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(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

電動汽車是21世紀能源領(lǐng)域最重要的研究方向之一。大量電動汽車接入電網(wǎng)會增加系統(tǒng)負荷，并且電動汽車的充電時間有很強的不確定性，這將加大電力網(wǎng)絡(luò)的控制難度，對電力系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響[1]。

電動汽車與電網(wǎng)互動(Vehicle-to-Girid,V2G)技術(shù)可以解決上述問題。V2G是指電能在電網(wǎng)和電動汽車間雙向流動，其核心概念是使用大量電動汽車作為儲能來平抑新能源并網(wǎng)引起的劇烈波動。

然而電動汽車接入電網(wǎng)必須接受一定的管理，否則在系統(tǒng)處于高峰負荷時段，大量電動汽車接入電網(wǎng)會對系統(tǒng)造成嚴重破壞[2]。而從車主的角度看，使用電動汽車要在滿足車主可以使用汽車進行日常活動的前提下為電力系統(tǒng)提供輔助服務(wù)。因此，V2G技術(shù)需要結(jié)合協(xié)調(diào)充放電策略實施才能既不影響汽車的正常使用，又發(fā)揮電動汽車的緩沖作用。V2G技術(shù)實現(xiàn)了能源在電網(wǎng)與電動汽車之間實時控制、高速流動。

本文首先綜述了V2G技術(shù)的實現(xiàn)方式。其次介紹了V2G技術(shù)的主要功能。為了使電力系統(tǒng)能夠接納越來越多的電動汽車充電負荷，還需要考慮電動汽車充電的調(diào)度問題。因此，本文最后分析了各種電動汽車充電策略。

2 V2G技術(shù)的實施

V2G技術(shù)能夠使電動汽車直接向分布式電網(wǎng)發(fā)送潮流，從而實現(xiàn)電力的分布式存儲。

實施V2G技術(shù)需要兩種網(wǎng)絡(luò)連接：

(1)電力網(wǎng)絡(luò)。電力網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的電力交換，即實現(xiàn)電動汽車的充放電。

(2)通信網(wǎng)絡(luò)。通信網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)送邏輯控制信號，這使得電動汽車能夠向電網(wǎng)發(fā)送充放電信號，同時也可以接受到來自電網(wǎng)的反饋控制信號[3]。

帶有V2G技術(shù)的電動汽車既是負荷又是分布式儲能設(shè)備[4]。當分布式網(wǎng)絡(luò)處于高峰負荷時段，電動汽車可以接入網(wǎng)絡(luò)向其傳送潮流，從而增加了系統(tǒng)的可靠度。

由于電動汽車的多樣性、不同的用途、不同的電力供給模式以及充電站不同的控制策略[5]，實現(xiàn)V2G有不同的方法。下面分別闡述三種主要的方法。

2.1 集中式V2G

集中式V2G是在某一區(qū)域基于電網(wǎng)的需求來安排電動汽車充電，這種方法使用特定的管理策略來控制電動汽車的充放電。

由電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)分配的負荷需求PD是V2G調(diào)峰的基礎(chǔ)，每個電動汽車電池的荷電狀態(tài)(State of Charge,SOCs)作為評估可容納功率范圍的指標。V2G優(yōu)化電力配置使電動汽車工作在合適的放電狀態(tài)，其目標函數(shù)表示如下：

(1)

式中,Pi是每個電動汽車的進給功率；N是參與V2G的電動汽車數(shù)量?；谡{(diào)峰反饋的SOC最優(yōu)功率策略可以提高電池饋電電流的能效，這可以減少電池損耗，盡可能延長電動汽車電池的壽命。

填充負荷低谷可以近似的表示為V2G充電站額定功率與接入充電站的電動汽車額定功率之間差值的最小化函數(shù)，如式(2)所示：

(2)

調(diào)控電動汽車充電的一個優(yōu)化目標為最小化負荷波動，可以表示如下：

(3)

式中，LD為時間間隔T內(nèi)的平均負荷；Lm,t是時刻T節(jié)點m的負荷。一些約束條件如系統(tǒng)網(wǎng)損、節(jié)點電壓、負荷及電流運算可以用來校準負荷分布。

2.2 基于微網(wǎng)的V2G

微網(wǎng)通常包含電動汽車、風電、微型渦輪機以及其他新能源電源。V2G技術(shù)是將電動汽車以儲能設(shè)備形式接入微網(wǎng)。

基于微網(wǎng)的V2G調(diào)度優(yōu)化模型目標函數(shù)一般是最小化發(fā)電成本的期望，如式(4)所示：

minE(Fall)

(4)

通過固定投資和操作成本分析微網(wǎng)的經(jīng)濟收益，優(yōu)化目標函數(shù)表示如下：

(5)

在微網(wǎng)中實現(xiàn)V2G使電動汽車能夠集成進包含風能、太陽能等分布式能源的居民電力供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中。這樣電動汽車就可以輔助新能源向居民及商業(yè)建筑用戶發(fā)電，提高新能源的利用范圍。

2.3 基于電池替換的V2G

電動公交車的電池容量大，充電耗時較長。隨著電動公交車的推廣普及，交通系統(tǒng)開始嘗試基于電池替換的V2G。此方法中只有充電站的儲備電池能夠參與V2G。為了提高電池組的利用率，充電站需要結(jié)合公交車的行程時間來規(guī)劃電池的裝卸時間。充放電循環(huán)次數(shù)與電動汽車儲存的剩余電量關(guān)系表示如下：

an=a0-anb

(6)

