龔成明，韓亞寧

車網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)踐進(jìn)展與框架設(shè)計(jì)

龔成明，韓亞寧

(南京德睿能源研究院有限公司, 江蘇 南京 210000)

隨著電動(dòng)汽車爆發(fā)式的增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車無(wú)序充電給電網(wǎng)帶來(lái)壓力，車網(wǎng)互動(dòng)控制成為熱門話題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也有不少車網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)踐。列舉了車網(wǎng)互動(dòng)的幾種典型實(shí)踐場(chǎng)景與方法，并對(duì)車網(wǎng)互動(dòng)的整體框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)和展望。

車網(wǎng)互動(dòng)；V2G；協(xié)調(diào)控制；電動(dòng)汽車；聚合

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，我們面領(lǐng)著前所未有的能源和環(huán)境危機(jī)，隨著技術(shù)發(fā)展，電動(dòng)汽車作為新能源汽車，將成為廣泛使用的新興清潔交通工具[1-2]。尤其近段時(shí)間以來(lái)，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程已經(jīng)接近普通燃油車水平，安全性方面也有顯著提升，解決了普通用戶對(duì)于里程和安全性的焦慮，電動(dòng)汽車得到大發(fā)展。然而，大量電動(dòng)汽車并網(wǎng)后必然對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行和規(guī)劃產(chǎn)生影響，導(dǎo)致負(fù)荷增長(zhǎng)，峰上加峰。無(wú)序充電使得電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化控制難度增加，并影響電能的質(zhì)量[3-7]。另外研究表明，電動(dòng)汽車隨機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)將不可避免地給電網(wǎng)帶來(lái)大量諧波污染[8-11]。基于此，關(guān)于電動(dòng)汽車與電網(wǎng)協(xié)同互動(dòng)，進(jìn)行有序充電顯得十分必要。目前關(guān)于車網(wǎng)互動(dòng)也有很多的研究進(jìn)展，文獻(xiàn)[12]指出，當(dāng)電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)互動(dòng)，不僅能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)，提高基荷機(jī)組利用率，保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性，還能夠提高電網(wǎng)消納可再生能源的能力，實(shí)現(xiàn)新能源車充新能源電，提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[13]介紹了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)(V2G)的關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)車網(wǎng)互動(dòng)的關(guān)鍵問(wèn)題在于調(diào)控技術(shù)、市場(chǎng)機(jī)制、技術(shù)設(shè)施三個(gè)方面。對(duì)于電動(dòng)汽車并入電網(wǎng)后的調(diào)度與控制，有學(xué)者提出基于V2G技術(shù)的電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)調(diào)度策略[14]，以降低充電成本和網(wǎng)損為目標(biāo)，建立電動(dòng)汽車調(diào)度模型。文獻(xiàn)[15-16]提出考慮電價(jià)因素的電動(dòng)汽車互動(dòng)策略，結(jié)合電動(dòng)汽車用戶對(duì)充電價(jià)格的敏感性，進(jìn)行有序充電的引導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)削峰填谷。文獻(xiàn)[17]考慮了電動(dòng)汽車對(duì)居民小區(qū)的配電影響，對(duì)住宅小區(qū)電動(dòng)汽車有序充電潛力進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為電動(dòng)汽車有序充電時(shí)能夠提高小區(qū)配電網(wǎng)承載能力，增加充電設(shè)施接入容量。

實(shí)際上，在車網(wǎng)互動(dòng)的理論研究和電動(dòng)汽車增長(zhǎng)帶來(lái)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)下，關(guān)于車網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)踐已經(jīng)開(kāi)始，但鮮有文章對(duì)此進(jìn)行分析概述。筆者將對(duì)車網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)踐進(jìn)展進(jìn)行概述，以期從實(shí)踐層呈現(xiàn)出電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的多種形式。文章基于實(shí)踐提出了車網(wǎng)互動(dòng)的框架設(shè)計(jì)，并對(duì)未來(lái)微網(wǎng)化的就地互動(dòng)控制進(jìn)行了展望。

