許曉慧，陳麗娟 ，張 浩 ，丁孝華

(1.國網(wǎng)電力科學研究院，江蘇 南京 210003；2.東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

電動汽車與電網(wǎng)進行雙向互動的技術(shù)（V2G）[1]是一種新型電網(wǎng)技術(shù)，體現(xiàn)的是能量雙向、實時、可控、高速地在車輛和電網(wǎng)之間流動[2，3]，是“智能電網(wǎng)”的重要組成部分。充放電控制裝置既有與電網(wǎng)的交互，又有與車輛的交互，交互的內(nèi)容包括能量轉(zhuǎn)換、客戶需求信息、電網(wǎng)狀態(tài)、車輛信息、計量計費信息等[4]。因此，V2G技術(shù)是融合了電力電子技術(shù)、通信技術(shù)、調(diào)度和計量技術(shù)、需求側(cè)管理等的高端綜合應用。目前，美國對電動汽車與電網(wǎng)的研究處于領(lǐng)先狀態(tài)，大多數(shù)試點也都在美國實施[5，6]。2002年AC Propulsion對一輛Volkswagen Beetle進行了改裝，使其可與電網(wǎng)進行雙向能轉(zhuǎn)換，并安裝有無線通信裝置，可接受充放電命令。美國特拉華大學的Will lett Kempton教授領(lǐng)導的團隊，在2007年10月，成功將一輛電動汽車接入電網(wǎng)并接受調(diào)度命令，車輛作為調(diào)峰發(fā)電設備，每車每年可為電力公司帶來4000美元的效益。此外，2007年底，美國福特汽車與美國Xcel Energy公司把互動智能電網(wǎng)概念引入新能源汽車領(lǐng)域。

電動汽車與電網(wǎng)的概念正從美國向全球展開，丹麥、荷蘭、英國和澳大利亞都正在進行關(guān)于電動汽車與電網(wǎng)的研究工作。在丹麥，可持續(xù)能源國家實驗室正在對電動汽車負荷管理和儲能進行研究用以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；丹麥能源公司Dong Energy也正計劃一個多達100輛電動汽車的示范工程；荷蘭Kema研究所正在開展"ITM"項目，主要對電動汽車對電網(wǎng)的影響和管理方法進行研究；澳大利亞IIASA研究所也對電動汽車與電網(wǎng)的應用條件、對電動汽車發(fā)展的促進等進行了研究。英國Warwick大學正在開展"V2GUK"項目，主要目的是研究電動汽車對基礎(chǔ)供電設施的影響。我國在電動汽車與電網(wǎng)互動方面也開展了多方面工作[7]。2010年上海世博園區(qū)國家電網(wǎng)企業(yè)館中進行電動汽車與電網(wǎng)雙向互動的展示，演示時使用的車輛是上海汽車開發(fā)的榮威350EV版，該系統(tǒng)具有定時、定峰、削峰填谷等充放電策略，可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，完成不同模式下充放電功能?？傮w上國內(nèi)外研究處于起步和探索階段，實現(xiàn)的V2G技術(shù)只是示范工程，控制的車輛數(shù)目較少，并且局限在某一固定區(qū)域，其數(shù)據(jù)傳輸量少，控制參數(shù)較少，在規(guī)模化電動汽車與電網(wǎng)的互動協(xié)調(diào)控制等方面的研究尚有待進一步加強。

1 規(guī)?；疺2G的互動方式及目標

1.1 互動方式

目前，電動汽車充電方式主要分為交流充（放）電樁、充（放）電站和電池更換站三種。其三種充電方式對應的互動方式如表1所示。

表1 規(guī)?；疺2G互動方式

1.2 互動目標

考慮到實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)互動的難易程度，將互動目標由易至難劃分為三個層次。

