涂軼昀，李 燦，承 林

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090;2.上海華東電集能源信息有限公司，上海 200002)

隨著能源危機(jī)的加劇，各國(guó)政府都非常重視電動(dòng)汽車的發(fā)展.美國(guó)能源部牽頭實(shí)施了EV計(jì)劃，通過(guò)免費(fèi)為電動(dòng)汽車用戶建設(shè)家用充電樁來(lái)推廣電動(dòng)汽車的使用.在中國(guó)，科技部牽頭實(shí)施了“十城千輛”計(jì)劃[1].同時(shí)，根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2011～2020年)》，未來(lái)10年我國(guó)政府財(cái)政將投入1 000億元，打造新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈，并在稅收政策上給予節(jié)能與新能源汽車推廣以很大優(yōu)惠.

電動(dòng)汽車以車載電源為動(dòng)力，是一種清潔汽車.而且電動(dòng)汽車可以作為分布式電源，當(dāng)停止行駛時(shí)，可以將電能反方向輸送給電網(wǎng)，我們稱之為“電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)”(Vehicle-to-Grid，V2G)技術(shù).

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)技術(shù)是2007年10月由美國(guó)特立華大學(xué)的KEMPTON William教授提出的，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)將一輛AC Propulsion“ebox”電動(dòng)汽車成功地接入電網(wǎng)并接受調(diào)度命令[2].同時(shí)，電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益得到了科研院校的廣泛關(guān)注[3-5].文獻(xiàn)[6]闡述了電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)技術(shù)的背景、基本概念、功能和實(shí)現(xiàn)條件，進(jìn)行了初步的經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估，并展望了其發(fā)展前景.

電動(dòng)汽車大量接入電網(wǎng)后，不僅可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷特性，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，而且可以為電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)、旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)等輔助服務(wù).同時(shí)，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池還可以作為分布式儲(chǔ)能單元成為智能電網(wǎng)的組成部分.

2010年上海世博園區(qū)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)館完成了單臺(tái)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)雙向互動(dòng)的展示，演示時(shí)使用的車輛是上汽集團(tuán)的純電動(dòng)汽車榮威350EV版，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的能量雙向可控流動(dòng)，展示了電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能單元的應(yīng)用潛力.

1 電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的概念及系統(tǒng)架構(gòu)

電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛.

電動(dòng)汽車可分為純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(插電式混合動(dòng)力汽車可以向電網(wǎng)提供反方向服務(wù))和燃料電池電動(dòng)汽車3種.純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源是電池，如鋰離子電池、鉛酸電池或鎳氫電池等，這種汽車只需要用電動(dòng)機(jī)，不需要內(nèi)燃機(jī).混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，也叫油電混合式動(dòng)力汽車，一般在啟動(dòng)和加速時(shí)用電池，正常行駛時(shí)用汽油.燃料電池電動(dòng)汽車是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電化學(xué)反應(yīng)所需的還原劑一般采用氫氣，氧化劑則采用氧氣，其余與普通電動(dòng)汽車基本相同[7-12].

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[12].

圖1 電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的火電廠或可再生能源發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)后向用戶供電.當(dāng)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后，可以接收調(diào)度中心發(fā)出的信號(hào)，進(jìn)行反方向服務(wù).這可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn):一是在居民家中直接將電能反饋給配電網(wǎng)絡(luò);二是由電動(dòng)汽車組成電動(dòng)汽車群，在集電站統(tǒng)一將電能反饋給輸電網(wǎng)絡(luò).

電力公司不希望與成千上萬(wàn)的電動(dòng)汽車主單獨(dú)交易，因此需要第3方機(jī)構(gòu)(即集電站)聚集電動(dòng)汽車的電能，進(jìn)行電能交易或進(jìn)入輔助服務(wù)市場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電時(shí)間的遠(yuǎn)程管理和雙向通訊.集電站可以是電網(wǎng)公司、移動(dòng)手機(jī)運(yùn)營(yíng)商、通信服務(wù)運(yùn)營(yíng)商，甚至可以是以服務(wù)為導(dǎo)向的當(dāng)?shù)嘏潆姽?，與電網(wǎng)的通訊可以是電話、電視信號(hào)線、電力載波線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等.

