電動汽車規(guī)模化增長將影響到電網(wǎng)的升級改造，為能夠合理進行新增設施建設與舊有設施改造升級的規(guī)劃，需要就電動汽車推廣對電網(wǎng)帶來的影響進行定量分析。
6月18日，在中國電動汽車百人會與世界資源研究所共同舉辦的“中國電動汽車和電網(wǎng)協(xié)同路線圖研究”發(fā)布會上，雙方聯(lián)合發(fā)布了《新能源汽車如何更好地接入電網(wǎng)：中國電動汽車與電網(wǎng)協(xié)同的路線圖與政策建議》系列報告（以下簡稱報告）。其中，報告量化分析了未來電動汽車對電網(wǎng)的影響，并在此基礎上，進一步定量分析不同的車網(wǎng)協(xié)同措施能在多大程度上緩解電動汽車數(shù)量增長對電網(wǎng)的影響。
據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2019年底，全國新能源汽車保有量達381萬輛，其中純電動汽車保有量310萬輛，占新能源汽車總量81.19%。今年上半年受疫情影響，車市銷量不佳，根據(jù)乘聯(lián)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，1-5月新能源狹義乘用車累計銷量23萬輛。
而據(jù)中國汽車技術研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心在2019年的預測，在基準情景下（執(zhí)行現(xiàn)有政策），2050年中國純電動乘用車保有量將達到2.3億輛；在激進情景下（基準情景基礎上考慮2035年起實施分區(qū)域、分車型的禁燃政策），純電動乘用車保有量將在2050年上升至3.5億輛。
報告以此預測數(shù)據(jù)為基礎，以中國電動汽車充電和出行的大數(shù)據(jù)為基礎建立模型，對未來不同情景下電動汽車對發(fā)電側(cè)（宏觀層面）、配電側(cè)（微觀層面）帶來的影響進行評估，并在此基礎上進一步考慮在車網(wǎng)協(xié)同的條件下，利用電動汽車負荷的靈活特性，能夠多大程度緩解其數(shù)量增長對配電側(cè)帶來的影響。
1、未來主力軍：私家電動車的出行與充電規(guī)律
由于私家電動汽車未來將在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢，且在出行與充電行為上存在較強的隨機性，因此，對私家電動汽車出行和充電行為特征的深入了解是分析電動汽車對電網(wǎng)影響的前提。
報告以城市為單位，根據(jù)新能源汽車規(guī)模、城市經(jīng)濟發(fā)展水平的不同，選擇了8個具有代表性的城市——北京、上海、深圳、南京、蘇州、廈門、蕪湖和臨沂——對23.4萬輛私家電動汽車的數(shù)據(jù)進行分析。需要指出的是，報告所選擇的研究數(shù)據(jù)為2018年夏季（6-8月）工作日的居民出行和充電數(shù)據(jù)。
01、日行駛里程80%不超過50公里，充電頻次以一天一充為主
圖1 | 日行駛里程統(tǒng)計
私家車在工作日的出行以日常通勤為主。無論城市大小，私家電動車的日行駛里程基本一致：50%的私家電動汽車日行駛里程小于30公里，而80%的私家電動汽車日行駛里程不超過50公里。
圖2 | 充電頻次統(tǒng)計
盡管以日行駛里程推算，電動汽車搭載的動力電池容量在40-60kWh，但是從充電頻次上看，依然是以“一天一充”為主。其中，快充頻次略低于慢充，“一天一充”與“一周及以上1充”占比相當。此外，目前各個城市私家電動汽車充電以慢充為主，且以3.5kW慢充最為主流，僅有北京快充占比高達30%。
02、各地起始充電時間在細節(jié)上有差異，多傾向于一次充滿
在報告選擇的八個城市中，私家電動汽車的起始充電時間規(guī)律大致上相同，但是受到不同城市工作時間、峰谷電價差、充電樁配套完善程度等因素的影響，起始充電時間在細節(jié)上有所差異：蕪湖的起始充電時間集中在早晨7點到9點之間，表明居民是在達到辦公地點后開始充電；而蘇州、南京、廈門和臨沂的起始充電時間在集中在下午17點到晚上20點，是下班后開始充電；而北京、上海、深圳等則是集中在晚上20點之后，尤其深圳的高峰期在晚上23-24點。