（1）第一層次為削峰填谷。根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)信息、電動汽車充放電負荷信息，確定并發(fā)布分時電價；通過調(diào)整電價實現(xiàn)對電動汽車充放電負荷的調(diào)節(jié)，達到削峰填谷的目標。

（2）第二層次為備用服務。電動汽車以可中斷負荷的形式 （在電網(wǎng)峰荷或故障時中斷電動汽車充電負荷）向電網(wǎng)提供備用服務，可起到提高電網(wǎng)可靠性的作用。

（3）第三層次為調(diào)頻服務。大規(guī)模電動汽車具有可觀的儲能容量，且能夠快速改變充放電狀態(tài)，具有向電網(wǎng)提供調(diào)頻服務的巨大潛力。

三種互動目標的基本設計方案如表2所示。電動汽車與電網(wǎng)互動可由低層次向高層次逐級實現(xiàn)。

表2 三種互動目標的基本設計方案

2 規(guī)?；疺2G的控制策略

電動汽車與電網(wǎng)互動體現(xiàn)在能量和信息的雙向流動。而控制策略是實現(xiàn)這種雙向流動的核心。所謂控制策略是在充分采集電網(wǎng)和用戶數(shù)據(jù)，權(quán)衡多方利益的基礎(chǔ)上作出的決策性判斷。該判斷將對用戶的行為和電網(wǎng)的運行狀態(tài)產(chǎn)生直接的影響。在雙方作出決策時，需要有一個共同遵循的準則，這就是市場機制。

2.1 市場機制

（1）電動汽車提供削峰填谷服務的市場機制。采用基于分時電價的市場機制引導電動汽車的充放電狀態(tài)和過程，達到削峰填谷和平滑負荷曲線的目的。根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)信息、電動汽車充放電負荷信息，確定并發(fā)布分時電價，通過調(diào)節(jié)分時電價實現(xiàn)對電動汽車充放電負荷的調(diào)節(jié)。用戶根據(jù)分時電價、電池狀態(tài)以及自身需求，制定以經(jīng)濟效益最大化為目標的電池充放電策略。

（2）電動汽車提供備用和調(diào)頻服務的市場機制。電動汽車提供備用和調(diào)頻服務的市場機制研究方案如圖1所示。

首先分析電動汽車參與電網(wǎng)互動的成本（主要是對電池壽命的影響）、電網(wǎng)公司能夠獲得的效益和社會效益。對電網(wǎng)公司無法直接獲得的效益（如可再生能源多發(fā)電、減排效益等），考慮政府給予電動汽車用戶和電網(wǎng)公司一定的補貼，以支持電動汽車與電網(wǎng)的互動。這一市場機制需要研究電網(wǎng)公司與電動汽車用戶簽訂雙邊合同的方式。電動汽車用戶參與電網(wǎng)互動可獲得一定的補償，但雙邊合同也會規(guī)定用戶應盡的義務、相應的考核和獎懲措施等。

圖1 備用和調(diào)頻服務的市場機制示意圖

2.2 協(xié)調(diào)控制策略

對3輛電動汽車與電網(wǎng)互動目標擬采用的協(xié)調(diào)控制策略如圖2所示。

圖2 電動汽車與電網(wǎng)互動的控制策略

（1）以削峰填谷為目標的控制策略?；趯Υ稳盏呢摵深A測，考慮發(fā)電成本、用戶充電成本和用戶響應程度，以綜合成本最低為目標，制訂合理的電動汽車充放電價格并向充放電設施發(fā)布。

（2）提供備用服務的控制策略。電動汽車提供備用服務的形式包括運行備用和事故備用。對運行備用，在保持電網(wǎng)可靠運行的前提下，基于對與電網(wǎng)連接電動汽車規(guī)模的預測，以備用成本最小為目標，分配電動汽車提供運行備用的容量大??；對于緊急備用，在事故情況下，以損失最小為目標，短時中斷電動汽車的充放電狀態(tài)。

