电动汽车大规模充电对电网经济性的影响评价

 杨方，张义斌，何博，白翠粉

 （国网能源研究院，北京  102209）

摘要：电动汽车对节能减排、应对气候变化具有重要作用。为满足日益规模化的电动汽车充电需求，电网在建设、运行等多个方面都需要加大投入、积极适应。提出了一种综合评估电动汽车规模化充电对电网经济性影响的指标体系和计算方法，建立了建设经济性、运行经济性和社会经济性3个分析维度，提出了衡量电网相关投资和效益的货币化指标体系，分析了有序充电和无序充电模式对电网经济性的影响，并以典型地区为例研究了不同电动汽车渗透率和不同充电模式对电网经济性的影响。

关键词：电动汽车；电网；经济性；规模化；评价

O引言

 随着能源危机、环境危机的日益加剧，环保、节能已成为世界普遍关注的热点。全球范围内电动汽车正呈现快速发展态势，预计2020年中国电动汽车保有量将超过500万辆。电动汽车的发展可以带来显著的节能减排效益，但同时，为满足大规模的电动汽车充电需求，需要建设大量充电设施．并对电网进行相应的扩建升级。此外，电动汽车在充电时作为一种大容量的非线性负荷，不同的充电模式还可能引起电网负荷峰谷差增大、网损增加和电能质量下降等问题。一些学者围绕电动汽车发展所带来的效益以及潜在影响开展了研究。文献[3-6]分析了电动汽车在减少排放、参与辅助服务以及系统凋峰等方面的效益；文献[7]从电网运行角度分析了配电网接纳电动汽车充电负荷的能力：文献[8]分析了微电网中电动汽车的微观经济性；文献[9-10]对澳大利亚国家电力市场电动汽车接入的整体经济性进行了分析。

 未来，中国电动汽车充电设施及配套电网建设投入将不断增加，如何在规划、建设、运行等各个层面实现科学决策和协调配合需要从整体经济性的角度进行评估和分析，这不仅有利于指导电网建设、挖掘已有电网潜力，促进投入产出的经济合理，还有利于通过建设与运行层面的协同提高电网运行和充电服务的安全可靠。借鉴国内外对智能电网综合效益及投入产出评估的思路，本文提出了一种综合评估电动汽车规模化充电对电网经济性影响的指标体系和计算方法，从建设、运行2个层面分析为满足充电需求所带来的基础设施投入成本，从经济和社会2个层面分析所带来的综合效益，通过货币化指标对整体经济性的影响进行评价。针对所研究地区，通过蒙特卡洛模拟和定量计算，可分析不同电动汽车渗透率、不同充电模式对电网经济性的整体影响。

1构建思路

 电动汽车对电网的影响主要体现为充电负荷与电网原有负荷的叠加加重了电网负担，将会对电网自身的规模和运行带来新需求，也同时产生一定的经济和社会效益。在评估体系上本文着重突出3个特点。

 (1)综合考虑基础设施对经济社会发展综合投入产出效益。因此，在衡量产出效益时，应考虑电动汽车充电对电网调峰、促进清洁能源消纳利用以及对减少污染物和温室气体排放的贡献作用。引导电动汽车低谷充电，可对风能的反调峰特性形成互补，远期借助V2G技术，部分电动汽车还可以参与调峰、调频等辅助服务，降低可再生能源消纳成本。

 (2)运用货币化指标来表征各项成本投入和效益．通过整体投入与整体效益的差值来显性刻画经济性水平，并可以量化分析不同因素对经济性的影响程度。

 (3)将运行层面电动汽车无序充电和有序充电模式作为影响电网整体经济性的重要因素。电动汽车是大功率、移动式、可调节负荷，若不加控制、无序充电，会显著增加负荷峰值，致使新增基础设施实际利用率和经济效益不高。从提高经济性的角度，有序引导和控制．可以进一步挖掘存量设施利用潜力，提高效率，减少投入。