2 電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的作用

電動(dòng)汽車可以向電網(wǎng)提供4種類型的電能或服務(wù):基荷電能;峰荷電能;旋轉(zhuǎn)備用服務(wù);調(diào)頻服務(wù).其中，由電動(dòng)汽車向電網(wǎng)提供基荷電能不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)閱挝贿\(yùn)行費(fèi)用太高，且運(yùn)行時(shí)間太少;其余3種服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高，可以部分補(bǔ)償電動(dòng)汽車較高的初始投資;旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)和調(diào)頻服務(wù)合并稱為“輔助服務(wù)”.此外，電動(dòng)汽車還可以提供可再生能源儲(chǔ)能服務(wù).

2.1 調(diào)峰服務(wù)

高峰負(fù)荷一般由調(diào)峰電廠暫時(shí)產(chǎn)生的電能提供.由于每年需要給峰荷提供電能的時(shí)間僅有幾百小時(shí)，所以固定投資較低，而運(yùn)行成本較高的電動(dòng)汽車正滿足此要求.一般峰荷持續(xù)時(shí)間為3～5 h，這對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)是可行的.雖然會(huì)受到車載容量的限制，但可以通過(guò)電動(dòng)汽車群或再充電過(guò)程來(lái)解決.與抽水蓄能電站類似，在高峰負(fù)荷期間，電動(dòng)汽車通過(guò)放電向系統(tǒng)發(fā)出有功功率;在低谷負(fù)荷期間，電動(dòng)汽車通過(guò)充電從系統(tǒng)吸取有功功率，從而調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)有功負(fù)荷的峰谷差，起到調(diào)峰作用.

2.2 旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)

旋轉(zhuǎn)備用是指能快速提供電能的附加發(fā)電容量，一般可在10 min以內(nèi)響應(yīng)電網(wǎng)需求，其作用在于即時(shí)補(bǔ)償由于隨機(jī)事件(如發(fā)電機(jī)因事故退出運(yùn)行)引起的功率缺額.提供旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)的發(fā)電機(jī)要求低速運(yùn)行且與電網(wǎng)保持同步.

旋轉(zhuǎn)備用按隨時(shí)備用和提供服務(wù)的時(shí)間付費(fèi).例如，一臺(tái)1 MW 的發(fā)電機(jī)保持“旋轉(zhuǎn)”和備用24 h可以稱為1MW-日.如果旋轉(zhuǎn)備用提供電能，則需要額外支付費(fèi)用.這些都非常適用于電動(dòng)汽車，因?yàn)橹恍枰尤腚娋W(wǎng)，并作為“旋轉(zhuǎn)備用”存在幾個(gè)小時(shí)，就可以獲得使用費(fèi)用.另外，作為旋轉(zhuǎn)備用簽訂合同還可以限制響應(yīng)數(shù)量和持續(xù)時(shí)間，一般是每年20個(gè)響應(yīng)，每次最多1 h的持續(xù)時(shí)間.這對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)是可行的，因?yàn)樗话阌懈嗟碾娔軆?chǔ)備，且能很快通過(guò)充電恢復(fù)行駛能力.

2.3 調(diào)頻服務(wù)

調(diào)頻服務(wù)是指頻率控制，用于響應(yīng)負(fù)荷需求來(lái)調(diào)節(jié)頻率.在調(diào)度中心的實(shí)時(shí)控制下，且發(fā)電機(jī)組能在1 min內(nèi)響應(yīng)調(diào)度中心的信號(hào)時(shí)，調(diào)頻服務(wù)可以實(shí)現(xiàn)增減發(fā)電功率的效果.

