張秉良 ，孫玉田 ，孫 勇 ，張博頤

(1.山東電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.華北電力大學(xué)，北京 102206)

0 引言

近年來，隨著人民生活水平提高和電力負(fù)荷發(fā)展，電網(wǎng)容量不斷擴(kuò)大，加上風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源的迅猛發(fā)展，致使電網(wǎng)峰谷差也日益加大，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車以電為動(dòng)力，是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，而且電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池可以儲(chǔ)存電能，可以理解為電網(wǎng)中的移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能單元，具有清潔、高效、環(huán)保等特點(diǎn)，由此形成了“車—電”互聯(lián)(Vehicle to Grid，簡(jiǎn)稱 V2G)的概念［1-2］。

V2G描述的是一種新型電網(wǎng)技術(shù)，電動(dòng)汽車(充放電站)不僅作為電力消費(fèi)體，同時(shí)，在電動(dòng)汽車閑置時(shí)可以作為綠色可再生能源為電網(wǎng)提供電力，實(shí)現(xiàn)在受控狀態(tài)下電動(dòng)汽車(充電站)的能量與電網(wǎng)之間的雙向互動(dòng)和交換。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于V2G已經(jīng)展開廣泛研究。文獻(xiàn)［3］綜述了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)交互關(guān)系的研究現(xiàn)狀，指出雖然該領(lǐng)域是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，但是各項(xiàng)研究均處于起步階段，如電動(dòng)汽車電池充電負(fù)荷模型的研究以及車用電池在“車輛到電網(wǎng)”中的模型。文獻(xiàn)［4］通過動(dòng)力電池參與電網(wǎng)調(diào)峰應(yīng)用分析，論述電動(dòng)汽車動(dòng)力電池移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可行性和基本系統(tǒng)模型，可為今后的研究提供參考。文獻(xiàn)［5］闡述了電動(dòng)汽車充放電控制策略總體思路以及實(shí)現(xiàn)V2G的24 h發(fā)電計(jì)劃原理。并以某一特定區(qū)域的電網(wǎng)負(fù)荷和 3輛電動(dòng)汽車參與 V2G活動(dòng)為例，介紹一種V2G充放電控制策略算法的具體實(shí)現(xiàn)。

目前電動(dòng)汽車尚未形成大規(guī)模應(yīng)用，尤其是V2G技術(shù)的完善還需時(shí)日，仍有大量的基礎(chǔ)研究工作需要展開。介紹了電動(dòng)汽車充放電站的充放電特性，預(yù)測(cè)充放電站充電容量和可調(diào)度放電容量，提出了充放電站參與電網(wǎng)調(diào)峰平衡的方法。

1 充放電站充放電特性分析

充放電站是電動(dòng)汽車的能源供給單位。目前電動(dòng)汽車的主要充電方式有常規(guī)充電方式、快速充電方式和電池更換方式［6-7］。

常規(guī)充電方式根據(jù)電池相應(yīng)的充電曲線，采用恒流、恒壓的傳統(tǒng)充電方式對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。這種方式以比較低的充電電流(0.1 C～0.3 C)在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)對(duì)蓄電池進(jìn)行慢速充電，典型的充電時(shí)間為8～10 h。這種方式主要針對(duì)大量低電壓(220 V)分布式充電點(diǎn)，可充分利用電力低谷時(shí)段進(jìn)行充電。充電簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池簡(jiǎn)化充電過程

快速充電方式又稱應(yīng)急充電，是指在短時(shí)間內(nèi)使蓄電池達(dá)到或接近充滿狀態(tài)的一種方法。該充電方式以1～3 C的大充電電流在短時(shí)間內(nèi)為蓄電池充電，其典型的充電時(shí)間是10～30 min。該方式充電功率很大，對(duì)電網(wǎng)要求較高，充電時(shí)間分布比較離散。

更換電池方式通過直接更換電動(dòng)汽車的電池組來達(dá)到充電的目的。整個(gè)電池更換過程可以在10 min內(nèi)完成，更換下來的電池，一般采用常規(guī)方式進(jìn)行集中充電。充電時(shí)間可控性高，可以根據(jù)電網(wǎng)要求安排在負(fù)荷低谷時(shí)段進(jìn)行。

電池的放電容量與放電電流有關(guān)，放電電流越大，在該電流下所放出的有效容量越少，動(dòng)力電池典型容量特性如圖2所示［8］。為了保證電池特性和有效容量，一般采用小電流放電方式［9］。

圖2 電池容量特性示意圖

2 充放電站參與電網(wǎng)調(diào)峰模型及求解

2.1 參與調(diào)峰容量計(jì)算

要建立電動(dòng)汽車充放電站參與調(diào)峰模型，首先要預(yù)測(cè)可參與調(diào)峰的容量，即充電容量和放電容量。由于電動(dòng)汽車充電分布在時(shí)間和空間上具有很大的隨機(jī)性，而放電則需要考慮客戶的意愿等問題，因此充放電站的充電功率和放電功率也具有很大的隨機(jī)性。這就需要對(duì)充放電站可用容量進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

對(duì)電動(dòng)汽車充電方式，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了“換電為主、插充為輔”的模式，本文在考慮時(shí)只考慮參與換電模式的電動(dòng)汽車。對(duì)集中充電站而言，充電開始時(shí)間和充電功率是按照電網(wǎng)需求或調(diào)度中心調(diào)度計(jì)劃確定，則充電持續(xù)時(shí)間取決于待充電池總電量需求。