1 車網(wǎng)互動(dòng)的實(shí)踐

理論與實(shí)踐往往是統(tǒng)一的，理論研究支撐實(shí)踐的落地，而實(shí)踐則能夠很好地檢驗(yàn)和促進(jìn)理論研究。本文首先闡述車網(wǎng)互動(dòng)過(guò)程中幾種典型的實(shí)踐示例，以切實(shí)的實(shí)踐應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用效果給讀者帶來(lái)更為真切的感受。

1.1 峰谷價(jià)差的公交充電調(diào)度

分時(shí)電價(jià)表現(xiàn)了電網(wǎng)最基本的用電負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，對(duì)于大量電動(dòng)汽車聚合體而言，通過(guò)峰谷價(jià)差能夠?qū)崿F(xiàn)充電的經(jīng)濟(jì)性，因此產(chǎn)生了基于分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車充電策略研究成果和應(yīng)用。文獻(xiàn)[18]中根據(jù)公交車輛的運(yùn)行規(guī)律和充電特性，利用電網(wǎng)的分時(shí)電價(jià)政策，有效地降低了充電站的充電費(fèi)用。文獻(xiàn)[19]中提出了基于分時(shí)電價(jià)的電動(dòng)汽車多目標(biāo)優(yōu)化充電策略，通過(guò)建立電動(dòng)汽車集中充電的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，使得充電成本最小化。

關(guān)于基于峰谷價(jià)差的公交充電調(diào)度應(yīng)用，目前有以下技術(shù)突破，如流程圖1所示。

圖1 公交充電調(diào)度流程圖

1) 形成了支持功率、SOC等目標(biāo)的調(diào)度控制協(xié)議，云端可通過(guò)該協(xié)議將控制命令下發(fā)到充電樁終端進(jìn)行車輛的充電電流控制；

2) 通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備軟件的升級(jí)，使得大量電動(dòng)汽車充電樁設(shè)備支持如1)所述的控制協(xié)議；

3) 基于大數(shù)據(jù)分析公交車輛的運(yùn)營(yíng)特性和充電特性，并基于此對(duì)公交車輛的出行需求進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；

4) 云端部署優(yōu)化調(diào)度的算法，通過(guò)采集各充電車輛的實(shí)時(shí)充電信息，并結(jié)合如3)所述的預(yù)測(cè)信息進(jìn)行云端優(yōu)化計(jì)算，得到各電動(dòng)汽車當(dāng)前最優(yōu)充電計(jì)劃。

以上技術(shù)突破使得整個(gè)調(diào)度流程在云端自動(dòng)執(zhí)行，消除了人工定時(shí)開(kāi)啟充電進(jìn)行峰谷套利的人力成本，公交車司機(jī)停車后，插槍即可在電價(jià)高峰期限制充電，低谷期開(kāi)啟充電。另外，對(duì)公交運(yùn)營(yíng)特性的分析和出行計(jì)劃的預(yù)測(cè)來(lái)確定調(diào)度的約束條件，使得調(diào)度過(guò)程能夠滿足車輛正常運(yùn)營(yíng)需求。

1.2 臺(tái)區(qū)充電調(diào)度

隨著局部地區(qū)用電需求的增長(zhǎng)，用電時(shí)間和空間上的隨機(jī)性，某些供電臺(tái)區(qū)往往會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題：

1) 一些有充電需求的場(chǎng)所，變壓器增容困難；

2) 原有變壓器用電峰谷差非常大，利用小時(shí)數(shù)很低；

3) 如果簡(jiǎn)單增設(shè)充電設(shè)施，高峰充電時(shí)段將引起過(guò)載。

針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)復(fù)用1.1節(jié)中所述的調(diào)度控制協(xié)議，并獲取變壓器的負(fù)載率作為調(diào)度決策的約束條件，當(dāng)充電負(fù)荷過(guò)高且接近變壓器容量時(shí)，主動(dòng)降低車輛充電功率，保持變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

臺(tái)區(qū)充電調(diào)度的首要目標(biāo)就是保護(hù)變壓器，通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，避免增加充電設(shè)施后變壓器過(guò)載的情況，有效提高了變壓器負(fù)載率和利用率。

1.3 聚合電動(dòng)汽車參與調(diào)峰輔助服務(wù)