（3）提供調(diào)頻服務的控制策略。由電動汽車與電網(wǎng)互動的通信信息平臺，獲取電動汽車與電網(wǎng)連接及電池的狀態(tài)，計算能夠參與調(diào)頻的電動汽車電池容量；在分析系統(tǒng)負荷特性和頻率特性的基礎(chǔ)上，提出電動汽車參與調(diào)頻的優(yōu)化控制方法。由于調(diào)頻服務是一個動態(tài)的過程，需要考慮在一段時間內(nèi)的全局優(yōu)化。另外，在調(diào)頻市場機制足夠吸引用戶的前提下，多輛電動汽車參與調(diào)頻服務是一個多方博弈問題，擬采用基于博弈理論的全局優(yōu)化策略。

3 規(guī)模化V2G的實現(xiàn)設想

互動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是實現(xiàn)規(guī)?；疺2G的核心。它根據(jù)電網(wǎng)的實時信息以及電動汽車的狀態(tài)和用戶需求信息進行決策，制定優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制策略；根據(jù)電網(wǎng)信息和控制指令優(yōu)化電動汽車的充放電過程，從而實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)能量和信息的雙向互動。根據(jù)前一部分所述控制策略，設計的互動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)功能

（1）與電動汽車、充放電設施及與電網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)間的通信功能；可靠性的通信信息系統(tǒng)，保證協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與大量充放電設施的雙向通信。

（2）針對不同層次互動內(nèi)容的優(yōu)化決策功能；互動決策算法能在規(guī)定的時間根據(jù)充放電設施的連網(wǎng)狀態(tài)和電池狀態(tài)給出優(yōu)化決策指令；充電站與電網(wǎng)互動實際上是雙層互動，充電站內(nèi)的多臺充放電機和多個電池組由站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，這大大減輕了互動協(xié)調(diào)控制決策模塊的計算量。

（3）不同層次互動內(nèi)容的互動效果和經(jīng)濟效益評估功能。

（4）電動汽車與電網(wǎng)互動的實體、物理和數(shù)字仿真功能。

3.2 系統(tǒng)信息交互

（1）與電網(wǎng)調(diào)度和運營系統(tǒng)的交互。系統(tǒng)通過開放接口，從電網(wǎng)的調(diào)度和運行系統(tǒng)獲取電網(wǎng)運行的實際數(shù)據(jù)，并獲取電力公司與電動汽車的營銷信息等。

（2）與配電網(wǎng)歷史運行數(shù)據(jù)庫的交互。為驗證分析需要，建立電網(wǎng)運行的歷史數(shù)據(jù)庫。在不能與電網(wǎng)實時信息系統(tǒng)相連的情況下，系統(tǒng)可調(diào)用電網(wǎng)的歷史數(shù)據(jù)進行仿真分析。

（3）與電動汽車充放電模擬器的交互。在互動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，電動汽車和充放電設施的數(shù)量有限，為模擬大規(guī)模電動汽車與電網(wǎng)的互動，需開發(fā)專門的電動汽車充放電模擬器。模擬器建立典型電動汽車充放電的數(shù)學模型，接收發(fā)布的信息，模擬充放電過程并向系統(tǒng)反饋充放電狀態(tài)。在沒有大規(guī)模電動汽車接網(wǎng)的條件下，由充放電模擬器進行大規(guī)模電動汽車與電網(wǎng)互動的仿真模擬，可檢驗互動協(xié)調(diào)控制決策模塊的計算能力和互動控制的效果。

4 結(jié)束語

本文在所設計的市場機制以及協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上提出了規(guī)?；妱悠嚺c電網(wǎng)互動的方案設想。本文分析得出實現(xiàn)規(guī)?；疺2G的核心是建設互動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。因此，本文從功能以及與信息交互等方面提出了互動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建設方案設想，為未來實現(xiàn)規(guī)模化電動汽車與電網(wǎng)互動提供了研究思路和基礎(chǔ)。

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