待充電池?cái)?shù)目為M，電動(dòng)汽車的起始SOC為s0，且有 s0∈N(μ，σ2)。

則可得充電站充電容量為：

放電而言，放電容量就取決于負(fù)荷高峰時(shí)段可以調(diào)度的放電容量，假設(shè)可調(diào)度放電動(dòng)力電池?cái)?shù)目為N，則一般可由兩種方法取得；一是用戶根據(jù)自己的情況制定好某一時(shí)間段 (如1周)參與V2G的計(jì)劃，并將此計(jì)劃上報(bào)給后臺(tái)管理中心；一種是采用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的方式。

假設(shè)某動(dòng)力電池放電起始SOC為s0，結(jié)束放電時(shí) SOC 為 s1，且有 s0∈N(μ，σ2)，s1∈N(μ1，σ21)。

則可得充電站放電容量為：

2.2 填谷模型及流程

在電動(dòng)汽車充放電站參與調(diào)峰時(shí)，充放電站可根據(jù)電網(wǎng)需求或調(diào)度中心計(jì)劃安排充電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)填谷目的。本文假設(shè)按照分批分時(shí)段方式進(jìn)行，即以負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線為基礎(chǔ)，以拉平最小負(fù)荷為目標(biāo)。

更換電池方式下，更換下來的電池一般采取集中充電的方式，在標(biāo)準(zhǔn)的大型集中充電站中進(jìn)行，即國(guó)網(wǎng)國(guó)家電網(wǎng)公司提出的“集中充電、統(tǒng)一配送”模式。對(duì)動(dòng)力電池的集中充電一般安排在負(fù)荷低谷時(shí)段，且充電站的充電功率是固定的，則充電持續(xù)時(shí)間取決于待充蓄電池的總電量需求。

將待充電池以某步長(zhǎng)(單位電池?cái)?shù)目)分作M組，以負(fù)荷最低時(shí)段為中心，依次向兩端延伸安排充電，并修正原始負(fù)荷曲線，得到等效負(fù)荷曲線。然后尋找等效負(fù)荷曲線的負(fù)荷最小值，并依此為中心點(diǎn)安排下一組電池的充電計(jì)劃，直至所有電池充電安排完成。從而可以得到充放電站的充電方案和修正的負(fù)荷曲線。其實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 “填谷”計(jì)算流程

2.3 削峰模型及流程

在電動(dòng)汽車充放電站參與調(diào)峰時(shí)，充放電站可根據(jù)可調(diào)度容量、電網(wǎng)需求或調(diào)度中心計(jì)劃安排放電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)削峰目的。 本文假設(shè)按照分批分時(shí)段方式進(jìn)行，即以填谷以后的修正負(fù)荷曲線為基礎(chǔ)，以削減最大負(fù)荷為目標(biāo)。

將可調(diào)度電池以某步長(zhǎng)(單位電池?cái)?shù)目)分作K組，以負(fù)荷最高時(shí)刻為中心，依次向兩端延伸安排放電，并修正負(fù)荷曲線，得到等效負(fù)荷曲線。然后尋找等效負(fù)荷曲線的負(fù)荷峰值，并依此為中心點(diǎn)安排下一組電池的充電計(jì)劃，直至所有可調(diào)度放電計(jì)劃完成。從而可以得到充放電站的放電方案和修正的負(fù)荷曲線。其實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 “削峰”計(jì)算流程

3 算例

本節(jié)以某地區(qū)電網(wǎng)為例，取該省2015年10月份典型日預(yù)負(fù)荷曲線，最大預(yù)測(cè)負(fù)荷為8 892萬(wàn)千瓦，日負(fù)荷曲線見表1。

假設(shè)該地區(qū)2015年電動(dòng)汽車規(guī)模分別為100萬(wàn)輛、200萬(wàn)輛、500萬(wàn)輛、1000萬(wàn)輛，根據(jù)上述模型和計(jì)算流程，對(duì)充放電站進(jìn)行調(diào)峰調(diào)度，分析不同規(guī)模電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響。假設(shè)填谷時(shí)間限長(zhǎng)為11 h，在負(fù)荷高峰時(shí)段有20%的電動(dòng)汽車可參與調(diào)度調(diào)峰平衡，時(shí)間限長(zhǎng)為3 h。計(jì)算結(jié)果如表1、圖5所示。

結(jié)果表明，電動(dòng)汽車規(guī)模化應(yīng)用以后，可起到了良好的“削峰填谷”效果，提高了電力設(shè)備的利用率。不同規(guī)模電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)峰谷差的影響見表2。表中Pmax為電動(dòng)汽車最大充電功率需求，可見隨著電動(dòng)汽車應(yīng)用規(guī)模的增大，電網(wǎng)的峰谷差明顯減小。

表1 某地區(qū)日負(fù)荷曲線

表2 不同規(guī)模電動(dòng)汽車對(duì)峰谷差影響

以上算例只分析了充放電站參與系統(tǒng)平衡的情況，在實(shí)際運(yùn)用中采用常規(guī)充電和快速充電的電動(dòng)汽車會(huì)增加電網(wǎng)的最大負(fù)荷，增加額外的裝機(jī)需求。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車是智能電網(wǎng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)低碳化交通的重要途徑。本文介紹了電動(dòng)汽車充放電站的充放電特性，預(yù)測(cè)充放電站充電容量和可調(diào)度放電容量，提出了一種充放電站參與調(diào)峰平衡的方法。并基于某地區(qū)2015年典型日負(fù)荷曲線，研究了不同規(guī)模電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)峰谷差的影響，結(jié)果表明充放電站有良好的“削峰填谷”效果，可極大緩解電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。分析方法及算例結(jié)果對(duì)研究我國(guó)未來V2G技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的影響具有一定的參考價(jià)值。