式中，an是電池經(jīng)過n次充放電后的電力保有率；a0,a和b是由電池類型決定的參數(shù)。一個典型的電動汽車發(fā)電模型為在一定條件下最小化微網(wǎng)的操作成本，這可以表示為式(7)～(9)：

(7)

(8)

(9)

3 V2G技術(shù)的功能

(1)調(diào)節(jié)電壓和頻率

電力系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率來平衡有功功率的供求關(guān)系。啟停大型發(fā)電設(shè)備來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率成本較高，而電動汽車在V2G系統(tǒng)中能夠通過對電網(wǎng)進行快速的充放電來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率，這種方式較為經(jīng)濟，是對傳統(tǒng)調(diào)頻方式的有力補充[7]。

電力系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓來平衡無功功率的供需。電動汽車充電器嵌入電壓控制裝置后，能夠選擇合適的電流相角來補償容性無功和感性無功。當系統(tǒng)的電壓水平較低時，電動汽車停止充電，電壓水平較高時，電動汽車恢復充電，這有利于系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。

(2)平衡負荷

在晚上6點～11點，系統(tǒng)負荷通常處于較高水平，在此時間段V2G系統(tǒng)可以控制電動汽車向系統(tǒng)放電，而在夜晚12點以后，系統(tǒng)負荷需求往往很低，此時電動汽車可以進行充電。V2G技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對電動汽車的智能調(diào)度，使其分時段充電，這樣就可以平抑系統(tǒng)的負荷波動[8]，降低系統(tǒng)的經(jīng)濟成本。

(3)支持新能源

隨著間歇性新能源發(fā)電在電網(wǎng)電力供給側(cè)占比逐漸增加，電網(wǎng)的波動將越來越強。當新能源出力很高時，為了平衡系統(tǒng)負荷供需，電網(wǎng)調(diào)度員通常降低常規(guī)機組出力或者削減分布式電源。V2G系統(tǒng)能夠使電動汽車在新能源出力較高時選擇充電，在新能源出力較低時選擇放電，這就提高了電力系統(tǒng)接納新能源的能力[9]。

4 電動汽車的充電策略

決定電動汽車價格的主要因素有電池的容量和大小。一些重要因素，例如對電力網(wǎng)絡(luò)的影響、經(jīng)濟成本、電動汽車的排放收益主要取決于汽車的類型、充電電池的特點、充放電策略以及充電頻率。而減小充電電池的體積或重量能夠增加充電汽車的實用性。當電池體積增加到某一程度時，將會增加每一臺電動汽車的平均電量需求，而電動汽車充電速率較高，會進一步增加系統(tǒng)用電高峰時的負荷波動。

電動汽車充電時，除了會增加大量負荷，影響系統(tǒng)頻率，還會對系統(tǒng)電壓產(chǎn)生重大影響。因此，需要研究電動汽車充電的調(diào)度策略，根據(jù)充電時間和充電頻率來制定不同類型的充電策略。目前主要的充電策略有：非協(xié)調(diào)充電、協(xié)調(diào)充電、延時充電和非高峰充電。

(1)非協(xié)調(diào)充電

非協(xié)調(diào)充電是指電動汽車每當停泊時開始充電。這種類型的充電策略不需要智能調(diào)度，電動汽車車主在家里充電無需考慮時間因素。電動汽車非協(xié)調(diào)充電的普及率會對分布式系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，其不斷提高系統(tǒng)的峰值負荷，這會對分布式網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。并且這種充電方式會增加電網(wǎng)分布參數(shù)如變壓器和電纜的負荷，增大變壓器的電流，從而減少電網(wǎng)的可靠性。

(2)協(xié)調(diào)充電

能夠優(yōu)化充電調(diào)度的協(xié)調(diào)充電策略可以避免電動汽車充電對電力負荷的負面影響[10]，協(xié)調(diào)充電是指電動汽車在某一特定時間段充電，這個時間段通常是系統(tǒng)負荷水平較低的時間。應(yīng)用協(xié)調(diào)充電策略可以減小分布式網(wǎng)絡(luò)的阻塞，減少新能源發(fā)電的浪費，從而節(jié)省投資成本。

智能充放電策略能夠減少電力的日均成本，減小系統(tǒng)電壓的偏差，減少變壓器的負荷涌流和電力線路的潮流。為了實施智能充放電策略，分布式網(wǎng)絡(luò)需要安裝智能電表，實施智能控制和通信技術(shù)。通過對充放電使用實時非線性電價，使用智能充放電策略的電動汽車車主還能夠獲得相應(yīng)的經(jīng)濟收益

(3)延時充電和非高峰充電

延時充電是指電動汽車在家充電時接到信號將充電推遲到某一特定時間的充電策略。這種策略通常作為協(xié)調(diào)/非協(xié)調(diào)充電策略的補充。非高峰充電是指電動汽車在接收到電力公司的直接命令時才開始充電，這種充電策略使分布式網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性更強，但是缺少一定的靈活性，需要和協(xié)調(diào)充電搭配使用。

5 結(jié)語

V2G技術(shù)可以提高電網(wǎng)運行效率，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，使電網(wǎng)調(diào)度更為靈活。V2G無論從經(jīng)濟層面還是技術(shù)層面都能給其參與者帶來明顯的收益。本文詳細闡述了V2G的三種實現(xiàn)方式，之后介紹了V2G的三個主要功能，最后給出了電動汽車的四種充電策略。隨著V2G技術(shù)的推廣普及，充電策略日趨成熟，電動汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車的目標將會實現(xiàn)。

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