圖3 | 起始充電時間
私家電動汽車快充與慢充起始充電時間差異較為明顯，但不同城市的快充、慢充規(guī)律相似。其中快充開始時間與燃油車加油時間分布類似，多發(fā)生于日間。未來快充、慢充充電比例的變化會導致全社會的充電起始時間曲線發(fā)生變化，特別是決定未來的宏觀層面充電負荷峰值是集中于夜間還是白天。而無論選擇快充還是慢充，居民在充電時更習慣于充滿。
圖4 | 不同城市快、慢充起始充電時間對比
2、不同城市場景下電動汽車如何影響電網(wǎng)？
電動汽車對發(fā)電側(cè)的影響需要結(jié)合城市特點與不同情景做具體分析。報告選擇了八個城市中差異較大的北京與蘇州進行對比分析：北京代表電動汽車市場規(guī)模大，快充占據(jù)一定比例的城市，城市用電量以居民用電和第三產(chǎn)業(yè)用電為主；蘇州則代表電動汽車規(guī)模中等，以慢充為主的城市，城市用電量以工業(yè)用電為主。
01、政策影響下不同城市的電動汽車保有量預測
考慮到兩個城市在發(fā)展新能源汽車上政策有所不同，故而兩個城市的基準情景與激進情景設定有所不同：
1. 北京基準情景：假設于2030年開始實施禁燃政策。
2. 北京激進情景：假設于2025年開始實施禁燃政策，自2030年對所有換購車輛執(zhí)行禁燃政策。
3. 蘇州基準情景：無禁燃政策，按照既有政策發(fā)展。
4. 蘇州激進情景：假設于2038年開始實施禁燃政策。
報告在此基礎上對兩個城市2035年與2050年的電動汽車保有量進行了預測。其中在新能源乘用車方面，北京激進情景下乘用車將全部為新能源車，數(shù)量預計為673萬輛；蘇州激進情景下新能源乘用車占比81%，達489萬輛。
圖5 | 北京和蘇州未來新能源乘用車保有量預測
02、城市特點決定快充比例發(fā)展
隨著大功率快充商業(yè)化，不同城市在充電類型選擇上會呈現(xiàn)異質(zhì)化。一些大型城市的停車位數(shù)量短缺，充電樁建設會面臨先天制約，如北京和廣州；另一些城市的老舊小區(qū)電網(wǎng)容量不足、缺乏配電網(wǎng)擴容條件，如西南地區(qū)的城市。
以上兩種情況下，在未來，城市相對更加依賴公共快充，快充占比可能相對更高。而在一些停車位充分、配電網(wǎng)容量充足的城市，可能仍會沿用目前慢充為主的模式，快充占比雖然會上升，但仍然會以慢充為主流。
圖6 | 北京、蘇州未來快充比例預測
03、電動車未來對全網(wǎng)用電量/負荷的影響仍存在較大變數(shù)
在基準情景與激進情景下，電動汽車的充電負荷組成與負荷曲線有顯著差異。
從用電量來看，北京2050年激進情景下，電動汽車日用電量約占北京全社會用電量的10.9%；基準情景下占比約為5.0%；蘇州2050年激進情景下，電動汽車用電量將占全社會用電量的8.6%，基準情景下的電動汽車用電量則占3.0%。
從夏季用電負荷來看（對比此前收集的夏季出行與充電數(shù)據(jù)），北京2050年激進情景下，疊加電動汽車充電后負荷峰值提高3928MW，相當于五個800MW裝機容量的發(fā)電廠滿負荷出力，日負荷的峰谷差繼續(xù)擴大；而蘇州同樣條件下，負荷峰值提高3787MW。
圖7 | 北京與蘇州2050年不同情景下夏季負荷對比
整體從宏觀看，電動車對全網(wǎng)的用電量、負荷可能造成的影響仍然存在較大變數(shù)。未來兩個城市新能源汽車對全網(wǎng)峰值負荷可能造成的影響幅度區(qū)間較大：2035年兩個城市峰值負荷增幅大致在1.6%～11.9%區(qū)間，2050年峰值負荷增幅也在3.1%～11.3%區(qū)間。這種不確定性不僅受新能源汽車未來推廣規(guī)模的影響，也受私家車快充占比和充電同時率的影響：當快充比例高時，因充電頻率降低，車輛充電功率和每次充電的電量也更高，如果快充車輛集中在同一時間充電，更易對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。
