電動汽車充放電站在電網調峰中的應用

張秉良 ，孫玉田 ，孫 勇 ，張博頤

(1.山東電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.華北電力大學，北京 102206)

0 引言

近年來，隨著人民生活水平提高和電力負荷發展，電網容量不斷擴大，加上風電、太陽能等新能源的迅猛發展，致使電網峰谷差也日益加大，為電網的安全運行帶來巨大挑戰。電動汽車以電為動力，是堅強智能電網的重要組成部分，而且電動汽車的動力電池可以儲存電能，可以理解為電網中的移動的分布式儲能單元，具有清潔、高效、環保等特點，由此形成了“車—電”互聯(Vehicle to Grid，簡稱 V2G)的概念［1-2］。

V2G描述的是一種新型電網技術，電動汽車(充放電站)不僅作為電力消費體，同時，在電動汽車閑置時可以作為綠色可再生能源為電網提供電力，實現在受控狀態下電動汽車(充電站)的能量與電網之間的雙向互動和交換。目前國內外關于V2G已經展開廣泛研究。文獻［3］綜述了電動汽車與電網交互關系的研究現狀，指出雖然該領域是當前的研究熱點，但是各項研究均處于起步階段，如電動汽車電池充電負荷模型的研究以及車用電池在“車輛到電網”中的模型。文獻［4］通過動力電池參與電網調峰應用分析，論述電動汽車動力電池移動儲能技術應用優勢，可行性和基本系統模型，可為今后的研究提供參考。文獻［5］闡述了電動汽車充放電控制策略總體思路以及實現V2G的24 h發電計劃原理。并以某一特定區域的電網負荷和 3輛電動汽車參與 V2G活動為例，介紹一種V2G充放電控制策略算法的具體實現。

目前電動汽車尚未形成大規模應用，尤其是V2G技術的完善還需時日，仍有大量的基礎研究工作需要展開。介紹了電動汽車充放電站的充放電特性，預測充放電站充電容量和可調度放電容量，提出了充放電站參與電網調峰平衡的方法。

1 充放電站充放電特性分析

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

常規充電方式根據電池相應的充電曲線，采用恒流、恒壓的傳統充電方式對電動汽車進行充電。這種方式以比較低的充電電流(0.1 C～0.3 C)在較長的時間內對蓄電池進行慢速充電，典型的充電時間為8～10 h。這種方式主要針對大量低電壓(220 V)分布式充電點，可充分利用電力低谷時段進行充電。充電簡化模型如圖1所示。

圖1 動力電池簡化充電過程

快速充電方式又稱應急充電，是指在短時間內使蓄電池達到或接近充滿狀態的一種方法。該充電方式以1～3 C的大充電電流在短時間內為蓄電池充電，其典型的充電時間是10～30 min。該方式充電功率很大，對電網要求較高，充電時間分布比較離散。

更換電池方式通過直接更換電動汽車的電池組來達到充電的目的。整個電池更換過程可以在10 min內完成，更換下來的電池，一般采用常規方式進行集中充電。充電時間可控性高，可以根據電網要求安排在負荷低谷時段進行。

電池的放電容量與放電電流有關，放電電流越大，在該電流下所放出的有效容量越少，動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 充放電站參與電網調峰模型及求解

2.1 參與調峰容量計算

要建立電動汽車充放電站參與調峰模型，首先要預測可參與調峰的容量，即充電容量和放電容量。由于電動汽車充電分布在時間和空間上具有很大的隨機性，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性。這就需要對充放電站可用容量進行分析預測。

對電動汽車充電方式，國家電網公司提出了“換電為主、插充為輔”的模式，本文在考慮時只考慮參與換電模式的電動汽車。對集中充電站而言，充電開始時間和充電功率是按照電網需求或調度中心調度計劃確定，則充電持續時間取決于待充電池總電量需求。

待充電池數目為M，電動汽車的起始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荷高峰時段可以調度的放電容量，假設可調度放電動力電池數目為N，則一般可由兩種方法取得；一是用戶根據自己的情況制定好某一時間段 (如1周)參與V2G的計劃，并將此計劃上報給后臺管理中心；一種是采用歷史數據進行預測的方式。

假設某動力電池放電起始SOC為s0，結束放電時 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

在電動汽車充放電站參與調峰時，充放電站可根據電網需求或調度中心計劃安排充電計劃，實現填谷目的。本文假設按照分批分時段方式進行，即以負荷預測曲線為基礎，以拉平最小負荷為目標。

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，在標準的大型集中充電站中進行，即國網國家電網公司提出的“集中充電、統一配送”模式。對動力電池的集中充電一般安排在負荷低谷時段，且充電站的充電功率是固定的，則充電持續時間取決于待充蓄電池的總電量需求。

將待充電池以某步長(單位電池數目)分作M組，以負荷最低時段為中心，依次向兩端延伸安排充電，并修正原始負荷曲線，得到等效負荷曲線。然后尋找等效負荷曲線的負荷最小值，并依此為中心點安排下一組電池的充電計劃，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荷曲線。其實現流程如圖3所示。

圖3 “填谷”計算流程

2.3 削峰模型及流程

在電動汽車充放電站參與調峰時，充放電站可根據可調度容量、電網需求或調度中心計劃安排放電計劃，實現削峰目的。 本文假設按照分批分時段方式進行，即以填谷以后的修正負荷曲線為基礎，以削減最大負荷為目標。

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

圖4 “削峰”計算流程

3 算例

本節以某地區電網為例，取該省2015年10月份典型日預負荷曲線，最大預測負荷為8 892萬千瓦，日負荷曲線見表1。

假設該地區2015年電動汽車規模分別為100萬輛、200萬輛、500萬輛、1000萬輛，根據上述模型和計算流程，對充放電站進行調峰調度，分析不同規模電動汽車對電網負荷曲線的影響。假設填谷時間限長為11 h，在負荷高峰時段有20%的電動汽車可參與調度調峰平衡，時間限長為3 h。計算結果如表1、圖5所示。

結果表明，電動汽車規模化應用以后，可起到了良好的“削峰填谷”效果，提高了電力設備的利用率。不同規模電動汽車對電網峰谷差的影響見表2。表中Pmax為電動汽車最大充電功率需求，可見隨著電動汽車應用規模的增大，電網的峰谷差明顯減小。

表1 某地區日負荷曲線

表2 不同規模電動汽車對峰谷差影響

以上算例只分析了充放電站參與系統平衡的情況，在實際運用中采用常規充電和快速充電的電動汽車會增加電網的最大負荷，增加額外的裝機需求。

4 結語

電動汽車是智能電網的重要組成部分，是實現低碳化交通的重要途徑。本文介紹了電動汽車充放電站的充放電特性，預測充放電站充電容量和可調度放電容量，提出了一種充放電站參與調峰平衡的方法。并基于某地區2015年典型日負荷曲線，研究了不同規模電動汽車對電網峰谷差的影響，結果表明充放電站有良好的“削峰填谷”效果，可極大緩解電網的調峰壓力。分析方法及算例結果對研究我國未來V2G技術對電網的影響具有一定的參考價值。