基于上述分析，本文建立了考虑3个维度的经济性评估框架，如图1所示，以式(1)作为量化指标的基本方式。

按照图1所示总体构建框架．电动汽车大规模充电对电网经济性的影响可以刻划为

式中：k为有序或无序充电模式：I为综合效益，包括建设、运行和社会效益3个领域：C为成本投入，包括建设和运行等环节；E为经济性程度，由货币型指标表示。

2指标体系及量化

基于上述总体框架，本文提出了一套量化评估电动汽车规模化充电对电网经济性影响的指标体系，如图2所示。

衡量经济性主要从建设经济性、运行经济性和社会经济性3个方面．作为一级指标．各一级评价指标下设多个二级指标。其成本和效益分类如表1所示。

2.1  建设经济性

 建设环节主要以成本投入为主．通过优化需求、提高效率减少不必要投资，提高经济性。用输电扩容、配电扩容、调峰电源扩容和充电设施建设4个量化指标来衡量。电动汽车分散接入下，充电引起的负荷增长主要集中在配电网层面．对输电网的影响很有限，所以暂不考虑输电网扩容需求。

 (1)配电网扩容。充电桩一般接入0.4 kV配电网，高比例接入下将对0.4 kV. 10 kV以及110—35 kV各级配电线路和变电容量提出扩建需求，其成本投入为

(3)充电设施建设。假设交流桩与直流桩之间的配置比例为8:1．根据国家政策导向取值区间设为20-40。充电设施建设投入为

式中：Q总充电需求为区域内全年电动汽车充电总需求：(I为设施冗余度，若考虑50%的冗余水平，充电设施容量建设需求为充电需求增加量的2倍；T交流和T直流分别为交流慢充桩和直流快充桩的日利用小时数；C交流和C自流分别为交流慢充桩和直流快充桩的单位充电成本。参照已有电动汽车充电设施没计和实施取值。采用年限直线折旧法计算每年充电设施建设费用，折旧年限取5。

2.2  运行经济性

 运行环节本文重点从充电服务收入、运行维护费用以及电网运行效率的间接效益3个方面建立量化指标。

 (1)充电服务收入。从充电设施运营的角度，从设施使用费和充电电费以及从政府获得的补贴等3个渠道获得收入。

式中：I使用费为用户使用公共充电设施所缴纳的服务费用，由地方政府制定相应标准；，电费为用户缴纳的充电电费，通常公共充电设施执行大工业电价．私人充电设施执行居民用电电价；I +贴为政府提供的直接补贴。

(2)运行维护费用。运行环节的成本在不计及财务费用下，主要包括电费成本和运行维护费。

式中：运维费中包括人工成本、材料费和修理费等．本文按照固定资产乘以综合运维费率估算。

(3)供电质量及网损。采用负荷波动方差估算网损变化的经济性。

式中：Ao_2。。为大规模电动汽车充电下引起的负荷波动方差变化值；Q．，。为当前年度网损电量；P电价为电价。

2.3社会经济性

车辆行驶所排放的主要温室气体与污染气体包括CO2、CO、含硫氧化物、NO。、碳氢化合物五大种类。按照各种污染物和温室气体市场交易价格．进一步折算社会经济效益。

式中：P( C02),P(CO),P( SO.),P( NO.),P( CH,)分别为5种排放物的市场交易价格；△Q (C02)，AQ(CO)，△Q(s0，)，AQ(NO。)，AQ(CH\)为减排量。

3计算方法

 用户充电行为是影响电动汽车充电负荷特性的关键因素，是电网经济性评价指标的前提条件。由于电动汽车不同的充电模式对电网经济性的影响很大。本文基于蒙特卡洛模拟的方法分别建立有序充电和无序充电行为模型。

 (1)抵达充电设施充电的电动汽车数量符合齐次泊松过程，即在一定时间范围t内，充电电动汽车数量s的概率分布满足

式中：A为车辆抵达充电设施的到达率；A，为充电车辆数量的期望值，取决于每辆车的日平均充电次数。

 (2)用不同的充电时段和到达率模拟有序充电和无序充电模式。无序充电行为是指电动汽车用户在缺乏引导的情况下自行充电的行为。由于用户一般集中在白天出行，且充电往往与停车相结合．所以充电行为也集中在白天电网负荷较重的时段发生。有序充电行为指用户根据峰谷价差引导至夜晚低谷期间充电。参考已有文献对电动汽车充电策略的描述方法，本文假设无序充电模式下，车辆开始充电时间集中在07:00 -19:00，且车辆在该时段内的到达率相同；为研究有序充电行为下电网最大负荷增长率，假设有序充电模式下．车辆在07:00-19:00和19:00-24:00这2个时间段的到达率分别为A．和A2，且A1=A2/2。

