劉曉飛 張千帆 崔淑梅

（哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150080）

1 V2G的概念

現(xiàn)在的電網(wǎng)實際上效率并不是非常高，因為一是成本較高，再就是容易造成浪費[1]。其中一部分問題是由每天發(fā)生的負荷需求波動和需要對電網(wǎng)進行電壓及頻率調節(jié)引起的。當電網(wǎng)需求超過基本負荷發(fā)電廠的容量時，由于電網(wǎng)本身并沒有足夠的電能存儲，調峰電廠就會投入運行，有時候旋轉備用也會參與其中。而當電網(wǎng)需求較低時，用電量會低于基本負荷發(fā)電廠的輸出，這樣那些未被使用的能量均會被浪費掉。此外，對電網(wǎng)進行的電壓和頻率調節(jié)在很大程度上增加了電網(wǎng)的運營成本。

目前，可再生能源系統(tǒng)（如太陽能，風能等）正被大量接入電力系統(tǒng)中[2]。由于可再生能源自然的不連續(xù)性會引起發(fā)電的波動，迫切需要其他能源（如電池能量存儲系統(tǒng)）進行補償，以平滑可再生能源的自然可變性，保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定并抑制由反向功率流引起的電壓上升。

V2G的概念就是針對上述問題提出的，其核心思想就是利用大量電動汽車的儲能源作為電網(wǎng)和可再生能源的緩沖，如圖1所示。當電網(wǎng)負荷過高時，由電動汽車儲能源向電網(wǎng)饋電；而當電網(wǎng)負荷低時，用來存儲電網(wǎng)過剩的發(fā)電量，避免造成浪費。通過這種方式，電動汽車用戶可以在電價低時，從電網(wǎng)買電，電網(wǎng)電價高時向電網(wǎng)售電，從而獲得一定的收益。

圖1 V2G示意圖Fig.1 The schematic of V2G

現(xiàn)在，插電式混合動力汽車（PHEV）和純電動汽車（EV）正慢慢進入市場。由于這些汽車上均裝有較大容量的電池，可以考慮讓它們在停車時為電網(wǎng)提供能量緩沖，因為大多數(shù)汽車每天有大約22小時是處于停止狀態(tài)的，在這段時間內它們代表了一種閑置資產(chǎn)[3]。而當這些汽車的數(shù)量足夠大時，其電池的總容量是相當巨大的，因而可以將其作為電網(wǎng)以及可再生能源系統(tǒng)的緩沖。

但是，電動汽車并不能隨意地、毫無管理地接入到電網(wǎng)中，這是因為如果電網(wǎng)正處于峰值負荷需求，大量汽車的充電要求必然會對電網(wǎng)產(chǎn)生極其嚴重的影響[4]；對于汽車而言，除了為電網(wǎng)提供輔助服務外，還必須能夠滿足日常的行駛需求。因此在向電網(wǎng)饋電的過程中，還必須兼顧汽車自身的能量存儲狀態(tài)，以避免影響汽車的正常使用。綜合上述兩個方面，非常有必要對電動汽車V2G進行研究，協(xié)調汽車與電網(wǎng)間的充電和放電，使得既不會影響電網(wǎng)的運行，也不會限制汽車的正常使用。

2 V2G的可行性研究

早在20世紀90年代，人們便注意到電動汽車不同于電網(wǎng)中的其他電負荷，它們具有高度的移動性和不可預測性，因而電動汽車的大量接入會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。但由于當時的技術條件所限以及電動汽車數(shù)量較少，研究還只處于初始階段，且沒有提出可行的解決方案。

V2G的概念是由Amory Lovins在1995年提出的，特拉華大學William Kempton教授對其進一步發(fā)展。近年來由于PHEV和EV的廣泛使用以及電池技術的進步，V2G越來越受到人們關注。但是，電動汽車作為日常負載可能會增加電網(wǎng)負擔，并需要增加基礎設施投資。所以針對此問題，開始涌現(xiàn)出大量文獻對V2G的可行性進行評估。

2005年，美國特拉華大學（University of Delaware）的Willett Kempton研究了V2G的基礎問題：容量計算和凈收益。研究表明，V2G的工程原理和經(jīng)濟利益是引人注目的[5]。同年，他還研究了V2G的實現(xiàn)問題：穩(wěn)定電網(wǎng)和支持大規(guī)?？稍偕茉碵6]。