電動(dòng)汽車可以通過(guò)與電力公司簽訂合同來(lái)提供調(diào)頻服務(wù).與旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)相比，調(diào)頻服務(wù)的響應(yīng)次數(shù)更多(一般一天400多次)，持續(xù)時(shí)間更短(一般一次幾分鐘).

2.4 可再生能源儲(chǔ)能服務(wù)

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)可以緊急支持可再生能源.目前應(yīng)用最廣泛的可再生能源是太陽(yáng)能和風(fēng)能，它們都是間歇性的.處于低水平時(shí)，可再生能源的間歇性可以通過(guò)現(xiàn)有的負(fù)荷管理機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì).但當(dāng)可再生能源超過(guò)電力容量的10% ～30%時(shí)，就需要附加電源來(lái)應(yīng)對(duì)電源發(fā)出的電能波動(dòng)，即可以通過(guò)備用或儲(chǔ)能來(lái)管理.“備用”是指發(fā)電機(jī)可以在可再生能源不足時(shí)立刻發(fā)出電能.“儲(chǔ)能”是指吸收多余的電力，但是在反饋電力時(shí)有持續(xù)時(shí)間的限制.這樣，當(dāng)可再生能源提供的電能過(guò)剩時(shí)，電動(dòng)汽車可以儲(chǔ)存電能，而當(dāng)可再生能源提供的電能不足時(shí)，電動(dòng)汽車可以釋放電能.

在電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)技術(shù)中，燃料電池電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以提供備用.純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以提供儲(chǔ)能.

短期內(nèi)，電動(dòng)汽車應(yīng)該用于實(shí)現(xiàn)高價(jià)值、對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的服務(wù)——調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)，此類服務(wù)由大約3%的電動(dòng)汽車群提供.當(dāng)這些市場(chǎng)飽和后，電動(dòng)汽車群可以開(kāi)始提供峰荷電能和可再生能源儲(chǔ)能的服務(wù).

3 電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值體現(xiàn)在以下3個(gè)方面.

(1)電網(wǎng) 電動(dòng)汽車作為電源接入電網(wǎng)并提供調(diào)頻和旋轉(zhuǎn)備用服務(wù)后，可以減少電網(wǎng)運(yùn)行方的備用容量，減少對(duì)新的發(fā)電廠和基礎(chǔ)設(shè)施的投資需求，提高電力系統(tǒng)的可靠性，并可以通過(guò)增加電能儲(chǔ)存緩沖來(lái)提高可再生能源的市場(chǎng)占有率，并且其價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力.

(2)電動(dòng)汽車車主 電動(dòng)汽車在夜間電價(jià)低谷時(shí)段充電，作為負(fù)荷使用;在白天電價(jià)高峰時(shí)段放電，作為電源使用.這樣電動(dòng)汽車車主可以得到電價(jià)的價(jià)格差所形成的費(fèi)用，部分補(bǔ)償了電動(dòng)汽車的初始投資費(fèi)用，降低了電動(dòng)汽車保有成本，促進(jìn)了電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用.

(3)自然環(huán)境 電動(dòng)汽車的使用可以減少汽油使用量，解決能源緊缺問(wèn)題，減少溫室氣體排放，部分替代火電廠，且可以與可再生能源集成.電動(dòng)汽車不會(huì)產(chǎn)生廢氣，其噪音也比內(nèi)燃機(jī)小，所以電動(dòng)汽車被稱為“零排放污染汽車”[13-18].

4 電動(dòng)汽車接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響

4.1 對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的影響

當(dāng)電動(dòng)汽車大量接入電網(wǎng)后，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)措施，否則有可能出現(xiàn)“峰上加峰”的現(xiàn)象，增大電網(wǎng)調(diào)峰難度，加大電網(wǎng)建設(shè)壓力，降低電網(wǎng)運(yùn)行效率，從而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.因此，在電網(wǎng)規(guī)劃方面，需要充分考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的時(shí)間和空間分布，權(quán)衡電網(wǎng)投資的經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)運(yùn)行的安全性.

