW之间，利用效率约为70%-85%之间。支撑5辆电动环卫车时，产生的最大负荷约为160kW，利用效率约为75%。支撑10辆电动汽车时产生的最大负荷在130kW-170kW之间，利用效率约在60%-70%之间。具体特性见图4。
图4 特种车辆专用充电站充电负荷曲线
2.2 公共充电设施负荷特性分析
公共充电设施充电具有日间持续性特点。经调研，不同用地性质交直流配置数量、利用率也是不同的。具体见表1、2。
表1 不同用地性质的公共充电设施交、直流充电桩占比
表2 不同用地性质的公共充电设施利用效率
3 同时性及对系统负荷影响分析
3.1 同时性分析
从不同类型充电设施负荷发展曲线变化趋势看，除公共充电设施、超级电容公交车与电动出租车等负荷具有日间持续性特点外，其余充电设施最大负荷出现时间多为夜间，需对典型充电设施负荷时间分布函数与系统最大负荷时间函数之间关系进行拟合，拟合曲线见图5。
图5 各类充电设施最大负荷时间分布曲线拟合结果
3.2 和系统负荷拟合分析
利用仿真模型，拟合典型充电设施负荷与基础负荷曲线，如图6所示。
图6 多曲线拟合结果示意图
通过卡尔曼滤波法以及指数平滑法，各类公用充电设施最大负荷取值与系统最大负荷的同时率见表3。
表3 充电设施与电网最大负荷的同时率
4 宁波中心城充电设施负荷预测
4.1 思路及计算方法
根据《宁波中心城区电动汽车充电基础设施“十三五”发展专项规划》确定充电设施建设规模、分布；根据上述分析各类充电设施负荷特性构建预测模型；开展负荷预测。
电动汽车充电负荷测算模型以一天为时间尺度，计算时间步长为1分钟，典型汽车充电负荷可表示为：
上式中Li为第i分钟的总充电功率，N为电动汽车总量，Pn，i为第n辆电动汽车在第i分钟时的充电功率，则第 分钟总的充电负荷为：
4.2 充电设施负荷预测
4.2.1 充电设施建设规模
表4 负荷预测依据
“十三五”期间，宁波中心城将新增建设充电桩40071个。负荷预测依据见表4。
图7 电动汽车充电负荷计算流程图
4.2.2各类型充电设施新增负荷预测
2020年宁波市中心城区小轿车保有量达到3万辆时，与之配套的公共充电设施将产生21.94万kW负荷。
2020年宁波市中心城配套的专用车辆充电设施约将新增24.93万kW负荷。其中新能源公交车日常运营的充电站（中间站、首末站）产生15.65万kW负荷；纯电动出租车新增1.11万kW负荷；新能源配送物流专用车辆新增3.4万kW负荷；电动环卫汽车新增1.92万kW负荷；租赁电动汽车新增充电设施将产生0.24万kW负荷。
2020年自用充电设施新增负荷10.37万kW负荷。
计及最大负荷同时率，宁波中心城区电力设施合计新增负荷为26万kW，年平均新增电动汽车充电设施负荷约5万kW。
5.结语
1）公共充电设施负荷具有日间持续性特点，需求预测时需要考虑其交直流充电桩配置比例以及设备利用率。宁波中心城旅游用地直流充电桩为100%，其余用地直流一般70%-80%，交流一般20%-30%，设备利用率在35%-90%之间。
2）专用充电设施由于其充电车辆类型的不同，负荷特性有很大的不同。根据对新能源电动汽车、纯电动出租车、环卫车、物流配送车、特种用车等充电频度、充电时间、充电需量调研、监测数据分析等，形成了宁波中心城典型新能源车辆充电负荷特性曲线，可做为负荷预测参考。
3）根据对不同类型充电设施利用率、同时率以及和系统负荷的拟合分析，中心城区总计新增用电负荷26万kW（计及同时率），年均增加约5万kW，初步测算需新增1座110kV变电站布点，及安排相应的配电网建设与改造。
参考文献：
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[4] 杨少兵，吴命利，姜久春，等.电动汽车充电站负荷建模方法[J].电网技术，2013，37（5）：1190-1195.
作者简介：
姚 艳（1975--），女，高级工程师，主要研究方向：电网规划。
翁秉宇（1984--），男，工程师，主要研究方向：电网规划。
叶 晨（1984--），女，工程师，主要研究方向：投资计划。
卿 华（1982--），男，工程师，主要研究方向：项目前期管理。
论文作者:姚艳,翁秉宇,叶晨,卿华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/31
标签：负荷论文; 设施论文; 电动汽车论文; 特性论文; 宁波论文; 曲线论文; 充电站论文; 《电力设备》2018年第1期论文;