2009年，德國的Dirk Uwe SAUER等人發(fā)表文章展示了德國電力工程協(xié)會的研究成果[7]。文章重點關注的是V2G在移動存儲中的可能影響。結果表明，由電動汽車與控制系統(tǒng)相結合形成的移動存儲系統(tǒng)能夠部分替代靜止存儲系統(tǒng)，負荷周期可在一秒到一天的范圍內。

對于V2G的研究除了理論分析之外，還出現(xiàn)了很多實際系統(tǒng)的設計與嘗試，其中比較著名的是特拉華大學等聯(lián)合機構利用單臺汽車進行 V2G運行的試驗[8]。

通過對V2G的評估可以看出，利用電動汽車電池作為電網(wǎng)儲能源是可行的，不論是從工程上還是從經(jīng)濟上，V2G的效益都是引人注目的。從直接效益來看，通過V2G可以：①利用電動車電池作為電網(wǎng)的緩沖，為電網(wǎng)提供輔助服務，如調峰、無功補償?shù)龋虎谀転檐囍魈峁╊~外的收入，抵消購買電動汽車的部分花費，有利于清潔汽車的普及；③可以增加電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性，降低電力系統(tǒng)運營成本。此外，從長遠來看，V2G能減少對新發(fā)電基礎設施的投資；還可以產(chǎn)生能量存儲緩沖，從而為可再生能源提供支持；由于電動汽車的大量使用可以減少溫室氣體的排放。

總而言之，將電動汽車與電網(wǎng)智能地結合起來，利用電動車的儲能系統(tǒng)為電網(wǎng)服務（即V2G）是可行的。當然，必須對電動汽車的充放電過程進行合理的、智能化的管理，才能使其為電網(wǎng)更好地服務。

3 V2G的實現(xiàn)方法

通過評估，知道利用電動汽車的電池實現(xiàn)V2G是可行的。那么，要實現(xiàn)V2G需要采用什么樣的方法呢？

現(xiàn)在的電動汽車具有多樣性的特點，種類繁多、用途各異，電動車不同所采用的供電方式也不相同，這就決定了V2G具有不同的實現(xiàn)方法。根據(jù)應用對象的不同，可以將V2G實現(xiàn)方法分成四類。

3.1 集中式的V2G實現(xiàn)方法

所謂集中式的 V2G是指將某一區(qū)域內的電動汽車聚集在一起，按照電網(wǎng)的需求對此區(qū)域內電動汽車的能量進行統(tǒng)一的調度，并由特定的管理策略來控制每臺汽車的充放電過程，例如，修建供V2G使用的停車場。從文獻來看，按此種方式進行研究的較多。

對于集中式的V2G，可以將智能充電器建在地面上，這樣能夠節(jié)約電動汽車的成本。同時，由于此種方式采用統(tǒng)一的調度和集中的管理，可以實現(xiàn)整體上的最優(yōu)，例如通過先進的算法可以計算每臺汽車的最優(yōu)充電策略，保證成本最低及電力最優(yōu)利用。

3.2 自治式的V2G實現(xiàn)方法

自治式V2G的電動車經(jīng)常散落在各處，無法進行集中的管理，因而一般采用車載式的智能充電器，它們可以根據(jù)電網(wǎng)發(fā)布的有、無功需求和價格信息，或者根據(jù)電網(wǎng)輸出接口的電氣特征（如電壓波動等），結合汽車自身的狀態(tài)（如電池 SOC）自動地實現(xiàn)V2G運行。日本東京大學的Yutaka Ota等人就是采用這種方法[9]，他們提出一種自主分布V2G方法，實現(xiàn)了能量的智能存儲，裝置結構如圖2所示。

圖2 自治式V2G的電動汽車Fig.2 Autonomous V2G Electric Vehicle

自治式V2G一般采用車載的智能充電器，充電方便，易于使用，不受地點和空間的限制，自動地實現(xiàn)V2G。但是，每一臺電動車都作為一個獨立的結點分散在各處。由于不受統(tǒng)一的管理，每臺電動車的充放電具有很大的隨機性，是否能保證整體上的最優(yōu)還需進一步研究，此外，車載充電器還會增加電動汽車的成本。

3.3 基于微網(wǎng)的V2G實現(xiàn)方法

按照美國電氣可靠性技術解決方案聯(lián)合會（CERTS）的定義，微網(wǎng)是一種由負荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可同時提供電能和熱量；微網(wǎng)內部電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，并提供必需的控制；微網(wǎng)相對于外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等的要求。

基于微網(wǎng)的V2G實現(xiàn)方法，實際上是將電動汽車的儲能設備集成到微網(wǎng)中，它與前邊兩種實現(xiàn)方法的區(qū)別在于，這種V2G方法作用的直接對象不是大電網(wǎng)，而是微網(wǎng)。它直接為微網(wǎng)服務，為微網(wǎng)內的分布電源提供支持，并為相關負載供電。