另外，在大量充電設(shè)施(如交流充電樁、充電站與換電池站)布點(diǎn)規(guī)劃的過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮電動(dòng)汽車車主駕駛行為、充電行為，以及交通信息與現(xiàn)有的配電網(wǎng)信息，實(shí)現(xiàn)充電設(shè)施在電網(wǎng)中的合理分布和優(yōu)化配置[19-22].

4.2 對(duì)電網(wǎng)的影響

電動(dòng)汽車的接入對(duì)輸電網(wǎng)的影響是間接的.隨著大量電動(dòng)汽車的接入，導(dǎo)致用電負(fù)荷增長(zhǎng)、電力系統(tǒng)過(guò)載，而充電負(fù)荷的時(shí)空不確定性將對(duì)輸電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生影響.

與常規(guī)負(fù)荷相比，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有時(shí)空隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了更多的不確定性，主要表現(xiàn)在配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面.

電動(dòng)汽車的接入對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要影響包括電壓下降、諧波污染和三相不平衡3個(gè)方面[23-26].其中電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后對(duì)電力電子設(shè)備造成的諧波污染體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:一是使測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確;二是易損壞大容量電容器;三是加重的負(fù)荷使電力導(dǎo)線過(guò)熱;四是使保護(hù)裝置誤報(bào)警.

在配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，電動(dòng)汽車接入后對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損和配電變壓器的壽命均有影響.

5 電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題及相關(guān)研究

5.1 充電方式的確定及充電站的布局

目前，電動(dòng)汽車的充電方式主要有充電模式和更換電池模式兩種.充電模式可分為普通充電和快速充電.普通充電又叫慢速充電，每次充電所需的時(shí)間較長(zhǎng);快速充電是利用大電流給電動(dòng)汽車充電，這種充電方式不僅會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)較大沖擊，而且會(huì)減少電池的使用壽命.更換電池模式是將空電池留在充電站利用小電流進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充電.不同的充電方式可以應(yīng)用于不同類型的汽車，如更換電池模式適合在公交公司、出租車公司使用，而私家車可以選擇在夜間電價(jià)便宜時(shí)對(duì)汽車進(jìn)行慢速充電.

充電方式的確定將直接影響電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及.普通充電的缺點(diǎn)是所需時(shí)間較長(zhǎng)，而更換電池模式的缺點(diǎn)則是需要統(tǒng)一的電池規(guī)格.因此，2011年初國(guó)家電網(wǎng)汽車充電站確定以“換電為主，插充電為補(bǔ)充”的運(yùn)營(yíng)模式.以換電模式為主，可以利用低谷的低電價(jià)，將電池的高成本轉(zhuǎn)嫁出去，有利于純電動(dòng)汽車市場(chǎng)銷售的快速啟動(dòng).

另外，充電站點(diǎn)的合理布局也是電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題之一.目前，我國(guó)充電設(shè)施建設(shè)如火如荼，但相應(yīng)的充電站布點(diǎn)和容量規(guī)劃缺乏成熟的理論和方法.充電站的合理布點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將促進(jìn)電動(dòng)汽車的廣泛普及和應(yīng)用.同時(shí)，充電站的規(guī)模決定著某個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)影響的大小，而充電站的布點(diǎn)則涉及多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)的影響[27].

從電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，短期內(nèi)主要考慮配電網(wǎng)規(guī)劃中電動(dòng)汽車充電設(shè)施的布點(diǎn)和容量配置;而從長(zhǎng)期來(lái)看，隨著電動(dòng)汽車走入家庭，以及充電技術(shù)和計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，需充分考慮大規(guī)模分布式的家庭充電對(duì)電網(wǎng)的影響.

