谈谈中国的电动汽车充电桩基础设施

由国务院颁布的那个充电的基础设施纲要开始，近日读了几篇文章，后面懂得和不懂的人都开始评论这个事情，我们还是仔细审视一下实际的情况。

图1 全球电动汽车和充电桩设施数量 来自IEA EV Outlook 2015

中国目前有3万根充电桩，分布在整个国家来看，还是杯水车薪。

电动汽车归根到底，还是国家想将个人交通、公共交通很大一些依赖石油的能源路径往电网上转移，可是转移数量小的话没啥用，转移大了对国家的配电网影响很大。

 图2 电网简易架构图

    国内其实做了不少的Study，主要是模拟研究较多的电动汽车充电对配电网、电网本身的影响。国内有些文章做了一些学习的：

1. 田立亭 电动汽车充电功率需求的统计学建模方法

2. 黄润 电动汽车入网对电网负荷影响的研究

3. 王帆 电动汽车接入对配电网运行影响的研究与分析

4. 马玲玲 电动汽车充放电对电网影响研究综述

5. 杨冰 大规模电动汽车充电需求及影响因素

这个比较有意思的地方在于，我们可以通过我们自己的评估来分析城市和农村的充电问题。在《上海浦东核心区创建“世界一流”配电网的初步构想》中我们把示范区的情况摘出来，然后考虑在里面建充电设施是否可行。

整个系统的供电网络如下：核心区内35kV高压用户22户，10kV高压用户155户，低压非居民用户5014户，低压居民用户45272户。核心区整体最高负荷约为376MW。

· 220kV 北部电源基本来自220kV东昌站；南部来自220kV浦东、连云站。2013年平均最高负载率为58.2%（容载比为1.72）。

· 110kV 110（35）kV变电站14座，区内11座，区外3座；2013年平均最高负载率为43.6%（容载比为2.29）

· 10kV间隔利用率81.9%，间隔合用率达到15.1%。尤其北部6座严重

 图3 220/110/35/10kV 浦东示范区三级配电网

有趣的是，如果我们将来考虑在这个世博示范区，兴建大量充电桩，包括居民的停车场、商用设施如里面的购物广场，地铁沿线的停车站，再把公交的系统完全从燃油切换到充电系统，你考虑一下这个问题。

1）旧有小区的配电改造

上海宣布了一个工程叫做《老旧住宅小区电能计量表前供电设施（表前设施）维护和更新改造工程》，这个事情是：从进户线与接户线的连接处，至住宅楼内居民电表开关出线10公分处的供配电设施，包括进户线、低压分支箱、总熔丝箱、垂直母线、进层线、母线槽、保护管、电能计量表箱、电表、表前（后）保护开关等。我们如果把居民的用电习惯，通过这篇文章做个归一化考虑，其特点是明显的用电高峰实在晚上回家之后。

图4 上海居民典型的用电负荷（不同区域和不同季节）

2）电动汽车充电

想要满足多数人拥有充电新能源车的梦想，还是很困难的，主要的原因是，我国的配电网的设计是较为保守的。假定在如图5所示的小区地下停车库内为所有的电动汽车设计配电电路，这也是一个较为困难的事情，特别是地下车库也具有人防工事的属性。地下车库内电力负荷主要有风机、水泵及消防联动设备等，照明负荷主要有正常照明和应急照明负荷等，所有用电设备均为220/380V低压用电负荷。其中消防水泵、火灾自动报警、自动灭火、排烟设备、火灾应急照明及疏散指示标志等消防用电属一级负荷，地下车库平时的用电负荷为1100KW。
     1. 由于消防的要求，本身的停车位都是按照防火区的要求进行间隔的，当某个位置需要将连接线束连接的时候，需要根据法规要求进行设计。
     2. 由于本身配电系统不考虑用户在地下车库停电，充电的负荷只能从备用的负荷中取点，在各个配电柜里面连接是有限的。
     3. 由于非预装的系统，就面临先后次序干涉的问题，当电动汽车在小区内普及之时，公共区域的设计系统升级是个很复杂的问题。
     我们再考虑一下，目前普通的电动汽车一般是3.3KW、某些车是6.6KW，还有些可以达到10KW，最大是某双充20kW，按照设计考虑的负荷分10%出来（注意，本身的设计负荷需要考虑诸多问题），只能满足15～30辆车的需求，甚至更少。由上叙述，由于中国当前的配电系统设计，从电气标准上就没有考虑电动汽车，而且配电系统的更新成本耗费巨大，所以采用固定负荷叠加的办法是行不通的。

图 5 某电动汽车停车位

3）潜在的供电可靠性影响

如果考虑以上的升级因素，负载的升级对电网的供电可靠性是有一定影响的，很多时候，民店、商电工业电都合在一起，要是为了强行给电动汽车充电，设备没跟上会引起很大的问题，特别是原有的10kV的网架结构。根据材料显示，浦东2010-2012年供电可靠性为99.9820%。在国内处于较高水平，但略低于上海整体城区，与新加坡、东京、香港、巴黎等国际先进城市电网相比差距较大。

图6  10KV配电网网络架构和供电可靠性

在城市内：

1. 在没有受到任何激励的条件下，电动汽车停泊时接入电网即开始充电。用户接入电网的时间主要集中在 8:30 和 19:30 左右，所以这两个时刻的充电负荷急剧增加，负荷曲线出现了尖峰。从理论上来看，小区停车场、小区配电、社区配电以及更往上的系统，受到的负荷是肯定的。鉴于当前小区的建筑遵循的设计要求也不同，这种影响是不确定的。

2. 引入峰谷电价，用户均在谷期凌晨 0 点开始充电。在凌晨 0 点时，电网负荷急剧增长，说明电动汽车的集中充电行为给电网造成了较大的冲击，尤其是在谷期时段开始的时候。电力价格机制，对于目前略带昂贵的电动汽车影响是不大的，以后相对于汽车的费用，电费也是个小头。但是我相信这个机制发挥得好，也是有价值的。

3. 电网公司能直接控制所有电动汽车的充电行为，则其将根据电网的负荷状况来优化充电时间，此时能得到比较理想的电网负荷曲线。在IEC61851.1一开始，电动汽车充电遵循的PWM控制导引电路，就是为了有效控制电力负荷。中国的电力行业，如果能够积极参与智能充电的研究和投入，积极导引ISO15118整个车网未来通信的主导，电动汽车充电负荷对于电网而言，应该不是那么大的问题。

 图7 配电数据挖掘

所以目前电网在做的大数据调研分析，倒是一个很有趣的优化方向，当然这个阶段目前只能在某些地方使用。

小结：

1）限于篇幅，农村的问题，单独拿出来说，有时候可能某些农村的配电网由于缺乏资金投入，比东南亚稍好一些。

2）电网有着很大的实际运行经验，你要把它说的一无是处，占着优势不做充电设施是不对的，在原有配电网体系下，表面上建的充电桩，其实也是消耗它自身的负荷率资源。

这块领域，其实美国的电网结构以及日本的情况都有差异，后面陆续整理一些参考资料。电动汽车是汽车行业、电力电子、IT行业进行碰撞和交叉，仅仅依靠中国的电动汽车企业去弯道超车，而不在系统层面去考虑和度量问题，有些事情不好干啊。