《Next Energy》：Flexible hosting capacity: Integrating electric vehicles, photovoltaics, and battery energy storage into distribution grid planning in New England
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本文针对高比例分布式能源（DER）接入导致配电网承载能力受限的问题，研究团队以新英格兰地区典型馈线为对象，开展了整合电动汽车（EV）、光伏（PV）和电池储能系统（BESS）的动态承载容量规划研究。通过时序仿真比较五种DER管理策略（基线、无管理、分时电价、DER管理系统（DERMS）、DERMS+车网互动（V2G）），结果表明，主动协调管理（DERMS）可将承载容量从无管理状态的25%提升至60%，并显著降低电压违规和变压器加速老化因子（FAA）。研究证实主动协调和V2G能大幅扩展DER承载容量，增强电网韧性，为高比例可再生能源并网提供了关键技术路径。
随着新英格兰地区各州雄心勃勃的可再生能源组合标准（Renewable Portfolio Standards）的推进，以及交通部门电气化的快速发展，配电网正经历一场深刻的变革。电动汽车（EV）作为一种重要的新型负荷类别，正迅速进入居民配电网络。与此同时，包括屋顶光伏（PV）系统和电池储能系统（BESS）在内的分布式能源资源（DER）的大规模部署，给配电系统带来了前所未有的波动性和双向功率流。传统的静态承载容量评估方法，通常基于静态最坏情况假设来评估最大允许的光伏渗透率，已难以应对高比例DER并网引入的动态和随机行为。特别是，无管理的电动汽车充电会在傍晚高峰时段产生高度集中的负荷尖峰，而午间低负荷时期的高光伏发电则可能引起电压升高和反向功率流条件，这些挑战对馈线的热稳定和电压调节极限构成压力，降低了运行可靠性并缩短了资产寿命。
为了应对这些挑战，发表在《Next Energy》上的研究《Flexible hosting capacity: Integrating electric vehicles, photovoltaics, and battery energy storage into distribution grid planning in New England》进行了一项深入的研究。该研究旨在评估主动协调策略在提升配电网对DER的承载能力方面的潜力，并为新英格兰地区老化和受限的配电基础设施规划提供直接见解。
研究人员采用了一种动态承载容量分析框架，对一个典型的新英格兰城市-郊区馈线模型进行了为期一年的时间序列仿真（15分钟分辨率）。研究设计了五种渐进式的DER整合场景进行对比分析：仅包含固有负荷的基线场景、DER无协调运行的场景、实施分时电价（TOU）进行被动管理的场景、采用分布式能源管理系统（DERMS）进行主动协调的场景，以及结合了DERMS和车网互动（V2G）功能的最高灵活性场景。研究中，电动汽车充电曲线基于国家可再生能源实验室的EVI-Pro Lite数据库随机生成，光伏发电曲线则源自典型气象年数据并针对区域辐照模式进行了调整。仿真过程详细模拟了负荷聚合、DER运行、变压器热行为（基于IEEE C57.91标准计算绕组最热点温度和加速老化因子FAA）以及承载约束评估。动态承载裕度被定义为每个时间步长下，考虑电压和热约束的可用容量边际，用以量化系统的实时灵活性。
3.1. 变压器负载与热老化
研究结果显示，不同的DER管理策略对变压器负载曲线和热老化具有显著影响。在无管理DER场景下，傍晚集中的电动汽车充电导致变压器负载峰值平均超过0.95 pu，导致18%的变压器其加速老化因子超过2.0，意味着绝缘老化速率是额定条件的两倍以上。分时电价策略通过将充电转移至夜间低谷期，使傍晚峰值负载降低了约17%，但引入了新的夜间负载峰值，仍有9%的变压器FAA值高于1.5。相比之下，DERMS协调控制通过优化电动汽车充电时序、电池储能调度和光伏逆变器无功支撑，成功地压平了日负载曲线，将每日峰值负载限制在0.65 pu以下，使得97%的变压器的FAA值降至1.2或以下。在结合了V2G功能的DERMS + V2G场景中，电动汽车在高峰时段向电网放电，进一步将峰值变压器负载降低至0.55 pu以下，并且所有变压器在一年中的FAA值均未超过1.1，显著延长了设备寿命。
3.2. 电压调节性能
在电压合规性方面，基线场景下电压违规时间小于0.1%。无管理DERs导致电压违规时间显著增加至6.7%的仿真时段，主要表现为午间光伏发电引起的过电压和傍晚电动汽车充电引起的欠电压。分时电价策略将总违规时间略微降低至4.1%。DERMS协调通过智能逆变器的伏安-无功控制和灵活的DER调度，将电压违规时间大幅减少至0.5%以下。而DERMS + V2G场景凭借电动汽车的双向功率支撑能力，进一步将电压违规时间压制到0.2%以下，实现了近乎完全的ANSI C84.1 Range A标准合规。
3.3. 承载容量提升
承载容量评估表明，无管理的DERs在渗透率超过25%时就会引发系统性的电压和热约束违规。分时电价策略将承载容量提升至约32%。DERMS主动协调使得馈线能够成功承载50%的DER渗透率而不违反运行限制。当引入V2G功能后，承载容量进一步提升至60%。动态承载裕度分析进一步揭示，无管理DERs的平均裕度低于20%，存在高风险；DERMS协调将平均裕度提升至34%以上；而DERMS + V2G场景则能维持最高且最稳定的裕度，即使在高峰时段也接近40-41%，显著增强了系统的实时操作弹性。
3.4. 运行韧性效益
研究还评估了DER协调对电网运行韧性的影响，主要体现在有载调压开关和电压调节器的分接头操作频率以及反向功率流事件的发生次数上。无管理DERs场景导致分接头操作频率比基线增加了约70%，反向功率流事件年发生超过140次。DERMS协调使分接头操作频率减少了32%，反向功率流事件减少了49%。DERMS + V2G场景效果最佳，分接头操作频率比无管理情况降低38%，反向功率流事件减少67%。这表明主动协调管理能有效减轻调节设备的机械磨损，降低对传统保护方案的挑战，提升系统整体可靠性。
本研究通过详尽的时序仿真分析，有力地证明了对电动汽车、光伏和储能进行主动协调管理是大幅提升配电网承载容量和运行韧性的关键。传统的无管理或被动价格信号模式在高DER渗透率下难以维持电网稳定，而DERMS和V2G等主动控制策略能够动态优化资源调度，平滑负载曲线，稳定电压，从而在无需立即进行传统电网升级的情况下，安全容纳更高比例的可再生能源。该研究为新英格兰乃至类似电网环境的配电系统规划提供了重要的技术依据和前瞻性视角，指明了通过运营灵活性实现电网现代化和深度脱碳的有效路径。研究结论强调，将承载容量视为动态的、可管理的资源，而非固定的物理极限，并积极部署DERMS和V2G等灵活性资产，对于建设适应未来高比例分布式能源接入的 resilient 配电网至关重要。