新西蘭奧克蘭大學的Udaya K. Madawala等人將電動汽車集成到家庭住宅供電網(wǎng)絡中，該網(wǎng)絡包括風能、太陽能等分布式發(fā)電，并與外部大電網(wǎng)相聯(lián)接[10]。它能利用電動汽車支持可再生能源并向家庭和商業(yè)用戶供電。

3.4 基于更換電池組的V2G實現(xiàn)方法

此外，還有一種基于更換電池組的V2G實現(xiàn)方法，其源于更換電池組的電動汽車供電模式，如圖 3所示。它需要建立專門的電池更換站，在更換站中存有大量的儲能電池，因而也可以考慮將這些電池連到電網(wǎng)上，利用電池組實現(xiàn)V2G。

圖3 更換電池組的方法Fig.3 The method of exchanging battery pack

這種方法的原理類似于集中式V2G，但是管理策略上會有所不同，因為電池最終是要用來更換的，所以必須確保一定比例的電池電量是滿的。它融合了常規(guī)充電與快速充電的優(yōu)點，在某種意義上極大彌補了電動汽車續(xù)駛里程不足的缺陷，但是它迫切需要統(tǒng)一電池及充電接口等部件的標準。

4 V2G涉及的關鍵問題

4.1 從電網(wǎng)角度對V2G進行智能調度

研究表明，采用V2G的供電策略，可以使電網(wǎng)的發(fā)電量需求增加最少，并使基礎設施投資最少。那么，從電網(wǎng)的角度，又該如何對電動汽車的儲能源進行規(guī)劃與調度呢，這是一個亟待解決的問題。

這個問題的實質是如何對各個 V2G單元以及電網(wǎng)其他發(fā)電單元進行調度的問題。電網(wǎng)各個發(fā)電單元的作用不相同：容量較大的發(fā)電單元價格便宜，但是響應速度慢，適用于提供基本負荷；容量較小的單元價格昂貴，但響應速度快，一般用于峰值負荷。因而規(guī)劃的作用就是利用V2G盡可能減少電網(wǎng)對昂貴發(fā)電單元的依賴，并減少無功補償裝置的使用。這就需要電網(wǎng)根據(jù)自身的負荷狀況、可再生能源的發(fā)電狀況以及V2G單元可用容量等信息，事先計算出對各V2G單元的有功和無功需求，并給出合理的電價。

對此問題的處理可以分為兩種方式，第一種是由電網(wǎng)直接對接入的每臺電動車連同其他發(fā)電單元進行統(tǒng)一調度，采用智能的算法來控制每臺汽車的V2G運行。美國密蘇里理工大學的 Ahmed Yousuf Saber等人就是采用這種方式[11]。但是，這種方式會使問題變得異常復雜。此外，這種方式是從電網(wǎng)的角度來考慮的，并沒有從用戶的角度進行分析。

針對上述問題，韓國Konkuk大學Sekyung Han等人采用了第二種方式，即在電網(wǎng)與電動汽車群之間建立一個中間系統(tǒng)，稱為 Aggregator[12]。該中間系統(tǒng)將一定區(qū)域內接入電網(wǎng)的電動汽車組織起來，成為一個整體，服從電網(wǎng)的統(tǒng)一調度。這樣電網(wǎng)可以不必深究每臺電動車的狀態(tài)，只需根據(jù)自己的算法向各個中間系統(tǒng)發(fā)出調度信號（包括功率的大小、有功還是無功以及充電還是放電等），而對電動汽車群的直接管理，則由中間系統(tǒng)來完成。

4.2 從用戶角度對V2G進行智能充放電管理

上述電網(wǎng)對電動汽車儲能源供能的調度，是從電網(wǎng)的角度來進行的。其直接受益者是電力供應商和運營商，并沒有考慮電動車用戶的利益。此外，上述規(guī)劃只討論了電網(wǎng)與中間系統(tǒng)，并沒有涉及單獨每臺電動汽車的V2G運行。因此還需要研究中間系統(tǒng)對每臺電動車的智能充、放電管理策略。

