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减少电动汽车对电网影响的变压器和家庭能源管理系统

R.Vicini1O.Micheloud1H.Kumar2A.Kwasinski2

1DepartmentofElectricalEngineering,Tecnolo′gicodeMonterrey,Monterrey,Me′xico

2DepartmentofElectricalandComputerEngineering,TheUniversityofTexasatAustin,AustinTX78712,USA

摘要：本研究探讨如何加快电动汽车(EV)部署，促进充电器和家庭能源管理系统的发展，以减小电动汽车电池充电对配电变压器的影响。分析采用德克萨斯州奥斯汀典型夏日实际负载功耗数据。同时结合奥斯汀胡桃街智能电网计划，考虑了电动汽车高度密集的情况。讨论首先指出由于白天和夜晚空调的使用，全天始终存在较高电耗，即使考虑电动汽车夜间充电也会出现问题。特别是，分析预测这类电动汽车密度较高的地区，以及夜间使用空调的情况下，除非充分管理电动汽车充电，否则将会缩短配电变压器使用寿命。

1引言

本文探讨了电动汽车-包括混合动力和纯电动汽车-对电网消费者的影响，特别是它怎么影响变压器和家庭能量管理系统（TEMS和HEMS）的运行。因为在电池充电时对电网、发电、输电和配电组件的运行所产生的影响，电动汽车被确定为一种对电网来说具有颠覆性的技术，特别值得关注的是增加的电动汽车充电需求对老化的配电系统的影响。

一种降低电动汽车充电影响，特别是所增加的高峰负荷的典型手段，是通过需求响应（DR）程序促使用户在夜间对他们的电动汽车充电。DR程序建立在分时或实时的可变电价的基础上。一些研究【1-3】表明，当与DR程序结合时，电动汽车充电负载的影响可以预期是良性的，甚至可以带来一些好处。例如，通过使电动汽车在非高峰时期或在可再生能源发电充裕的时候充电，特别是风能和太阳能，电动汽车充电负载与DR程序结合可以促进更好地利用电网。虽然有争议，这些出版物也表明，电动汽车可以作为电网的储能组件，帮助解决可再生能源的间歇性问题，并且可能利用智能电网的双向功能【4】，在高峰时刻把能量回馈到电网。

已经研究了对电网具有最小不利影响的几种电动汽车充电方法和场景模式【5-8】。这些电动汽车充电方法被纳入到DR程序中。尽管如此，为了使住户通过参与DR程序大幅受益并促使住户参与DR程序，需要使用HEMS，这样一来，家庭用电可以根据消费者的目标使用不同的算法进行调度优化。这些HEMS系统可以对电价信号做出反应，在减少电费的激励下，降低高峰时刻的电力消耗，或者如果可能的话通过本地发电或存储把电能销售到电网中。作为DR程序的一部分，HEMS的使用已被证明可有效降低高峰需求，提高电网在夜间的利用率，并且通过减少线路损耗帮助降低能源消耗【11】。智能电网的一个预期效果是推迟加固基础设施以服务因电动汽车充电增加的负载的相关成本。根据通过大量时间段内平均值产生的用电负荷曲线决定服务更多的负载，是基于负荷曲线会给人这样的印象：一天中会有一些电网基础设施的能力没有被充分利用的时刻。在电网没有被充分利用时，可以支持更多的负载。在发电级别和从更广泛的系统级的角度，这个前提可能是成立的，但是，在配电

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级别，有必要观察在更短时间间隔内和具有更小的集中度的负荷情况。这些考虑可能会因为更高的使用温度而降低配电变压器的寿命【13】，实际上，这种不利的情况可能会因为DR程序关联通常不相关的EV负载而恶化。因此，实际上，当电动汽车充电与DR程序相结合时，可能不仅不能像前面提到的那样让电网受益，反而会造成配电系统基础设施的过载，尤其是对变压器，如果其配电能力没有增强以支持增加的电动汽车的需求。

因此，本文探索了电动汽车对变压器寿命损失造成的影响，和为了解决电动汽车充电对配电变压器的潜在影响而替代TEMS和HEMS的方案。首先，为了评估电动汽车充电对配电变压器的潜在影响，第二节使用了来自德克萨斯州奥斯汀市在夏季时间的实际负荷数据，在预计附近有大约100辆电动汽车的1平方英里范围内【15】，第三节，提供了估算变压器因在第二节中提到的过载场景而降低的使用寿命的计算方法，然后，第四节通过探索一种通过TEMS和HEMS减轻电动汽车充电影响的潜在方法，讨论了第二节中的影响，第五节通过总结在这项研究中观察到的主要经验教训给出了讨论的结论，所有的仿真都是采用MATLAB进行的。

2电动汽车充电对变压器的影响