圖8 | 兩個城市電動汽車充電對全網(wǎng)峰值負荷變化影響
3、電動汽車充電模式變化如何影響配電網(wǎng)？
與對發(fā)電側(cè)的影響在中長期浮現(xiàn)不同，電動汽車無序充電對配電網(wǎng)的影響在當前已經(jīng)呈現(xiàn)，一些重載的配變系統(tǒng)和集中式大功率快充站所在的配變已經(jīng)受到影響。在配電網(wǎng)層面，電動汽車無序充電時的充電負荷隨機性更大，且隨著規(guī)模增長，充電隨機性的微小變化可能造成本地負荷的劇烈變化，導致配變超容，影響其安全穩(wěn)定運行。故而，對配電側(cè)的定量分析也就更為重要。
考慮到10kV配電線路最易受到電動汽車規(guī)模化推廣的影響，報告僅分析了10kV的情況。在10kV配變中，不同場景如住宅小區(qū)、辦公場所、商業(yè)場所等，受電動汽車充電影響的程度與緊迫性不同?？紤]到報告僅針對住宅小區(qū)定量分析了車網(wǎng)協(xié)同措施帶來的緩解效果，故文章摘取報告中住宅小區(qū)的未來電網(wǎng)負荷特征預測以及在不同車網(wǎng)協(xié)同措施下的變化數(shù)據(jù)。
01、無序充電下電網(wǎng)負荷特征
報告中設定住宅小區(qū)居民戶為1907戶，對應10kV的配變額定容量約為4200kW，目前負載率最高為54%，接近全市10kV負載率平均水平。
居民小區(qū)的配變相對脆弱，易受影響：
1.當車輛電動化比例超過25%、充電同時率超過20%，小區(qū)配變會重載；
2.當車輛電動化比例超過50%時，小區(qū)配變將面臨超載的風險。
圖9 | 不同電動汽車滲透率帶來的住宅小區(qū)用電負荷變化
電動汽車的夜間充電高峰不僅易造成小區(qū)配變超載，也加劇小區(qū)用電負荷的峰谷差。例如，當電動汽車戶滲透率50%、同時率20%時，小區(qū)用電負荷將從1052kW倍增至2299kW。這意味著，即便小區(qū)對配變做擴容，增加的變壓器也主要用于夜間20點半至23點短暫的電動汽車充電高峰時段，利用率有限。
報告指出，該案例中小區(qū)配變負載率不高，屬于全市平均水平。實際中，一些城市老舊小區(qū)本身就面臨重度負載情況，電動汽車戶均滲透率未達到25%時就有增容需要。
02、智能有序充電才能真正“削峰填谷”
有序充電可以分為兩種不同模式：
1. 峰谷電價：基于價格引導模式，引導用戶自發(fā)在“低谷”充電。
2. 智能管理：根據(jù)負荷狀態(tài)以及車輛的充電狀態(tài)，自動優(yōu)化充電的時序、功率等。
假設該居民小區(qū)100%電動化，兩種不同手段帶來的緩解程度有所不同。單純的峰谷電價只能起到延時充電的作用。從下圖可以看到，無論響應率多少，峰谷電價單一措施下住宅小區(qū)配變的用電高峰仍然徘徊80%負載率限值左右。而當50%小區(qū)電動汽車用戶參與智能有序充電后，已無配變增容的必要。
圖10 | 有序充電的削峰填谷效果
而且，隨著響應峰谷電價的電動汽車車主群體擴大，會產(chǎn)生負荷的反彈。當住宅小區(qū)所有電動汽車車主將充電延遲到凌晨開始時，反而形成了另一個用電峰值，導致小區(qū)用電高峰不降反升。峰谷電價的實施需要結(jié)合智能控制，才能實現(xiàn)最理想的削峰填谷效果。
03、雙向充放電10％參與率與有序充電50％參與率效果相當
讓電動汽車能夠在本地負荷峰值時放電，在負荷谷時充電，只需調(diào)動更少數(shù)量的電動汽車車輛，就可以實現(xiàn)比有序充電更理想的“削峰填谷”效果：10%電動汽車參與雙向充放電時，其削峰填谷效果與50%的電動汽車參與有序充電的效果相當。
圖11 | 不同車網(wǎng)協(xié)同措施對配電網(wǎng)的影響
此外，由于采用雙向充放電能更充分地利用本地配變的開放容量，本地配變基本無增容需要。
圖12 | 雙向充放電削峰填谷效果
而隨著參與V2G的車輛數(shù)增加，每輛車所貢獻的放電電量將逐漸減少，這也更滿足部分車輛臨時性出行的剛需，緩解頻繁充放電對動力電池衰減的影響。
圖13 | 參與雙向充放電車輛的V2G負荷曲線
執(zhí)筆：王珺