5.2 電動(dòng)汽車的負(fù)荷特性模型

負(fù)荷特性建模是研究電動(dòng)汽車充放電的基礎(chǔ)性工作，其難點(diǎn)在于如何計(jì)及電動(dòng)汽車的分散性和駕駛者習(xí)慣等人為因素的影響.

電動(dòng)汽車充電負(fù)荷建模涉及動(dòng)力電池的充電特性、電動(dòng)汽車用戶的用車行為、充電方式等多種因素.由于電動(dòng)汽車尚未大規(guī)模接入，一般通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析充電負(fù)荷的大小和特性.另外，電動(dòng)汽車充電過(guò)程中電壓比較平穩(wěn)，因此在研究電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響時(shí)，電動(dòng)汽車負(fù)荷也可以看作恒功率負(fù)荷[28-30].

5.3 電動(dòng)汽車充放電控制策略

電動(dòng)汽車充放電控制主要是基于已有配電網(wǎng)絡(luò)和常規(guī)用電約束，優(yōu)化電動(dòng)汽車大規(guī)模接入情況下的充電功率，使之能最大限度地利用已有配電網(wǎng)，協(xié)調(diào)控制各輛電動(dòng)汽車的充放電順序和時(shí)間，以提高配網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.

文獻(xiàn)[31]中討論了電動(dòng)汽車的兩種充電模式，即非協(xié)調(diào)式和協(xié)調(diào)式，并提出了基于網(wǎng)損最小的二次規(guī)劃法，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的優(yōu)化充電，最后以IEEE 14節(jié)點(diǎn)算例驗(yàn)證了所提方法的可行性和實(shí)用性.文獻(xiàn)[32]以網(wǎng)損和充電成本最小為目標(biāo)，基于網(wǎng)損靈敏度選擇優(yōu)先充電的電動(dòng)汽車，提出了電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)有序充電控制策略，該策略可有效降低配電網(wǎng)的網(wǎng)損，并改善配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓波形.

5.4 與其他可再生能源的協(xié)同調(diào)度運(yùn)行

作為可移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能單元，電動(dòng)汽車可以與其他可再生能源(如風(fēng)能和光伏發(fā)電)配合，協(xié)調(diào)電網(wǎng)的負(fù)荷曲線.

文獻(xiàn)[33]針對(duì)電動(dòng)汽車能量的雙向流動(dòng)性，提出了包含風(fēng)、光、儲(chǔ)、電動(dòng)汽車等的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略和模型，分析了電動(dòng)汽車的加入對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的影響，以全年總費(fèi)用最小為目標(biāo)，經(jīng)過(guò)多次迭代得出了最優(yōu)解.文獻(xiàn)[34]將等效負(fù)荷曲線方差最小作為優(yōu)化目標(biāo)，建立了風(fēng)電-電動(dòng)汽車協(xié)同調(diào)度的模型，用電動(dòng)汽車充電來(lái)抵消負(fù)荷下降而風(fēng)電出力上升的功率不平衡，消納過(guò)剩風(fēng)電，具有技術(shù)上的可行性.

6 結(jié)語(yǔ)

含有分布式移動(dòng)儲(chǔ)能單元的電動(dòng)汽車可以為電網(wǎng)提供削峰填谷、運(yùn)行備用、事故備用、調(diào)頻調(diào)壓等輔助服務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義.同時(shí)，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)用還可進(jìn)一步降低電力系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本.

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)后，對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃中的負(fù)荷預(yù)測(cè)、站點(diǎn)布置等均有影響，同時(shí)還會(huì)影響配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.為了促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及，完善其與電網(wǎng)的互動(dòng)，研究充電方式和充電站的布局、電動(dòng)汽車的負(fù)荷特性模型、電動(dòng)汽車充放電控制策略，以及與其他可再生能源的協(xié)同調(diào)度運(yùn)行顯得尤為必要.

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