基于峰谷電價(jià)響應(yīng)的調(diào)度策略對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行來(lái)說(shuō)不夠精細(xì)，難以緩解日益增大的電網(wǎng)調(diào)峰壓力。而傳統(tǒng)調(diào)峰機(jī)組的調(diào)峰能力已經(jīng)有了上限，電動(dòng)汽車聚合體作為規(guī)模龐大的負(fù)荷側(cè)資源，具備一定的調(diào)峰能力。目前，電網(wǎng)也在積極挖掘包含電動(dòng)汽車在內(nèi)的負(fù)荷側(cè)資源參與電力調(diào)峰輔助服務(wù)。

聚合電動(dòng)汽車參與調(diào)峰輔助服務(wù)，聚合商首先與電網(wǎng)調(diào)度中心建立信息交互通道，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，電網(wǎng)通過(guò)下發(fā)調(diào)度指令的形式對(duì)聚合的充電資源進(jìn)行總體控制，調(diào)度指令由聚合商分解執(zhí)行，來(lái)滿足電網(wǎng)的調(diào)峰需求。

以華北地區(qū)為例，冬季京津冀北地區(qū)由于供暖期燃煤機(jī)組運(yùn)行率高，夜間風(fēng)能發(fā)電量大，導(dǎo)致地區(qū)在夜間時(shí)段有較大的調(diào)峰壓力。而華北地區(qū)有40萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，總?cè)萘考s180萬(wàn)千瓦，華北電網(wǎng)鼓勵(lì)第三方主體通過(guò)聚合的方式，對(duì)分散的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷進(jìn)行控制和引導(dǎo)，并在2019年首次開(kāi)展含負(fù)荷側(cè)聚合商主體在內(nèi)調(diào)峰市場(chǎng)，促進(jìn)新能源消納1 958萬(wàn)千瓦時(shí)，減少了棄光棄風(fēng)，緩解調(diào)峰壓力，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)、發(fā)電企業(yè)、負(fù)荷聚合商、終端用戶的多方共贏。

1.4 分區(qū)聚合參與互動(dòng)控制與需求響應(yīng)

一個(gè)省市級(jí)地區(qū)內(nèi)往往是局部地區(qū)出現(xiàn)供電壓力大的情況下，總體聚合調(diào)度時(shí)難以滿足各區(qū)域的調(diào)峰調(diào)頻和需求響應(yīng)。為消除或緩解局部地區(qū)用電的過(guò)載、重載問(wèn)題，因而演化出分區(qū)聚合電動(dòng)汽車來(lái)接受電網(wǎng)調(diào)度的方案，聚合商將每個(gè)區(qū)域作為一個(gè)聚合單元，電網(wǎng)可按實(shí)際需求對(duì)其中一個(gè)或幾個(gè)聚合單元進(jìn)行控制。

這種方案目前在青島地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施，電動(dòng)汽車作為負(fù)荷側(cè)資源，由負(fù)荷聚合商按供電臺(tái)區(qū)聚合起來(lái)參與泛在物聯(lián)互動(dòng)控制，接受電網(wǎng)調(diào)度指令。分區(qū)的控制更精細(xì)更靈活，具體區(qū)域的劃分可按電網(wǎng)實(shí)際調(diào)度需求而定，滿足電網(wǎng)的精細(xì)化調(diào)度需求。

1.5 特定品種中長(zhǎng)期電力交易

目前，我國(guó)新能源并網(wǎng)裝機(jī)和消納總量高速增長(zhǎng)，但存在地域上、時(shí)間上的不平衡性，能源供給與能源需求的矛盾突出，部分地區(qū)出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光、棄水的問(wèn)題[20]，因此綠電交易需求明顯，交易的價(jià)格空間很大。

