電動(dòng)汽車規(guī)模化增長將影響到電網(wǎng)的升級(jí)改造，為能夠合理進(jìn)行新增設(shè)施建設(shè)與舊有設(shè)施改造升級(jí)的規(guī)劃，需要就電動(dòng)汽車推廣對(duì)電網(wǎng)帶來的影響進(jìn)行定量分析。
6月18日，在中國電動(dòng)汽車百人會(huì)與世界資源研究所共同舉辦的“中國電動(dòng)汽車和電網(wǎng)協(xié)同路線圖研究”發(fā)布會(huì)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(dòng)汽車與電網(wǎng)協(xié)同的路線圖與政策建議》系列報(bào)告（以下簡(jiǎn)稱報(bào)告）。其中，報(bào)告量化分析了未來電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(dòng)汽車數(shù)量增長對(duì)電網(wǎng)的影響。
據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，全國新能源汽車保有量達(dá)381萬輛，其中純電動(dòng)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(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)，1-5月新能源狹義乘用車?yán)塾?jì)銷量23萬輛。
而據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心在2019年的預(yù)測(cè)，在基準(zhǔn)情景下（執(zhí)行現(xiàn)有政策），2050年中國純電動(dòng)乘用車保有量將達(dá)到2.3億輛；在激進(jìn)情景下（基準(zhǔn)情景基礎(chǔ)上考慮2035年起實(shí)施分區(qū)域、分車型的禁燃政策），純電動(dòng)乘用車保有量將在2050年上升至3.5億輛。
報(bào)告以此預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以中國電動(dòng)汽車充電和出行的大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立模型，對(duì)未來不同情景下電動(dòng)汽車對(duì)發(fā)電側(cè)（宏觀層面）、配電側(cè)（微觀層面）帶來的影響進(jìn)行評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮在車網(wǎng)協(xié)同的條件下，利用電動(dòng)汽車負(fù)荷的靈活特性，能夠多大程度緩解其數(shù)量增長對(duì)配電側(cè)帶來的影響。
1、未來主力軍：私家電動(dòng)車的出行與充電規(guī)律
由于私家電動(dòng)汽車未來將在數(shù)量上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，且在出行與充電行為上存在較強(qiáng)的隨機(jī)性，因此，對(duì)私家電動(dòng)汽車出行和充電行為特征的深入了解是分析電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)影響的前提。
報(bào)告以城市為單位，根據(jù)新能源汽車規(guī)模、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不同，選擇了8個(gè)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(duì)23.4萬輛私家電動(dòng)汽車的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。需要指出的是，報(bào)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(jì)
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(dòng)車的日行駛里程基本一致：50%的私家電動(dòng)汽車日行駛里程小于30公里，而80%的私家電動(dòng)汽車日行駛里程不超過50公里。
圖2 | 充電頻次統(tǒng)計(jì)
盡管以日行駛里程推算，電動(dòng)汽車搭載的動(dòng)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(dāng)。此外，目前各個(gè)城市私家電動(dòng)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(dá)30%。
02、各地起始充電時(shí)間在細(xì)節(jié)上有差異，多傾向于一次充滿
在報(bào)告選擇的八個(gè)城市中，私家電動(dòng)汽車的起始充電時(shí)間規(guī)律大致上相同，但是受到不同城市工作時(shí)間、峰谷電價(jià)差、充電樁配套完善程度等因素的影響，起始充電時(shí)間在細(xì)節(jié)上有所差異：蕪湖的起始充電時(shí)間集中在早晨7點(diǎn)到9點(diǎn)之間，表明居民是在達(dá)到辦公地點(diǎn)后開始充電；而蘇州、南京、廈門和臨沂的起始充電時(shí)間在集中在下午17點(diǎn)到晚上20點(diǎn)，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(diǎn)之后，尤其深圳的高峰期在晚上23-24點(diǎn)。