 (3)电动汽车充电前SOC（剩余电量占电池容量的比例）服从均值为0.4，标准差为0.1的正态分布。

 (4)车辆平均每1.8天进行一次快充（按照充电前SOC=0.4．平均日用电量8 kW-h进行计算）。

 (5)用户每次都充满电量，即交流慢充充电时间服从均值为2.06 h的正态分布，直流快充时间服从均值为0.36 h的正态分布。

 (6)用户随机选择交流慢充与直流快充，由于交流慢充桩与直流快充桩数量比为8:1，所以用户选择交流慢充与直流快充的比例为8:1。

 在上述用户行为模拟的基础上．分别得到电动汽车在无序充电和有序充电2种模式下的年度充电负荷曲线，进而运用式(1)~(10)对区域电动汽车充电对电网经济性的影响进行量化计算。

4实例分析

本文以某特大型城市为研究对象．应用提出的经济性综合评价方法，比较研究不同渗透率下，采用无序充电与有序充电模式对电网经济性的影响。选取截止2014年年底该地区的电动汽车和电网的基本数据：机动车保有量543万辆，全社会用电量为913.11亿kW．h。分别按照渗透率10%和20%，折合年行驶里程99.1亿km和198.2亿km，模拟计算年度充电负荷曲线。主要参数如表2所示。

经济性评价参数取值：网损率取2013年国家电网平均网损率6.53%．充电价格按北京地区一般居民电价取0.48元／(kW -h)。C02、CO、NO。、硫氧化物和碳氢化合物减排交易价格按北京环境交易所污染物及温室气体排放价格．参照标准分别取52元／t、70元/t、8 000元／t、6 400元／t和1 000元／t。110 kV以下所有等级配电网单位干伏安扩容总成本近似取0.4万元．调峰电源建设参考中国抽水蓄能电站平均成本取0.35万元/kW。根据国家电网充换电设施造价标准．按照交流慢充桩功率为7 kW,没备及安装工程造价0.8万元，折合单位造价0.11万元/kW,日利用小时数1.5 h：直流快充桩40 kW,设备及安装工程造价14.5万元．折合单位造价0.36万元/kW,日利用小时数1.0 h，充电服务费0.6元／(kW -h)．综合运维费率10%．设施冗余度2。如表3所示。

 从表3可以看出：(1)充电行为是否有序引导对电网整体经济性影响显著。无序充电模式下，电网基础设施和充电设施建设投入显著增加：采取有序充电模式．电网和充电设施利用率提升．建设环节投入明显减少．运行环节由于削峰填谷效益增加了额外的收益：在不影响用户使用车辆的前提下．2种模式下由车辆以电代油带来的减排效益相同。(2)考察10010和20%的渗透率情景，随着电动汽车渗透率的提升，充电行为对电网整体经济性的影响呈正向放大作用。高渗透率电动汽车的无序充电将造成严重的公共基础设施浪费。因此，推动电动汽车大规模发展的同时．需高度重视有序充电技术推广以及配套的价格机制引导用户有序与电网互动。

5结语

 本文提出了一种电动汽车规模化充电对电网经济性影响的广义评价方法，从建设经济性、运行经济性和社会经济性3个维度提出了评价指标．给出了定量测算方法，并以某特大型城市为例进行了案例分析。本文提出的评价体系是立足于整体基础设施经济性．为政府及相关各方明晰推动电动汽车发展中基础设施领域面临的主要经济性因素提供分析框架。作为社会开放领域，电动汽车充电服务的利益相关方众多，还需立足于相关方视角开展微观经济性分析，以进一步研究政策补贴的对象与模式，推动行业健康有序发展。