電動汽車 V2G的智能充放電管理策略描述的是這樣一個過程：中間系統(tǒng)根據(jù)電動汽車的充電需求對能量進行合理的供應，同時根據(jù)電網(wǎng)需求將電動汽車能量反饋給電網(wǎng)[13-15]。對于每一臺與電網(wǎng)相連的電動汽車而言，一方面要通過V2G來提供輔助服務，另一方面還要從電網(wǎng)獲取能量為電池充電。但是，不論是提供輔助服務（放電）還是從電網(wǎng)獲取能量（充電），其過程并不是隨意地，毫無限度的，它需要實時考慮電動汽車當前及未來的狀況，如電池SOC、未來行駛計劃、當前的位置、當前電力價格以及連網(wǎng)時間等信息。這樣做是為了在保證正常行駛的前提下使用戶獲得最優(yōu)。

針對這些問題，日本東京大學的 Sekyung Han等人針對V2G頻率調節(jié)服務，提出了一種最優(yōu)的集成策略（Aggregator），它能夠充分利用電動汽車的分布功率來供給電網(wǎng)[12]。但該策略只是針對頻率調節(jié)，如果應用于其他服務，還需要另外進行修改。美國密蘇里理工大學的Chris Hutson等人提出了一種智能的方法來安排使用PHEV和EV的可用能量存儲[16]。采用二元粒子群最優(yōu)的方法計算出一天內合適的充放電時間，并使用California ISO數(shù)據(jù)庫的價格曲線來反應真實的價格波動。美國密蘇里理工大學的Ahmed Yousuf Saber等人研究了在受限停車場內的V2G管理問題，采用現(xiàn)代智能控制方法對此問題進行解決[17]，減少了運營成本，增加了旋轉備用，提高了電網(wǎng)的可靠性。

綜上可知，對于電動汽車智能充放電管理策略的研究，主要涉及如何對各電動車進行協(xié)調充電；制定管理策略尋找最大化車主利益的最優(yōu)方案，例如在電價便宜時為電動車充電，電價昂貴時向電網(wǎng)提供服務。從文獻來看，所采用的大多數(shù)管理策略只適用于V2G運行的某一方面，有的適用于頻率調節(jié)，有的適用于調峰，并沒有提出一個統(tǒng)一的策略。另外，電動汽車限制條件對管理策略的制定具有很大的影響，現(xiàn)在的研究為了使問題簡化往往只考慮電池的容量及SOC限制，而對于其他限制因素（特別是用戶使用行為）論述較少。

4.3 V2G雙向充電器

要使電動汽車實現(xiàn)V2G，需要在電網(wǎng)和汽車間配備雙向的智能充電器。此雙向充電器必須具有為電動汽車電池充電的功能，同時產(chǎn)生最小的電流諧波，也應具有根據(jù)調節(jié)向電網(wǎng)回饋能量的能力。

一般來講，雙向充電器由濾波器、雙向DC-DC變換器以及雙向 AC-DC變換器組成。當充電器工作于電池充電模式時，交流電首先通過濾波器濾除不期望的頻率分量，然后通過雙向 AC-DC變換器將交流整流成直流。由于雙向 AC-DC變換器的輸出電壓可能與直流儲能單元的電壓不匹配，還需要一個雙向 DC-DC變換器來保證合適的充電電壓。當變換器工作于電池放電模式時，其過程則恰好相反。

從文獻來看，對于雙向充電器的研究主要集中在拓撲結構的選擇與集成以及控制策略的探討。其目的是為了在保證充電器正常功能的條件下，盡可能提高效率、降低成本、減少體積和重量，并使總諧波畸變最小。

美國橡樹嶺國家實驗室的Lixin Tang和Gui-Jia Su給出了一種低成本車載充電器，其思路是利用現(xiàn)有的主拖動電機和輔助電機及相關電力電子系統(tǒng)來構成充電電路。該充電器不需要額外的充電電路，因而能顯著降低成本、重量和體積[18]。美國國家可再生能源實驗室的 Bill Kramer等人給出了一種集成電機控制器和充電器的結構，該結構既可以作為電機控制器使用，還可以用作雙向的充電器[19]。田納西工業(yè)大學的Sharanya Jaganathan提出了一種基于三電平AC-DC和雙向DC-DC變換器的電池充電系統(tǒng)，并設計了脈沖充電控制器為電池充電，仿真結果表明該系統(tǒng)大大降低了諧波[20]。美國的Young-Joo Lee等人提出了一種新型的集成雙向AC-DC和DC-DC的充電器，此集成變換器減少了大電流電感和電流傳感器的數(shù)量，并能提供故障電流容差，但此電路結構較改進前效率略有降低[21]。北卡羅萊納州立大學的Xiaohu Zhou等人提出了一種改進的AC-DC控制策略，與傳統(tǒng)PI控制器相比，大大提高了聯(lián)網(wǎng)控制器在低諧波輸出和抑制背景噪聲魯棒性方面的性能[22]。此外，Yu Du和 Xiaohu Zhou等人還針對半橋變換器很難在寬電池電壓范圍內維持高效率的問題，并提出了變頻 PWM的控制方案[23]。

