基于真实配电网的电动汽车有序充电协调策略研究：提升变压器承载能力与系统灵活性

《IEEE Open Access Journal of Power and Energy》：Maximizing Grid Support of Electric Vehicles by Coordinating Residential Charging: Insights from an Arizona Feeder Case Study

为解决高功率家用充电桩普及导致的配电网变压器过载风险，研究人员开展了一项关于电动汽车(EV)有序充电协调策略的研究。该研究提出了一种新颖的优化算法，旨在最大化住宅区EV充电量，同时确保变压器不超载。研究结果表明，该策略能有效管理大量EV充电负荷，显著提升配电网的承载能力(Hosting Capacity, HC)，并为未来基础设施升级提供了优先排序依据。该框架为电力公司进行配电网规划提供了宝贵的参考工具。

　　

随着全球对减少碳排放的呼声日益高涨，电动汽车(EV)正迅速成为交通领域的新宠。然而，这股绿色浪潮的背后，却给城市的基础设施带来了前所未有的压力。想象一下，当夜幕降临，成百上千的电动汽车同时插上高功率的家用充电桩，瞬间激增的电力需求如同一场突如其来的“晚高峰”，极易导致为社区供电的变压器不堪重负，甚至引发故障。这种“成长的烦恼”正成为电力公司面临的一项严峻挑战。

传统的解决方案是斥巨资升级电网设备，但这不仅成本高昂，而且耗时漫长。面对日益增长的EV保有量，电力公司迫切需要一种更智能、更经济的方式来管理充电负荷。为此，来自亚利桑那州立大学和盐河项目(SRP)的研究团队开展了一项开创性研究，旨在通过一种智能的“有序充电”策略，在不升级硬件的前提下，最大限度地挖掘现有配电网的潜力，为更多电动汽车提供充电服务。

这项研究发表在《IEEE Open Access Journal of Power and Energy》上，提出了一种全新的优化算法。该算法能够像一位“智能管家”一样，根据电网的实时负荷、分时电价以及车主的出行习惯，为每辆电动汽车制定最优的充电时间表。其核心目标是：在确保变压器安全运行的前提下，尽可能满足所有车主的充电需求，并帮助他们节省电费。

为了开展这项研究，研究人员采用了多学科交叉的技术方法。首先，他们利用真实世界的先进计量基础设施(AMI)数据，获取了亚利桑那州一个包含120台变压器的实际馈线的历史负荷数据，确保了分析的准确性。其次，他们整合了美国国家家庭出行调查(NHTS)的数据，以模拟EV车主的真实出行和停车模式，使模型更贴近现实。最后，他们构建了一个混合整数线性规划(MILP)模型，该模型综合考虑了变压器容量限制、EV充电功率、电池状态(SOC)以及分时电价(TOU)等多种因素，通过求解该模型来生成最优的充电调度方案。

研究结果

1. 配电网负荷特征分析

通过对AMI数据的深入分析，研究人员发现配电网的负荷呈现出显著的季节性和日间波动性。7月份的负荷最高，而3月份的负荷最低，这主要与亚利桑那州夏季空调使用量激增有关。此外，负荷曲线在一天内也表现出明显的峰谷特征，通常在下午和傍晚达到峰值。这些特征为制定有序充电策略提供了重要的依据，即通过将充电负荷从高峰时段转移至低谷时段，可以有效缓解电网压力。

2. 不同充电功率下的协调效果

研究对比了7.2 kW和11.5 kW两种充电功率下的协调效果。结果显示，在11.5 kW的高功率充电模式下，系统能够以更高的成功率容纳期望数量的EV。例如，对于一台50 kVA的变压器，在7.2 kW功率下，成功容纳3辆EV的概率为93.73%；而在11.5 kW功率下，这一概率提升至98.67%。这一发现与直觉相悖，通常认为高功率充电会更快地耗尽变压器容量。但研究指出，由于EV车主通常只在有限的时间窗口内（如下班后至睡觉前）进行充电，更高的充电功率意味着能在更短的时间内完成充电，从而更灵活地避开电网高峰，反而提升了系统的承载能力。

3. 馈线级评估与变压器性能差异

研究对馈线中的120台变压器进行了全面评估。结果发现，即使容量和用户数量相同的变压器，其EV承载能力也可能存在巨大差异。例如，两台容量均为75 kVA、服务15户家庭的变压器T₆₂和T₉₆，在7月份，T₆₂能够成功容纳8辆EV的概率为76.67%，而T₉₆的成功率则为0%。这种差异主要源于不同变压器所服务用户的用电习惯和负荷特性的不同。这一发现强调了进行个体化变压器评估的重要性，而非简单地根据容量进行一刀切的规划。

4. 季节性对承载能力的影响

研究还揭示了季节性因素对EV承载能力的显著影响。总体而言，3月份（低负荷季节）的EV承载能力普遍优于7月份（高负荷季节）。例如，对于变压器T₅₄，在3月份成功容纳5辆EV的概率为88.53%，而在7月份这一概率降至0%。这表明，电网的“余量”在夏季用电高峰期会大幅缩减，对EV充电的管理提出了更高的要求。

结论与讨论

本研究成功开发并验证了一个端到端的框架，用于全面评估配电网的电动汽车承载能力。研究结论表明，所提出的有序充电协调算法能够有效管理大量EV充电负荷，在避免变压器过载的同时，显著提升了系统的承载能力。该策略为电力公司提供了一种经济高效的解决方案，使其能够在不进行大规模基础设施升级的情况下，支持EV的快速增长。

研究的一个重要发现是，高功率充电（11.5 kW）在考虑真实出行模式的情况下，反而比低功率充电（7.2 kW）具有更高的承载能力。这为未来家用充电桩技术的发展方向提供了参考，即开发更高功率的智能充电设备，配合有效的协调策略，可以更高效地利用电网资源。

此外，研究还强调了进行个体化变压器评估的必要性。由于用户用电习惯的差异，即使是规格相同的变压器，其EV承载能力也可能天差地别。因此，电力公司在进行电网规划时，必须对每台变压器进行详细的评估，以识别出最薄弱的环节，并优先对其进行升级或改造。

总之，这项研究为电力公司提供了一套可扩展且稳健的框架，用于评估和管理现实世界配电网中的EV承载能力。通过将真实数据、用户行为建模和优化算法相结合，该框架能够帮助电力公司更自信地规划未来，确保电网在迎接电动汽车时代时，能够保持安全、可靠和高效。