圖3 | 起始充電時(shí)間
私家電動(dòng)汽車快充與慢充起始充電時(shí)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(shí)間與燃油車加油時(shí)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(huì)導(dǎo)致全社會(huì)的充電起始時(shí)間曲線發(fā)生變化，特別是決定未來的宏觀層面充電負(fù)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(shí)更習(xí)慣于充滿。
圖4 | 不同城市快、慢充起始充電時(shí)間對(duì)比
2、不同城市場(chǎng)景下電動(dòng)汽車如何影響電網(wǎng)？
電動(dòng)汽車對(duì)發(fā)電側(cè)的影響需要結(jié)合城市特點(diǎn)與不同情景做具體分析。報(bào)告選擇了八個(gè)城市中差異較大的北京與蘇州進(jìn)行對(duì)比分析：北京代表電動(dòng)汽車市場(chǎng)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(dòng)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(dòng)汽車保有量預(yù)測(cè)
考慮到兩個(gè)城市在發(fā)展新能源汽車上政策有所不同，故而兩個(gè)城市的基準(zhǔn)情景與激進(jìn)情景設(shè)定有所不同：
1. 北京基準(zhǔn)情景：假設(shè)于2030年開始實(shí)施禁燃政策。
2. 北京激進(jìn)情景：假設(shè)于2025年開始實(shí)施禁燃政策，自2030年對(duì)所有換購車輛執(zhí)行禁燃政策。
3. 蘇州基準(zhǔn)情景：無禁燃政策，按照既有政策發(fā)展。
4. 蘇州激進(jìn)情景：假設(shè)于2038年開始實(shí)施禁燃政策。
報(bào)告在此基礎(chǔ)上對(duì)兩個(gè)城市2035年與2050年的電動(dòng)汽車保有量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。其中在新能源乘用車方面，北京激進(jìn)情景下乘用車將全部為新能源車，數(shù)量預(yù)計(jì)為673萬輛；蘇州激進(jìn)情景下新能源乘用車占比81%，達(dá)489萬輛。
圖5 | 北京和蘇州未來新能源乘用車保有量預(yù)測(cè)
02、城市特點(diǎn)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(huì)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(shè)會(huì)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(kuò)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(duì)更加依賴公共快充，快充占比可能相對(duì)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(huì)沿用目前慢充為主的模式，快充占比雖然會(huì)上升，但仍然會(huì)以慢充為主流。
圖6 | 北京、蘇州未來快充比例預(yù)測(cè)
03、電動(dòng)車未來對(duì)全網(wǎng)用電量/負(fù)荷的影響仍存在較大變數(shù)
在基準(zhǔn)情景與激進(jìn)情景下，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷組成與負(fù)荷曲線有顯著差異。
從用電量來看，北京2050年激進(jìn)情景下，電動(dòng)汽車日用電量約占北京全社會(huì)用電量的10.9%；基準(zhǔn)情景下占比約為5.0%；蘇州2050年激進(jìn)情景下，電動(dòng)汽車用電量將占全社會(huì)用電量的8.6%，基準(zhǔn)情景下的電動(dòng)汽車用電量則占3.0%。
從夏季用電負(fù)荷來看（對(duì)比此前收集的夏季出行與充電數(shù)據(jù)），北京2050年激進(jìn)情景下，疊加電動(dòng)汽車充電后負(fù)荷峰值提高3928MW，相當(dāng)于五個(gè)800MW裝機(jī)容量的發(fā)電廠滿負(fù)荷出力，日負(fù)荷的峰谷差繼續(xù)擴(kuò)大；而蘇州同樣條件下，負(fù)荷峰值提高3787MW。
圖7 | 北京與蘇州2050年不同情景下夏季負(fù)荷對(duì)比
整體從宏觀看，電動(dòng)車對(duì)全網(wǎng)的用電量、負(fù)荷可能造成的影響仍然存在較大變數(shù)。未來兩個(gè)城市新能源汽車對(duì)全網(wǎng)峰值負(fù)荷可能造成的影響幅度區(qū)間較大：2035年兩個(gè)城市峰值負(fù)荷增幅大致在1.6%～11.9%區(qū)間，2050年峰值負(fù)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(shí)率的影響：當(dāng)快充比例高時(shí)，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(shí)間充電，更易對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。