綜上可以看出，對于雙向充電器的研究主要包括以下幾個方面：

（1）變換器結構的研究，包括結構的選擇以及雙向DC-DC、雙向AC-DC變換器的集成，還有就是如何利用現(xiàn)有牽引驅動系統(tǒng)完成雙向充電的功能。

（2）并網(wǎng)諧波的抑制問題，包括三電平結構的應用以及新控制策略的研究。

（3）充電器寬電壓運行范圍內的效率問題。

4.4 V2G運行對電池的影響

如前所述，電動汽車的擁有者可以通過V2G向電網(wǎng)回饋能量，從而產(chǎn)生一定的收益。但是，實際上這些收益的一部分是以 V2G設備的損耗為代價的，特別是車載電池的損耗?，F(xiàn)有電池的壽命是一定的，不斷對電池進行充電和放電必然會使其可用次數(shù)減少，容量降低。所以需要研究V2G運行對電池壽命的影響。

田納西大學的Mithat C. Kisacikoglu等人研究了電動車對電網(wǎng)進行無功補償運行時對電池的影響情況[24]。仿真表明利用Level1的方法進行充電，可以在不對電池產(chǎn)生任何功率需求的條件下實現(xiàn)無功補償，而且不會對電容產(chǎn)生不利的影響。進一步的研究需要探討在較大功率等級下進行無功補償是否會對電池產(chǎn)生不利影響。

目前，并沒有相對完善的模型來評估V2G運行對電池壽命的影響，研究只是針對V2G某一個方面來進行的，V2G運行的其他方面以及大功率的情形有待進一步討論。

5 國內研究現(xiàn)狀

在國內，V2G還是一個比較新的概念，作為智能電網(wǎng)重要的組成部分，其各項研究仍處于起步階段[25]。雖然我國還沒有制定出 V2G建設的相關發(fā)展戰(zhàn)略，但智能電網(wǎng)建設的一些研究成果實際上為V2G的發(fā)展提供了重要的參考，例如，2010年上海世博會，國家電網(wǎng)展示了V2G在世博智能電網(wǎng)中的應用。

目前，國內涉及V2G研究的機構較少，上海市電力公司技術與發(fā)展中心是較早開展此項研究的機構之一。從總體來講，國內對V2G的研究主要側重于可行性分析、整體結構的描述及各組成部分功能分析等，而對其具體的實現(xiàn)技術則涉及較少，零星分布在數(shù)量不多的文獻內。文獻[26]研究了電動汽車動力電池參與電網(wǎng)調峰的應用問題，并建立了V2G系統(tǒng)的模型為今后的研究提供參考。文獻[27]闡述了電動汽車充放電控制策略的總體思路，并針對某一特定區(qū)域給出了一種 V2G充放電控制策略算法的具體實現(xiàn)。河海大學的王丹等提出了一種基于低谷填入思想的插電式混合動力汽車集中充電算法，并給出了數(shù)學模型，通過算例仿真和效益分析表明系統(tǒng)側和用戶側能夠實現(xiàn)雙贏[28]。

可以看出，國內對 V2G的研究還處于起步階段，對于V2G所涉及的關鍵問題論述較少，仍有大量的基礎研究工作需要展開。

6 結論

V2G不論是從工程上還是從經(jīng)濟上，其效益都是引人注目的。將V2G的實現(xiàn)方法分成四類，有利于根據(jù)不同對象靈活的選擇實現(xiàn)方法。V2G四個關鍵問題分別涉及四種關鍵技術：V2G智能調度技術、智能充放電管理技術、電力電子技術以及電池管理技術。同時裝置的集成化、高效率和低成本等也是其重要的發(fā)展方向，未來必將與智能電網(wǎng)相結合，向智能化、信息化的趨勢發(fā)展。

目前，我國正大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)，考慮到現(xiàn)階段我國智能電網(wǎng)的發(fā)展水平，V2G的發(fā)展可適當參考以下三條建議：

（1）在建設智能電網(wǎng)的進程中，加緊制定V2G發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，并加強對V2G的基礎研究。

（2）在建設電動汽車基礎設施過程中，盡量將V2G的因素考慮在內。

（3）先在小規(guī)模的微電網(wǎng)內建立V2G試點工程，然后考慮擴大規(guī)模，最后將其推廣到整個大電網(wǎng)中。

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