實(shí)際上，一定規(guī)模的充電負(fù)荷聚合后具有較強(qiáng)的總體規(guī)律，考慮日期、天氣等因素可實(shí)現(xiàn)較高的用電量預(yù)測(cè)精度，能夠參與中長(zhǎng)期電力交易，消納本地區(qū)或跨省的綠色低價(jià)電力，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。目前，國(guó)內(nèi)各地區(qū)均有中長(zhǎng)期電力交易市場(chǎng)組織或開(kāi)展，近期云南省出臺(tái)的《云南電力中長(zhǎng)期交易實(shí)施細(xì)則》(征求意見(jiàn)稿)，明確提出要堅(jiān)持節(jié)能減排和清潔能源優(yōu)先上網(wǎng)，促進(jìn)清潔能源生產(chǎn)和消納。充電運(yùn)營(yíng)商作為電力大用戶，在滿足準(zhǔn)入條件的情況下結(jié)合用電需求預(yù)測(cè)參與綠電中長(zhǎng)期電力交易，可在低價(jià)購(gòu)電的同時(shí)促進(jìn)消納新能源電力，實(shí)現(xiàn)新能源車充新能源電。例如，西南地區(qū)夏季豐水期水電富余，四川省開(kāi)展了富余電量和低谷棄水等交易品種，若結(jié)合充電負(fù)荷時(shí)間特點(diǎn)合理參與，既能夠幫助消納水電，又能夠顯著降低電動(dòng)汽車用能成本。

2 車網(wǎng)互動(dòng)框架初探與展望

在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，給出車網(wǎng)互動(dòng)的框架，即車網(wǎng)互動(dòng)包含信息交互、價(jià)值交互、能量交互三個(gè)方面，以能量交互為最終目的，以技術(shù)條件作為支撐，并將聚合層作為交互的中間橋梁，在此基礎(chǔ)上需要完善的市場(chǎng)化交易體系。同時(shí)，隨著微電網(wǎng)的發(fā)展，微網(wǎng)化的就地調(diào)控也將是未來(lái)車網(wǎng)互動(dòng)的重要一環(huán)。

2.1 具備支持能量交互的基礎(chǔ)

車網(wǎng)互動(dòng)的最終目的是能量的交互，而能量交互則以價(jià)值交互、信息交互和技術(shù)支撐為前提條件，具體如下：

1) 價(jià)值交互是能量交互的強(qiáng)心劑，只有建立完善的市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制，才能充分調(diào)動(dòng)各方參與電力互動(dòng)與交易的積極性，也才能維持交易的持久性。

2) 信息交互是能量交互的載體，如圖2所示，這種交互是多邊的，電網(wǎng)將控制需求作為控制指令下發(fā)給負(fù)荷聚合商，聚合商控制所聚合的各電動(dòng)汽車單體，同時(shí)采集電動(dòng)汽車充電信息，并上送給電網(wǎng)，由電網(wǎng)對(duì)聚合商的調(diào)度效果進(jìn)行考核，并進(jìn)行收益結(jié)算。

3) 技術(shù)支撐是能量交互的必要條件。如何打通電網(wǎng)調(diào)控中心與負(fù)荷聚合商的信息交互通道，進(jìn)行安全高效的數(shù)據(jù)交互；如何對(duì)電網(wǎng)調(diào)度指令進(jìn)行分解，優(yōu)化各電動(dòng)汽車單體的充電功率；如何與底層設(shè)備交互，實(shí)施對(duì)車輛的精準(zhǔn)、快速的控制；以及動(dòng)力電池技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性的提升等，都是車網(wǎng)互動(dòng)時(shí)必須要解決的技術(shù)問(wèn)題。

圖2 聚合商與電網(wǎng)互動(dòng)交互示意圖

2.2 聚合層作為中間橋梁

車網(wǎng)互動(dòng)過(guò)程中，負(fù)荷聚合商層面起到至關(guān)重要的作用。首先，單個(gè)充電用戶對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)能的價(jià)值不敏感，難以發(fā)揮電動(dòng)汽車的調(diào)節(jié)價(jià)值，負(fù)荷聚合商作為電網(wǎng)與終端用戶之間的橋梁，組織電動(dòng)汽車作為聚合體參與電網(wǎng)互動(dòng)，并通過(guò)控制或營(yíng)銷手段引導(dǎo)電動(dòng)汽車進(jìn)行依電網(wǎng)需求的有序充電，能量巨大。同時(shí)，聚合層能夠消除電網(wǎng)對(duì)大規(guī)模電動(dòng)汽車直接實(shí)施控制時(shí)的調(diào)度壓力與權(quán)責(zé)問(wèn)題，能快速高效地將電動(dòng)汽車這種移動(dòng)式儲(chǔ)能聚合起來(lái)接受電網(wǎng)調(diào)度。