圖8 | 兩個(gè)城市電動(dòng)汽車充電對(duì)全網(wǎng)峰值負(fù)荷變化影響
3、電動(dòng)汽車充電模式變化如何影響配電網(wǎng)？
與對(duì)發(fā)電側(cè)的影響在中長期浮現(xiàn)不同，電動(dòng)汽車無序充電對(duì)配電網(wǎng)的影響在當(dāng)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(dòng)汽車無序充電時(shí)的充電負(fù)荷隨機(jī)性更大，且隨著規(guī)模增長，充電隨機(jī)性的微小變化可能造成本地負(fù)荷的劇烈變化，導(dǎo)致配變超容，影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行。故而，對(duì)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(dòng)汽車規(guī)?；茝V的影響，報(bào)告僅分析了10kV的情況。在10kV配變中，不同場(chǎng)景如住宅小區(qū)、辦公場(chǎng)所、商業(yè)場(chǎng)所等，受電動(dòng)汽車充電影響的程度與緊迫性不同?？紤]到報(bào)告僅針對(duì)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(bào)告中住宅小區(qū)的未來電網(wǎng)負(fù)荷特征預(yù)測(cè)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(fù)荷特征
報(bào)告中設(shè)定住宅小區(qū)居民戶為1907戶，對(duì)應(yīng)10kV的配變額定容量約為4200kW，目前負(fù)載率最高為54%，接近全市10kV負(fù)載率平均水平。
居民小區(qū)的配變相對(duì)脆弱，易受影響：
1.當(dāng)車輛電動(dòng)化比例超過25%、充電同時(shí)率超過20%，小區(qū)配變會(huì)重載；
2.當(dāng)車輛電動(dòng)化比例超過50%時(shí)，小區(qū)配變將面臨超載的風(fēng)險(xiǎn)。
圖9 | 不同電動(dòng)汽車滲透率帶來的住宅小區(qū)用電負(fù)荷變化
電動(dòng)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(fù)荷的峰谷差。例如，當(dāng)電動(dòng)汽車戶滲透率50%、同時(shí)率20%時(shí)，小區(qū)用電負(fù)荷將從1052kW倍增至2299kW。這意味著，即便小區(qū)對(duì)配變做擴(kuò)容，增加的變壓器也主要用于夜間20點(diǎn)半至23點(diǎn)短暫的電動(dòng)汽車充電高峰時(shí)段，利用率有限。
報(bào)告指出，該案例中小區(qū)配變負(fù)載率不高，屬于全市平均水平。實(shí)際中，一些城市老舊小區(qū)本身就面臨重度負(fù)載情況，電動(dòng)汽車戶均滲透率未達(dá)到25%時(shí)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(jià)：基于價(jià)格引導(dǎo)模式，引導(dǎo)用戶自發(fā)在“低谷”充電。
2. 智能管理：根據(jù)負(fù)荷狀態(tài)以及車輛的充電狀態(tài)，自動(dòng)優(yōu)化充電的時(shí)序、功率等。
假設(shè)該居民小區(qū)100%電動(dòng)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(jià)只能起到延時(shí)充電的作用。從下圖可以看到，無論響應(yīng)率多少，峰谷電價(jià)單一措施下住宅小區(qū)配變的用電高峰仍然徘徊80%負(fù)載率限值左右。而當(dāng)50%小區(qū)電動(dòng)汽車用戶參與智能有序充電后，已無配變?cè)鋈莸谋匾?
圖10 | 有序充電的削峰填谷效果
而且，隨著響應(yīng)峰谷電價(jià)的電動(dòng)汽車車主群體擴(kuò)大，會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷的反彈。當(dāng)住宅小區(qū)所有電動(dòng)汽車車主將充電延遲到凌晨開始時(shí)，反而形成了另一個(gè)用電峰值，導(dǎo)致小區(qū)用電高峰不降反升。峰谷電價(jià)的實(shí)施需要結(jié)合智能控制，才能實(shí)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(dāng)
讓電動(dòng)汽車能夠在本地負(fù)荷峰值時(shí)放電，在負(fù)荷谷時(shí)充電，只需調(diào)動(dòng)更少數(shù)量的電動(dòng)汽車車輛，就可以實(shí)現(xiàn)比有序充電更理想的“削峰填谷”效果：10%電動(dòng)汽車參與雙向充放電時(shí)，其削峰填谷效果與50%的電動(dòng)汽車參與有序充電的效果相當(dāng)。
圖11 | 不同車網(wǎng)協(xié)同措施對(duì)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(xiàn)的放電電量將逐漸減少，這也更滿足部分車輛臨時(shí)性出行的剛需，緩解頻繁充放電對(duì)動(dòng)力電池衰減的影響。
圖13 | 參與雙向充放電車輛的V2G負(fù)荷曲線
執(zhí)筆：王珺