2.3 制定與完善市場(chǎng)化交易體系及規(guī)則

目前，華北調(diào)峰市場(chǎng)作為國(guó)內(nèi)首個(gè)第三方主體，參與的負(fù)荷側(cè)資源接入電網(wǎng)調(diào)峰并實(shí)際結(jié)算的輔助服務(wù)市場(chǎng)，帶動(dòng)了整個(gè)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)化交易體系的建設(shè)。近期江蘇等地也有就負(fù)荷側(cè)資源參與調(diào)峰的市場(chǎng)規(guī)則出臺(tái)并向公眾征求意見(jiàn)。推進(jìn)建設(shè)市場(chǎng)化交易體系，電網(wǎng)側(cè)應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展現(xiàn)貨、中長(zhǎng)期、輔助服務(wù)等多品種交易市場(chǎng)，深化制定市場(chǎng)規(guī)則，完善交易機(jī)制，并積極吸納第三方交易主體的建議和意見(jiàn)，逐步形成完善的市場(chǎng)化交易體系。

2.4 展望—微網(wǎng)化就地調(diào)控

隨著清潔能源的推廣和用戶用電經(jīng)濟(jì)性需求，由分布式光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷等組成的微電網(wǎng)開(kāi)始普及，電動(dòng)汽車作為移動(dòng)負(fù)荷和電源，也是微電網(wǎng)的重要組成部分。文獻(xiàn)[21]考慮了電動(dòng)汽車有序充電下對(duì)微電網(wǎng)優(yōu)化配置的影響，認(rèn)為降低了微電網(wǎng)的規(guī)劃成本和用戶的充電費(fèi)用。近期有不少關(guān)于包含電動(dòng)汽車在內(nèi)的微電網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制理論和技術(shù)的研究。將電動(dòng)汽車及其充電設(shè)施融入微電網(wǎng)，通過(guò)就地配置光伏、儲(chǔ)能，提供微網(wǎng)化的運(yùn)行控制能力，就能實(shí)現(xiàn)在用戶側(cè)的就地互動(dòng)控制，并在條件允許時(shí)給電網(wǎng)提供高效的調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)。

3 結(jié)論

隨著電動(dòng)汽車爆發(fā)式的增長(zhǎng)，居民、工商業(yè)用電負(fù)荷不斷提升，局部時(shí)間和空間范圍上用電負(fù)荷和發(fā)電能力的矛盾加大，電力系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。2020年冬天湖南省就出現(xiàn)了電力供應(yīng)不足的問(wèn)題，挖掘負(fù)荷側(cè)資源進(jìn)行有序充電，尤其是聚合大量電動(dòng)汽車進(jìn)行車網(wǎng)互動(dòng)控制，可以說(shuō)迫在眉睫。本文從應(yīng)用層面介紹了車網(wǎng)互動(dòng)的幾種模式與案例，突出體現(xiàn)了車網(wǎng)互動(dòng)的應(yīng)用價(jià)值和效果，并對(duì)車網(wǎng)互動(dòng)的框架設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討，提出車網(wǎng)互動(dòng)時(shí)支持能量交互的基礎(chǔ)條件是利益的交互、信息的交互和技術(shù)的支撐，并以聚合層作為中間橋梁，在此基礎(chǔ)上需要建立完善的市場(chǎng)化交易體系。

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On the practical progress and framework design of vehicle to grid

GONG Chengming, HAN Yaning

(DERI Energy Research Institute Co., Ltd., Nanjing 210000, China)

With the explosive growth of electric vehicles, the disorderly charging of electric vehicles puts pressure on the power grid, and the interactive control of the Vehicle to Grid (V2G) has become a hot topic. In recent years, there have been many practices of V2G at home and abroad. This paper summarizes several typical practical examples and methods of V2G, and then presents the designs and prospects of the overall framework of V2G.

vehicle to grid; V2G; coordination control; electric vehicles; aggregation

2020-12-29；

2021-01-04

龔成明(1977—)，男，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行控制、微電網(wǎng)系統(tǒng)和綜合能源管理等；E-mail: gongchengming@deri.energy

韓亞寧(1995—)，男，通信作者，本科，軟件開(kāi)發(fā)工程師，研究方向?yàn)槌潆娔芰抗芾怼⒊潆娯?fù)荷調(diào)控與市場(chǎng)化交易領(lǐng)域。E-mail: hynkoala@163.com